计算机网络——网络层IP

原创于 2025-03-11 13:52:40 发布 · 1k 阅读

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一、参考资料

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二、数据链路层和网络层

数据链路层：主要负责在相邻节点之间实现可靠的数据传输。 它将网络层传来的数据封装成帧，添加源 MAC 地址、目的 MAC 地址等信息，然后通过物理层发送到链路上。同时，它还负责处理数据的成帧、差错检测和纠正、流量控制等功能，确保数据在一条链路上的正确传输。
网络层：主要功能是实现不同网络之间的数据传输和路由选择。 它负责将数据从源主机传输到目的主机，即使源主机和目的主机位于不同的网络中。网络层通过 IP 地址来标识不同的主机和网络，根据路由表信息为数据包选择最佳的传输路径，使数据包能够在多个网络之间进行转发。

三、IP地址的分类

在这里插入图片描述

最大主机个数的计算

最大主机个数 = 2的主机号位数次方 - 2

特殊主机号

主机号全为0

含义：当主机号全为0时，该IP地址表示的是网络地址，它代表了整个网络，而不是网络中的某一台具体主机。比如在一个C类网络192.168.1.0中，这里的192.168.1是网络号，最后的0是主机号全为0的情况，它就代表了整个192.168.1这个网络。
用途：主要用于网络路由和子网划分等方面。网络设备（如路由器）通过识别网络地址来确定数据应该被发送到哪个网络区域。当路由器接收到一个数据包时，它会检查目标IP地址的网络部分，将数据包转发到对应的网络。

主机号全为1

含义：主机号全为1的IP地址被用作广播地址。在一个特定的网络中，发送到这个地址的数据包会被该网络中的所有主机接收。例如，在C类网络192.168.1.0/24中，广播地址就是192.168.1.255，其中255就是主机号全为1的情况（二进制表示为11111111）。
用途：常用于网络中的一些发现和通告机制。比如，当一台主机想要在本地网络中查找某个服务或者向所有主机发送一条消息时，就可以使用广播地址。常见的应用场景包括DHCP（动态主机配置协议）过程中，客户端通过向广播地址发送请求来获取IP地址等网络配置信息。另外，网络中的一些设备发现协议也会利用广播地址来让设备相互发现和识别。

多播、广播和单播

单播

定义：单播是在网络中从一个发送者到一个接收者之间的点对点通信方式，就像两个人之间打电话，信息是一对一传递的。
工作原理：发送方在发送数据时，会在数据包的目的地址字段中填写特定接收方的地址，网络设备（如路由器、交换机）根据这个目的地址，将数据包沿着特定的路径转发，确保数据准确无误地到达指定的接收者。
应用场景
- 视频会议：在视频会议中，每个参会者与会议服务器之间通常采用单播方式进行音视频数据传输，服务器将每个参会者的音视频流单独发送给其他参会者，保证每个用户能收到清晰、独立的音视频信号。
- 文件下载：当用户从服务器下载文件时，服务器与用户之间建立单播连接，将文件数据以单播的形式发送给用户，确保文件数据准确地传输到请求下载的用户设备上。

广播

定义：广播是指发送者向网络中的所有设备发送数据的通信方式，就像在一个大房间里大声喊话，房间里的所有人都能听到。
工作原理：发送方将数据包的目的地址设置为广播地址，当网络中的设备接收到这个数据包时，会检查目的地址，如果是广播地址，就会接收并处理这个数据包。在局域网中，广播数据包会被发送到同一网段内的所有设备。
应用场景
- 网络发现：在局域网中，设备可以通过发送广播消息来寻找其他设备或服务。比如，当一台新设备接入网络时，它可能会发送广播消息来询问网络中的路由器或其他设备，以获取网络配置信息。
- DHCP服务：动态主机配置协议（DHCP）通常使用广播来分配IP地址等网络配置信息。DHCP服务器通过广播向网络中的所有设备发送配置信息，需要获取IP地址的设备接收到广播后，根据自身需求向DHCP服务器请求分配IP地址等信息。

多播

定义：多播也叫组播，是一种一对多的通信方式，发送者向一组特定的接收者发送数据，只有加入了相应多播组的设备才会接收和处理这些数据，类似于在一个群组里发消息，只有群成员能收到。
工作原理：发送方将数据包发送到一个多播组地址，网络中的路由器等设备会根据多播组的信息，将数据包转发到所有加入了该多播组的接收者所在的网络分支，只有加入了这个多播组的设备才会接收并处理数据包。
应用场景
- 视频直播：多个用户同时观看同一个视频直播时，直播服务器可以采用多播方式将视频流发送给多个用户，网络中的路由器等设备会将视频流高效地分发到各个接收用户所在的网络，节省网络带宽资源。
- 在线游戏：在多人在线游戏中，游戏服务器可以通过多播向参与游戏的玩家发送游戏状态、地图更新等信息，保证所有玩家能及时获取游戏的最新信息，同步游戏进程。

