计算机网络——IP协议基础原理
摘要
IP協議提供的一種統一的地址格式。它為互聯網上的每一個網絡和主機分配一個邏輯地址所以IP地址也叫邏輯地址,用來屏蔽物理地址的差異，MAC地址每一個機器都有一個編碼。IP地址是32位二進制數據分為4段每一段8位0~255來表示。通常是10進制的方式表示。凡是基于TCP/IP協議的智能設備都可以被分配IP地址。在同一個局域網中/本地局域網IP地址是唯一的。IP協議只是是網絡之間的互聯的協議。互聯網/物聯網的所有計算機網絡實現相互通信的一套規則。規定了計算機在網絡中進行通信時應當遵守的規則。所有設備只要是遵守IP協議就可以在網絡中互聯互通。
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一、IP相關基礎概念
IP在TCP/IP 參考模型中處于第三層，也就是網絡層。網絡層的主要作用是：實現主機與主機之間的通信，也叫點對點（end to end）通信。
1.1 網絡層與數據鏈路層有什么關系呢？
其實很容易區分，在上?我們知道 IP 的作?是主機之間通信?的，而MAC 的作?則是實現直連的兩個設備 之間通信，? IP 則負責在沒有直連的兩個?絡之間進?通信傳輸。源IP地址和?標IP地址在傳輸過程中是不會變化的，只有源 MAC 地址和?標 MAC ?直在變化。
1.2 IP的基礎概念
在TCP/IP ?絡通信時，為了保證能正常通信，每個設備都需要配置正確的 IP 地址，否則?法實現正常的通信。IP 地址（IPv4 地址）由 32 位正整數來表示，IP 地址在計算機是以?進制的?式處理的。而?類為了方便記憶采用了點分十進制的標記方法，也就是將 32 位 IP 地址以每 8 位為組，共分為4組，每組以.隔開，再將每組轉換成?進制。
實際上，IP 地址并不是根據主機臺數來配置的，而是網卡。像服務器、路由器等設備都是有 2 個以上的網卡，也 就是它們會有 2 個以上的 IP 地址。因此，讓43億臺計算機全部連網其實是不可能的，更何況 IP 地址是由?絡標識和主機標識這兩個部分組 成的，所以實際能夠連接到?絡的計算機個數更是少了很多。
1.3 IP的分類
互聯網誕生之初，IP 地址顯得很充裕，于是計算機科學家們設計了分類地址。IP 地址分類成了 5 種類型，分別是 A 類、B 類、C 類、D 類、E 類。
?其中對于 A、B、C 類主要分為兩個部分，分別是?絡號和主機號。
廣播地址的作用？
?播地址?于在同?個鏈路中相互連接的主機之間發送數據包。?播地址可以分為本地地?播和直接?播兩種：
- 在本?絡內?播的叫做本地?播。例如?絡地址為 192.168.0.0/24 的情況下，?播地址是 192.168.0.255 。 因為這個?播地址的 IP 包會被路由器屏蔽，所以不會到達 192.168.0.0/24 以外的其他鏈路上。
- 在不同?絡之間的?播叫做直接?播。例如?絡地址為 192.168.0.0/24 的主機向 192.168.1.255/24 的?標地 址發送 IP 包。收到這個包的路由器，將數據轉發給 192.168.1.0/24，從?使得所有 192.168.1.1~192.168.1.254 的主機都能收到這個包（由于直接?播有?定的安全問題，多數情況下會在路由 器上設置為不轉發）
多播地址用于什么？
而D類和E類地址是沒有主機號的，所以不可?于主機IP，D 類常被?于多播，E 類是預留的分類，暫時未使用。多播?于將包發送給特定組內的所有主機。由于?播?法穿透路由，若想給其他?段發送同樣的包，就可以使?可以穿透路由的多播。
1.4 IP 地址與路由控制
IP地址的?絡地址這?部分是?于進?路由控制。路由控制表中記錄著?絡地址與下?步應該發送?路由器的地址。在主機和路由器上都會有各?的路由器控制表。在發送 IP 包時，?先要確定 IP 包首部中的?標地址，再從路由控制表中找到與該地址具有相同?絡地址的記錄， 根據該記錄將IP包轉發給相應的下?個路由器。如果路由控制表中存在多條相同?絡地址的記錄，就選擇相同位 數最多的?絡地址，也就是最長匹配。
環回地址是不會流向?絡
環回地址是在同?臺計算機上的程序之間進??絡通信時所使?的?個默認地址。 計算機使??個特殊的 IP 地址 127.0.0.1 作為環回地址。與該地址具有相同意義的是?個叫做 localhost 的主機 名。使?這個 IP 或主機名時，數據包不會流向?絡。
