IP协议

IP概述

IP协议作用

1. 标识节点和链路：IP为每一个链路分配一个全局唯一的网络号以标识每个网络；为每个节点分配一个全局唯一的32位IP地址，以标识每个节点
2. 寻址和转发：IP路由器根据所掌握的路由信息，确定节点所在网络的位置，进而确定节点的位置，并选择合适的路径将IP包转发到目的节点
3. 适应各种数据链路：IP可根据链路的MTU对IP包进行分片和重组，可以建立IP地址到数据链路层地址的映射

IP头格式

普通的IP头长度为20B，其中主要字段为：

IP地址

连接到Internet的设备都有一个全球唯一的IP地址，IP地址与链路、设备无关，是由管理员分配的，也称为逻辑地址。Internet上每个节点既有IP地址，也有物理(MAC)地址。MAC地址是设备生产厂家固化在网卡上的，也是全球范围内的唯一标识的一个节点。

IP地址格式

计算机内部，IP地址由32位的二进制表示。但是由二进制表示不方便记忆，因此通常采用点分十进制法表示IP。即把32位的IP地址分成4段，每8个二进制位为一段，将每段二进制数分别转化为十进制数，并用点隔开。例如：

网络号和主机号

一个网络对应着一个网段，每个网段对应一个链路。为了标识这个网络，将给这个网络分配一个IP。而这个网络下的主机的IP地址将分为两部分，一部分为网络号和主机号，主机号的部分就是这个网络的IP地址。

IP地址分类

IP地址分为5类——A类、B类、C类、D类、E类。IP地址的分类如图：

特殊的IP：

IP	说明
主机号全0	网络地址，用于标识一个网端，例如192.168.1.0/24
主机号全1	网段广播地址，标识一个网络中所有主机，例如10.255.255.255
网络号为127	回环地址，例如127.0.0.1代表本机
IP地址全0	所有网络
IP地址全1	广播地址

IP地址划分

子网掩码

划分子网将IP地址中主机号部分借用若干位作为子网号，剩余部分作为主机号。于是两级的IP地址就变成了三级的IP地址，包括了网络号、子网号和主机号。
IP地址本事无法确定子网号的长度，为了把子网号和主机号区分开，就必须使用子网掩码(Subnet Mask)。子网掩码和IP地址一样都是32位，由一串二进制1和一串二进制0组成。子网掩码也可以通过点分十进制法表示。

所有的网络都有一个掩码，如果子网没有划分掩码，那么该网络使用默认掩码。

IP地址	掩码
A类	255.0.0.0
B类	255.255.0.0
C类	255.255.255.0

子网掩码的表示一般有两种方法：
1. 点分十进制法
与IP地址一样，将二进制的子网掩码用点分十进制表示
2. 位数表示法
在IP地址后面加一个斜线，然后在后面写上子网掩码中二进制1的位数

子网划分计算

1. 计算子网内可用地址数
   $主机数目=2^{主机号位数}-2$

2. 根据主机地址划分子网
   在已知每个子网内需要容纳的主机数量Y的前提下划分子网。
   例如需要将B类网络168.195.0.0划分成若干子网，要求每个子网内主机数为700台。划分过程:
   计算网络主机号：$2^{N-1}<=Y<=2^N$,得出$N=10$
   计算子网掩码位数：$32-N=22$，子网掩码为255.255.252.0，二进制表示为11111111.11111111.11111100.00000000
   根据子网掩码位数可知子网位数为6，能划分成$2^6$个子网。子网为198.195.0.0、198.195.4.0、198.195.8.0、……、168.195.252.0,子网掩码为255.255.252.0

3. 根据子网掩码划分子网
   $子网数量=2^{子网号数}$

4. 根据子网数划分子网
   已知需要划分子网数量的前提下划分子网。
   例如将B类网络168.195.0.0划分成27个子网，要求每个子网包括尽可能多的主机。计算过程如下：
   计算子网号位数：$2^{M-1}<=X<=2^M$，计算出$M=5$
   计算子网掩码:子网掩码位数为$16+M=21$,子网掩码为255.255.248.0，二进制表示为11111111.11111111.11111000.00000000.
   该子网一个能划分成$2^5=32$个子网，这些子网是：168.195.0.0、168.195.8.0、168.195.16.0、……、168.192.248.0，子网掩码是255.255.248.0

VLSM和CIDR

分配网络时，整个网络只有一个子网掩码，不论使用哪个子网掩码，每个子网内的主机数完全相等。但在现实中，不同网络对子网的需求是不一样的。针对这个问题，可以使用VLSM(可变长子网掩码)和CIDR(无类域间路由)来解决。