本地广播和直接广播

本地广播

定义：本地广播也称为受限广播，是指在本地网络内进行的广播通信。它使用的目的IP地址是255.255.255.255，这个地址是一个特殊的广播地址，代表本地网络中的所有主机。本地广播数据包不会被路由器转发到其他网络，只会在本地网络的范围内传播。
特点
- 传播范围有限：仅在本地网络内传播，不会跨越路由器进入其他网络，这有助于减少网络流量和避免广播风暴在更大范围内扩散。
- 用于本地发现和通信：常用于本地网络中的设备发现、服务请求等场景。例如，当一台新设备接入网络时，它可能会发送本地广播来查询网络中的其他设备或服务，如DHCP客户端通过本地广播向DHCP服务器请求分配IP地址。
- 不依赖网络拓扑：无论本地网络的拓扑结构如何，本地广播都能将数据包发送到本地网络中的所有主机，不需要了解具体的网络布局和路由信息。
应用场景
- 网络设备初始化：新接入网络的设备通过本地广播获取网络配置信息，如IP地址、子网掩码、网关等。
- 本地服务发现：在局域网中，设备可以通过本地广播查找附近的打印机、文件服务器等共享资源。
- 本地网络管理：网络管理员可以利用本地广播发送一些管理指令或查询信息，获取本地网络中设备的状态等信息。

直接广播

定义：直接广播是指发送到特定网络的广播地址的数据包，其目的地址是某个特定网络的广播地址，即网络号不变，主机号全为1的IP地址。与本地广播不同，直接广播可以跨越路由器，发送到指定的远程网络。
特点
- 可跨网络传播：能够通过路由器发送到其他网络，使目标网络中的所有主机都能接收到广播消息。
- 针对性更强：可以针对特定的目标网络进行广播，而不是像本地广播那样只局限于本地网络。这在一些需要与远程网络中的所有主机进行通信的场景中非常有用。
- 需要网络配置信息：要发送直接广播，需要知道目标网络的网络号和广播地址，这通常需要在网络配置中进行设置或通过网络协议进行获取。
应用场景
- 远程网络管理：网络管理员可以从一个网络向远程的另一个网络发送广播消息，进行远程设备管理、配置更新等操作。
- 跨网络服务通告：当一个网络中的服务需要向其他网络中的主机进行通告时，可以使用直接广播。例如，一个跨多个分支机构的企业网络中，总部的服务器可以通过直接广播向各个分支机构的网络通告新的服务或应用更新。
- 网络故障诊断：在进行网络故障排查时，技术人员可以发送直接广播来检测远程网络中的设备是否正常工作，或者收集远程网络的相关信息。

IP分类的优缺点

优点
- 易于管理和分配
- 明确网络规模
- 路由效率高
缺点
- 地址浪费严重
- 缺乏灵活性
- 路由表膨胀
- 无法适应多样化的网络需求

四、无分类地址CIDR

无类别域间路由（Classless Inter-Domain Routing，CIDR）是一种用于在互联网上高效分配和管理IP地址的技术，以下是对它的详细介绍：

原理与特点

原理：CIDR使用“斜线记法”来表示IP地址和子网掩码，例如192.168.1.0/24，其中“/24”表示子网掩码中前24位为网络前缀，后8位为主机部分。通过这种方式，可以根据实际需要灵活地划分网络和主机地址空间。
特点
- 地址分配灵活：可以根据网络规模的大小，将IP地址块划分为不同大小的子网，大大提高了地址的利用率。比如，对于小型网络，可以使用/28、/29等较小的子网掩码，只分配少量的IP地址；对于大型网络，则可以使用/16、/20等较大的子网掩码，分配更多的IP地址。
- 路由聚合：CIDR能够将多个连续的网络地址聚合为一个路由条目，减少了路由表的规模，提高了路由器的转发效率。例如，192.168.0.0/24、192.168.1.0/24、192.168.2.0/24等多个网络可以聚合为192.168.0.0/22，在路由表中只需要一条记录。
- 无类别限制：突破了传统的A、B、C类地址的固定划分模式，使得网络规划更加自由和高效，能够更好地适应不同规模和需求的网络环境。

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子网掩码

定义与作用

定义：子网掩码是一个32位的二进制数（在IPv4中），通常用点分十进制表示，如255.255.255.0。它与IP地址进行按位逻辑“与”运算，从而确定IP地址的网络部分和主机部分。通过子网掩码，可以将一个大的网络划分为多个子网，提高网络的管理和安全性。
作用
- 网络标识：子网掩码能够明确IP地址中哪些位代表网络地址，哪些位代表主机地址。例如，对于IP地址192.168.1.100和子网掩码255.255.255.0，通过“与”运算（192.168.1.100 AND 255.255.255.0 = 192.168.1.0），可以得出网络地址为192.168.1.0，主机地址为0.0.0.100。
- 子网划分：允许网络管理员将一个大的网络划分为多个较小的子网。这样可以更好地组织网络，提高网络性能，便于管理和维护。例如，一个企业拥有一个C类网络（255.255.255.0），通过修改子网掩码（如255.255.255.192），可以将其划分为多个子网，每个子网包含不同数量的主机。
- 路由选择：路由器使用子网掩码来确定数据包的目的网络，从而做出正确的路由决策。通过将目的IP地址与子网掩码进行“与”运算，路由器可以判断数据包应该转发到哪个子网。