1.5 IP 分片與重組
每種數據鏈路的最?傳輸單元MTU都是不相同的，如 FDDI 數據鏈路 MTU4352、以太?的MTU是1500字節等。每種數據鏈路的 MTU 之所以不同，是因為每個不同類型的數據鏈路的使??的不同。使??的不同，可承載的 MTU 也就不同。其中，我們最常?數據鏈路是以太?，它的 MTU 是 1500 字節。那么當 IP 數據包???于 MTU 時， IP 數據包就會被分?。經過分?之后的 IP 數據報在被重組的時候，只能由?標主機進?，路由器是不會進?重組的。
假設發送?發送?個4000字節的?數據報，若要傳輸在以太網鏈路，則需要把數據報分?成 3 個小數據報進?傳 輸，再交由接收?重組成?數據報。
在分片傳輸中，?旦某個分片中丟失，則會造成整個IP數據報作廢，所以 TCP 引?了 MSS 也就是在 TCP 層進?分?不由IP層分?，那么對于 UDP 我們盡量不要發送?個?于 MTU 的數據報文。
二、IP相關網絡協議原理
2.1 DNS域名解析
那么實現這?技術的就是 DNS 域名解析，DNS 可以將域名?址?動轉換為具體的 IP 地址。DNS 中的域名都是?句點來分隔的，比如www.server.com ，這?的句點代表了不同層次之間的界限。在域名中，越靠右的位置表示其層級越?。 畢竟域名是外國?發明，所以思維和中國?相反，?如說?個城市地點的時候，外國喜歡從小到大的順序說起 （如 XX 街道 XX 區 XX 市 XX 省），?中國則喜歡從?到?的順序（如 XX 省 XX 市 XX 區 XX 街道）。 根域是在最頂層，它的下?層就是 com 頂級域，再下面是 server.com。
所以域名的層級關系類似?個樹狀結構： 根 DNS 服務器 頂級域 DNS 服務器（com） 權威 DNS 服務器（server.com）
根域的 DNS 服務器信息保存在互聯?中所有的 DNS 服務器中。這樣?來，任何 DNS 服務器就都可以找到并訪問 根域 DNS 服務器了。因此，客戶端只要能夠找到任意?臺 DNS 服務器，就可以通過它找到根域 DNS 服務器，然后再?路順藤摸?找到 位于下層的某臺?標 DNS 服務器。
2.1.1 域名解析的工作流程
瀏覽器?先看?下??的緩存?有沒有，如果沒有就向操作系統的緩存要，還沒有就檢查本機域名解析?件 hosts ，如果還是沒有，就會 DNS 服務器進?查詢，查詢的過程如下：
- 客戶端?先會發出?個 DNS 請求，問 www.server.com 的 IP 是啥，并發給本地 DNS 服務器（也就是客戶端 的 TCP/IP 設置中填寫的 DNS 服務器地址）。
- 本地域名服務器收到客戶端的請求后，如果緩存?的表格能找到 www.server.com，則它直接返回 IP 地址。 如果沒有，本地 DNS 會去問它的根域名服務器：“??， 能告訴我 www.server.com 的 IP 地址嗎？” 根域名 服務器是最?層次的，它不直接?于域名解析，但能指明?條道路。
- 根 DNS 收到來?本地 DNS 的請求后，發現后置是 .com，說：“www.server.com 這個域名歸 .com 區域管 理”，我給你 .com 頂級域名服務器地址給你，你去問問它吧。”
- 本地 DNS 收到頂級域名服務器的地址后，發起請求問“??， 你能告訴我 www.server.com 的 IP 地址嗎？”
- 頂級域名服務器說：“我給你負責 www.server.com 區域的權威 DNS 服務器的地址，你去問它應該能問到”。
- 本地 DNS 于是轉向問權威 DNS 服務器：“?三，www.server.com對應的IP是啥呀？” server.com 的權威 DNS 服務器，它是域名解析結果的原出處。為啥叫權威呢？就是我的域名我做主。
- 權威 DNS 服務器查詢后將對應的 IP 地址 X.X.X.X 告訴本地 DNS。
- 本地 DNS 再將 IP 地址返回客戶端，客戶端和?標建?連接。
2.2 ARP協議與RARP協議
2.2.1 ARP協議
在傳輸?個IP數據報的時候，確定了源 IP 地址和?標 IP 地址后，就會通過主機「路由表」確定 IP 數據包下? 跳。然?，?絡層的下?層是數據鏈路層，所以我們還要知道「下?跳」的 MAC地址。由于主機的路由表中可以找到下?跳的 IP 地址，所以可以通過 ARP 協議，求得下?跳的 MAC 地址。
