网工日记：IP详解-优快云博客

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IP（Internet Protocol）即互联网协议，是 TCP/IP 协议族的核心协议之一，用于在互联网中实现主机之间的通信和数据传输。

一、IP 协议的基本概念

IP 地址的定义和作用
- IP 地址是分配给网络设备（如计算机、服务器、路由器等）用于在网络中唯一标识其身份的逻辑地址。就像现实生活中的家庭住址一样，它使得数据能够准确地在网络中从一个设备发送到另一个设备。
- IP 地址的主要作用是为网络中的数据包提供目标地址和源地址，以便路由器等网络设备能够根据这些地址对数据包进行路由选择和转发。
IP 协议的位置和功能
- 在 TCP/IP 协议栈中，IP 协议位于网络层。它的主要功能包括：
  - 提供无连接的数据报服务：IP 协议不建立和维护与目标设备之间的连接，而是将数据分割成一个个独立的数据报（数据包）进行发送。每个数据报都包含了源 IP 地址、目标 IP 地址和数据内容等信息，这些数据报在网络中独立传输，可能会经过不同的路径到达目标设备。
  - 路由选择：IP 协议负责根据目标 IP 地址，通过查询路由表等方式确定数据包在网络中的传输路径。当一个数据包到达路由器时，路由器会根据其目标 IP 地址和自身的路由表，将数据包转发到下一个合适的网络设备，直到数据包最终到达目标设备。
  - 数据报的分片和重组：由于不同网络链路的最大传输单元（MTU）可能不同，当一个数据报的大小超过了某一链路的 MTU 时，IP 协议需要对数据报进行分片，将其分割成多个较小的片段，以便在该链路上传输。在目标设备收到这些分片后，IP 协议会将它们重新组合成原始的数据报。

二、IP 地址的分类

IPv4 地址分类
- A 类地址：
  - 范围：1.0.0.0 - 126.255.255.255。
  - 特点：A 类地址的第一个字节为网络号，后三个字节为主机号。其中网络号为 0 和 127 是保留的，0 表示 “本网络”，127 用于本地回环测试（如 127.0.0.1 通常用于本地计算机访问自己）。A 类地址的网络数量相对较少，但每个网络可容纳的主机数量很多，适用于大型网络。
- B 类地址：
  - 范围：128.0.0.0 - 191.255.255.255。
  - 特点：B 类地址的前两个字节为网络号，后两个字节为主机号。它提供了比 A 类地址更多的网络数量，每个网络可容纳的主机数量也比较可观，适用于中型网络。
- C 类地址：
  - 范围：192.0.0.0 - 223.255.255.255。
  - 特点：C 类地址的前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。C 类地址的网络数量较多，但每个网络可容纳的主机数量相对较少，适用于小型网络，如企业的部门网络或家庭网络。
- D 类地址：
  - 范围：224.0.0.0 - 239.255.255.255。
  - 特点：D 类地址主要用于多播（组播）通信，它标识一组接收者，而不是单个主机。例如，视频会议等应用可以使用 D 类地址将数据发送给多个接收者。
- E 类地址：
  - 范围：240.0.0.0 - 255.255.255.255。
  - 特点：E 类地址是保留地址，用于实验目的和未来的扩展，目前在正常的互联网通信中一般不使用。
子网掩码与子网划分
- 子网掩码是一个 32 位的二进制数，用于区分 IP 地址中的网络号和主机号。它与 IP 地址进行逻辑与运算，可以得到网络地址。例如，对于 IP 地址 192.168.1.10（C 类地址），子网掩码通常为 255.255.255.0，通过逻辑与运算（192.168.1.10 & 255.255.255.0）得到网络地址为 192.168.1.0。
- 子网划分是将一个大的网络划分为多个较小的子网的过程。通过改变子网掩码的长度，可以从主机号部分借用若干位作为子网号，从而增加网络的灵活性和可管理性。例如，将一个 C 类网络 192.168.1.0/24 划分为 4 个子网，可以将子网掩码变为 255.255.255.192（/26），这样每个子网可容纳的主机数量减少，但可以创建多个独立的子网用于不同的部门或应用。
IPv6 地址
- IPv6 是为了解决 IPv4 地址短缺问题而开发的新一代互联网协议。IPv6 地址长度为 128 位，相比 IPv4（32 位）地址空间大大增加。
- IPv6 地址的表示方法通常采用冒号十六进制表示法，例如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。为了简化表示，对于连续的 0 可以进行压缩，如上述地址可写成 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334（注意，一个 IPv6 地址中只能有一个双冒号 “::”）。
- IPv6 地址分类包括单播地址、多播地址和任播地址。单播地址用于标识一个唯一的接口；多播地址用于将数据发送给一组接口；任播地址用于将数据发送给一组接口中的任意一个（通常是距离最近的一个）。