表示方法

点分十进制：最常见的表示方法，将32位的二进制数分成4个8位组，每个8位组转换为十进制数，用点分隔。例如，255.255.255.0 ，对应的二进制是11111111.11111111.11111111.00000000。
斜线记法（CIDR表示法）：在IP地址后面加上“/”符号，然后跟子网掩码中网络部分的位数。例如，192.168.1.0/24，表示子网掩码的前24位为网络部分，后8位为主机部分，对应的子网掩码是255.255.255.0。

常见子网掩码及对应主机数量

255.0.0.0（/8）：这是A类网络的默认子网掩码，网络部分为8位，主机部分为24位。理论上可容纳的主机数量为2^24 - 2 = 16777214台（减去网络地址和广播地址）。
255.255.0.0（/16）：B类网络的默认子网掩码，网络部分为16位，主机部分为16位。可容纳的主机数量为2^16 - 2 = 65534台。
255.255.255.0（/24）：C类网络的默认子网掩码，网络部分为24位，主机部分为8位。可容纳的主机数量为2^8 - 2 = 254台。
255.255.255.128（/25）：将C类网络进一步划分，主机部分为7位，可容纳的主机数量为2^7 - 2 = 126台。
255.255.255.192（/26）：主机部分为6位，可容纳的主机数量为2^6 - 2 = 62台。

子网掩码的计算与应用示例

计算网络地址：已知IP地址172.16.3.100和子网掩码255.255.255.0，进行按位“与”运算：
- 172.16.3.100 ：10101100.00010000.00000011.01100100
- 255.255.255.0 ：11111111.11111111.11111111.00000000
- 网络地址：10101100.00010000.00000011.00000000 ，即172.16.3.0
计算广播地址：在已知网络地址和子网掩码的情况下，将主机部分的所有位都设置为1，即可得到广播地址。例如，对于上述网络，广播地址为172.16.3.255（10101100.00010000.00000011.11111111）。

子网划分

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五、IP的分片

当IP数据包大小大于数据链路的MTU时，IP数据包会被分片，且经过分片后的IP数据报只能由目标主机进行重组，路由器不会进行重组。
对于以太网链路，若发送大于其MTU（1500字节）的IP数据包，如4000字节的大数据报，需要分片成3个小数据报进行传输，再由接收方重组。
在分片传输中，一旦某个分片丢失，会造成整个IP数据报作废，所以TCP引入了MSS在TCP层进行分片而不由IP层分片。
对于UDP，尽量不要发送大于MTU的数据报文。

六、IPv6

亮点

更大的地址空间：IPv6采用128位地址长度，地址空间达到2的128次方，能够为地球上每一粒沙子分配一个独立的IP地址，从根本上解决了IPv4地址短缺的问题。
简化的报头格式：IPv6报头格式更加简洁，减少了路由器处理报头的时间，提高了数据传输效率。一些可选字段被移到了扩展报头中，使路由器在处理数据包时能更快速地找到关键信息。
增强的安全性：IPv6支持IPsec（IP安全协议），为网络通信提供了加密和认证功能，增强了网络的安全性，可有效防止数据被窃取或篡改。
更好的移动性支持：IPv6为移动设备提供了更好的移动性支持，使移动设备在不同网络之间切换时能够更快速、更稳定地保持连接，如移动设备在从Wi-Fi网络切换到蜂窝网络时，能更快地完成地址配置和连接重建。
内置的QoS支持：通过流标签字段，IPv6能够为不同类型的数据流提供更好的服务质量（QoS）支持，可根据应用的需求对数据包进行优先级标记和处理，确保视频、音频等实时性要求高的数据流能获得更好的传输质量。

详情

地址类型
- 单播地址：标识单个网络接口，数据报会被发送到该接口。
- 组播地址：标识一组网络接口，数据报会被发送到该组中的所有接口。
- 任播地址：也标识一组网络接口，但数据报只会被发送到其中距离源节点最近的一个接口。
自动配置：IPv6支持无状态自动配置和有状态自动配置。无状态自动配置允许设备根据链路本地地址和网络前缀自动生成全球唯一的IPv6地址；有状态自动配置则需要借助DHCPv6服务器来获取地址和其他配置信息，使设备能更便捷地接入网络，减少了网络管理员的配置工作量。
邻居发现协议（NDP）：用于在本地链路上发现邻居节点的链路层地址、检测邻居节点的可达性等，替代了IPv4中的地址解析协议（ARP）等功能，使节点能够更高效地获取和管理邻居信息。