那么ARP又是如何知道對方的MAC地址的呢？
簡單地說，ARP 是借助 ARP 請求與 ARP 響應兩種類型的包確定 MAC 地址的。
- 主機會通過?播發送 ARP 請求，這個包中包含了想要知道的 MAC 地址的主機 IP 地址。
- 當同個鏈路中的所有設備收到 ARP 請求時，會去拆開 ARP 請求包?的內容，如果 ARP 請求包中的?標 IP 地址與??的 IP 地址?致，那么這個設備就將??的 MAC 地址塞? ARP 響應包返回給主機。
操作系統通常會把第?次通過 ARP 獲取的 MAC 地址緩存起來，以便下次直接從緩存中找到對應 IP 地址的 MAC 地址。 不過，MAC 地址的緩存是有?定期限的，超過這個期限，緩存的內容將被清除。
2.2.2 RARP協議
ARP 協議是已知 IP 地址求 MAC 地址，那 RARP 協議正好相反，它是已知 MAC 地址求 IP 地址。例如將打印機服 務器等?型嵌?式設備接?到?絡時就經常會?得到。通常這需要架設?臺 RARP 服務器，在這個服務器上注冊設備的 MAC 地址及其 IP 地址。然后再將這個設備接 ?到?絡，接著：
- 該設備會發送?條「我的 MAC 地址是XXXX，請告訴我，我的IP地址應該是什么」的請求信息。
- RARP 服務器接到這個消息后返回「MAC地址為 XXXX 的設備，IP地址為 XXXX」的信息給這個設備。
2.3 DHCP動態獲取IP地址
DHCP 在?活中我們是很常見的了，我們的電腦通常都是通過 DHCP 動態獲取 IP 地址，大大的省去了配IP信息繁瑣的過程。
這 4 個步驟：
客戶端收到DHCP ACK 后，交互便完成了，并且客戶端能夠在租?期內使? DHCP 服務器分配的 IP 地址。如果租約的 DHCP IP 地址快期后，客戶端會向服務器發送 DHCP 請求報?：
- 服務器如果同意繼續租?，則? DHCP ACK 報?進?應答，客戶端就會延?租期。
- 服務器如果不同意繼續租?，則? DHCP NACK 報?，客戶端就要停?使?租約的 IP 地址。
可以發現，DHCP 交互中，全程都是使? UDP ?播通信。那如果 DHCP 服務器和客戶端不是在同?個局域?內，路由器?不會轉發?播包，那不是每個?絡 都要配?個 DHCP 服務器？所以，為了解決這?問題，就出現了 DHCP 中繼代理。有了 DHCP 中繼代理以后，對不同?段的 IP 地址分配也 可以由?個 DHCP 服務器統?進?管理。
- DHCP 客戶端會向 DHCP 中繼代理發送 DHCP 請求包，? DHCP 中繼代理在收到這個?播包以后，再以單 播的形式發給 DHCP 服務器。
- 服務器端收到該包以后再向 DHCP 中繼代理返回應答，并由 DHCP 中繼代理將此包?播給 DHCP 客戶端 。
因此，DHCP 服務器即使不在同?個鏈路上也可以實現統?分配和管理IP地址。
2.4 NAT網絡地址轉換
IPv4 的地址是?常緊缺的，在前?我們也提到可以通過?分類地址來減緩 IPv4 地址耗盡的速度，但是互聯?的? 戶增速是?常驚?的，所以 IPv4 地址依然有被耗盡的危險。于是，提出了?種?絡地址轉換 NAT 的?法，再次緩解了 IPv4 地址耗盡的問題。 簡單的來說 NAT 就是同個公司、家庭、教室內的主機對外部通信時，把私有 IP 地址轉換成公有 IP 地址。
NAT當然有缺陷，肯定沒有?全?美的?案。 由于 NAT/NAPT 都依賴于??的轉換表，因此會有以下的問題： 外部?法主動與 NAT 內部服務器建?連接，因為 NAPT轉換表沒有轉換記錄。 轉換表的?成與轉換操作都會產?性能開銷。 通信過程中，如果NAT路由器重啟了，所有的TCP連接都將被重置。
解決的?法主要有兩種?法。
2.5 ICMP互聯網控制報文協議與IGMP協議
ICMP 全稱是 Internet Control Message Protocol，也就是互聯網控制報?協議。?絡包在復雜的?絡傳輸環境?，常常會遇到各種問題。當遇到問題的時候，總不能死個不明不?，沒頭沒腦的作風不是計算機網絡的風格。所以需要傳出消息，報告遇到 了什么問題，這樣才可以調整傳輸策略，以此來控制整個局?