三、IP 数据报的格式

首部格式
- IP 数据报由首部和数据部分组成。首部长度通常为 20 字节（不包括可选部分），包含了多个重要字段：
  - 版本号（Version）：4 位，用于标识 IP 协议的版本，IPv4 的版本号为 4，IPv6 为 6。
  - 首部长度（Header Length）：4 位，以 32 位字为单位表示首部长度，最小值为 5（20 字节），最大值为 15（60 字节），如果包含可选部分，首部长度会超过 20 字节。
  - 服务类型（Type of Service）：8 位，用于指示路由器对数据报的处理方式，如优先转发某些类型的数据报等。
  - 总长度（Total Length）：16 位，表示整个 IP 数据报（包括首部和数据部分）的长度，单位为字节，最大值为 65535 字节。
  - 标识（Identification）：16 位，用于标识数据报，当数据报被分片时，同一个数据报的所有分片具有相同的标识，以便在目标设备上进行重组。
  - 标志（Flags）：3 位，用于控制数据报的分片。其中最高位为保留位，中间位（DF）表示 “不分片”，最低位（MF）表示 “还有分片”。
  - 片偏移（Fragment Offset）：13 位，用于指示分片在原始数据报中的相对位置，单位为 8 字节，以便在目标设备上正确地重组分片。
  - 生存时间（Time to Live）：8 位，通常简称为 TTL，它表示数据报在网络中可以经过的最大路由器跳数。每经过一个路由器，TTL 值减 1，当 TTL 值为 0 时，数据报将被丢弃，这样可以防止数据报在网络中无限循环。
  - 协议（Protocol）：8 位，用于指示数据报携带的数据部分所使用的上层协议，如 TCP 协议的值为 6，UDP 协议的值为 17 等，这样接收端可以根据这个字段将数据部分交给正确的上层协议处理。
  - 首部校验和（Header Checksum）：16 位，用于检查首部在传输过程中是否出现错误。发送端在发送数据报时计算首部校验和，接收端收到数据报后重新计算校验和并与收到的值进行比较，如果不同则表示首部出现错误。
  - 源 IP 地址（Source IP Address）：32 位，标识发送数据报的主机的 IP 地址。
  - 目标 IP 地址（Destination IP Address）：32 位，标识接收数据报的主机的 IP 地址。
数据部分
- 数据部分是 IP 数据报中实际要传输的数据内容，其长度等于总长度减去首部长度。数据部分的内容由上层协议（如 TCP、UDP 等）提供，IP 协议只是负责将其封装并进行传输。

四、IP 协议的路由选择

路由表的构成和作用
- 路由表是路由器等网络设备用于存储路由信息的数据库。路由表中的每条记录（路由条目）通常包括目的网络地址、子网掩码、下一跳地址、出接口等信息。
- 当路由器收到一个 IP 数据报时，它会根据数据报的目标 IP 地址，在路由表中查找匹配的路由条目。通过将目标 IP 地址与路由表中各条目的子网掩码进行逻辑与运算，得到目标网络地址，然后与路由表中的目的网络地址进行比较，如果匹配成功，则根据下一跳地址和出接口将数据报转发出去。
静态路由和动态路由
- 静态路由：
  - 静态路由是由网络管理员手动配置在路由器上的路由信息。例如，管理员通过命令行输入指定到达某个目的网络的下一跳地址或出接口。静态路由的优点是配置简单、安全性高、占用资源少，适用于网络拓扑结构相对简单且稳定的环境。但是，它缺乏灵活性，当网络拓扑发生变化时，需要管理员手动修改路由配置。
- 动态路由：
  - 动态路由是通过路由器之间运行动态路由协议自动学习和更新的路由信息。常见的动态路由协议有 RIP（Routing Information Protocol）、OSPF（Open Shortest Path First）、BGP（Border Gateway Protocol）等。动态路由协议能够根据网络拓扑的变化自动调整路由表，使路由器能够及时适应网络的变化。其优点是具有较好的灵活性和适应性，能够自动适应网络拓扑的变化，但缺点是配置相对复杂，且可能会占用一定的网络带宽和路由器资源来进行路由信息的交换和更新。

IP 协议是互联网的基石，它通过 IP 地址的分配和管理、数据报的传输以及路由选择等功能，实现了全球范围内网络设备之间的通信和信息交换。随着互联网的不断发展，IP 协议也在不断演进，IPv6 的逐渐普及将为未来的网络应用提供更广阔的空间。