ICMP 主要的功能包括：確認 IP 包是否成功送達?標地址、報告發送過程中 IP 包被廢棄的原因和改善?絡設置 等。 在 IP 通信中如果某個 IP 包因為某種原因未能達到?標地址，那么這個具體的原因將由 ICMP 負責通知。
如上圖例?，主機 A 向主機 B 發送了數據包，由于某種原因，途中的路由器 2 未能發現主機 B 的存在， 這時，路由器 2 就會向主機 A 發送?個 ICMP ?標不可達數據包，說明發往主機 B 的包未能成功。 ICMP 的這種通知消息會使? IP 進?發送 。 因此，從路由器 2 返回的 ICMP 包會按照往常的路由控制先經過路由器 1 再轉發給主機 A 。收到該 ICMP 包的主機 A 則分解 ICMP 的?部和數據域以后得知具體發?問題的原因。
2.5.1 ICMP的類型
2.5.2 IGMP因特網組管理協
ICMP 跟 IGMP 是?點關系都沒有的，就好像周杰與周杰倫的區別，?家不要混淆了。 在前?我們知道了組播地址，也就是 D 類地址，既然是組播，那就說明是只有?組的主機能收到數據包，不在?組 的主機不能收到數組包，怎么管理是否是在?組呢？那么，就需要 IGMP 協議了。
IGMP 是因特?組管理協議，?作在主機（組播成員）和最后?跳路由之間，如上圖中的藍?部分。
- IGMP 報?向路由器申請加?和退出組播組，默認情況下路由器是不會轉發組播包到連接中的主機，除?主機 通過 IGMP 加?到組播組，主機申請加?到組播組時，路由器就會記錄
- IGMP 路由器表，路由器后續就會轉 發組播包到對應的主機了。 IGMP 報?采? IP 封裝，IP 頭部的協議號為 2，?且 TTL 字段值通常為 1，因為 IGMP 是?作在主機與連接 的路由器之間。
IGMP 工作作機制
常規查詢與響應?作機制
離開組播組?作機制
離開組播組的情況?，?段中沒有該組播組：
博文參考
《小林圖解網絡》
| 地址類型 | IP地址號碼 | 說明 |
| 網關地址 | 192.168.0.1/192.168.0.254 | 網關地址 |
| 廣播地址 | 192.168.1.255 | |
| 子網掩碼 | 255.255.0.0 | |
| 子網掩碼 | 255.255.0.0 | |
| 子網掩碼 | 255.255.255.0 | |
| 限制廣播地址 | 255.255.255.255 | |
| 回環地址 | 127.0.0.1 | |
| 全部網段 | 0.0.0.0 | 表示任意一個地址 |
| DNS地址 | 114.114.114.114 | |
| DNS地址 | 233.5.5.5 | |
| DNS地址 | 233.6.6.6 | |
| DNS地址 | 1.2.4.8 | |
| DNS地址 | 8.8.8.8 | |
| DNS地址 | 202.106.0.20 | |
| DHCP分配的地址 | 169.254.0.0 | 路由器假死（重啟） |
| 組播地址 | 224.0.0.1 |
| 端口號 | 應用 | 說明 |
| 21 | FTP服務 | |
| 22 | SSH服務 | |
| 23 | Telent服務 | |
| 25 | SMTP服務 | 郵件協議 |
| 53 | DNS服務 | |
| 109 | POP2服務 | |
| 110 | POP3服務 | |
| 143 | IMAP服務 | |
| 465 | SMTPS服務 | SSL協議 |
| 995 | POP3S服務 | SSL協議 |
| 993 | IMAPS服務 | SSL協議 |
| 80 | HTTP服務 | |
| 443 | HTTPS服務 | |
| 3306 | MYSQL服務 | |
| 3389 | 遠程桌面 | |
| 8080 | 代理服務（tomcat） | |
| 6379 | Redis服務端口 |
總結
以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络——IP协议基础原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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