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前言

前段時間，有讀者希望我寫一篇關(guān)于 IP 分類地址、子網(wǎng)劃分等的文章，他反饋常常混淆，摸不著頭腦。

那么，說來就來！而且要盤就盤全一點，順便挑戰(zhàn)下小林的圖解功力，所以就來個?IP 基礎(chǔ)知識全家桶。

吃完這個 IP 基礎(chǔ)知識全家桶全家桶，包你撐著肚子喊出：“真香！”

不多說，直接上菜，共分為三道菜：

• 首先是前菜 「 IP 基本認(rèn)識 」

• 其次是主菜 「IP 地址的基礎(chǔ)知識」

• 最后是點心 「IP 協(xié)議相關(guān)技術(shù)」

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IP 基礎(chǔ)知識全家桶

為啥要比喻成菜？因為小林是菜狗（押韻不？）

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正文

前菜 —— IP 基本認(rèn)識

IP 在 TCP/IP 參考模型中處于第三層，也就是網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是：實現(xiàn)主機與主機之間的通信，也叫點對點（end to end）通信。

IP 的作用

網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層有什么關(guān)系呢？

有的小伙伴分不清 IP（網(wǎng)絡(luò)層） 和 MAC （數(shù)據(jù)鏈路層）之間的區(qū)別和關(guān)系。

其實很容易區(qū)分，在上面我們知道 IP 的作用是主機之間通信中的，而?MAC 的作用則是實現(xiàn)「直連」的兩個設(shè)備之間通信，而 IP 則負(fù)責(zé)在「沒有直連」的兩個網(wǎng)絡(luò)之間進行通信傳輸。

舉個生活的栗子，小林要去一個很遠的地方旅行，制定了一個行程表，其間需先后乘坐飛機、地鐵、公交車才能抵達目的地，為此小林需要買飛機票，地鐵票等。

飛機票和地鐵票都是去往特定的地點的，每張票只能夠在某一限定區(qū)間內(nèi)移動，此處的「區(qū)間內(nèi)」就如同通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)鏈路。

在區(qū)間內(nèi)移動相當(dāng)于數(shù)據(jù)鏈路層，充當(dāng)區(qū)間內(nèi)兩個節(jié)點傳輸?shù)墓δ?#xff0c;區(qū)間內(nèi)的出發(fā)點好比源 MAC 地址，目標(biāo)地點好比目的 MAC 地址。

整個旅游行程表就相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)層，充當(dāng)遠程定位的功能，行程的開始好比源 IP，行程的終點好比目的 IP 地址。

IP 的作用與 MAC 的作用

如果小林只有行程表而沒有車票，就無法搭乘交通工具到達目的地。相反，如果除了車票而沒有行程表，恐怕也很難到達目的地。因為小林不知道該坐什么車，也不知道該在哪里換乘。

因此，只有兩者兼?zhèn)?#xff0c;既有某個區(qū)間的車票又有整個旅行的行程表，才能保證到達目的地。與此類似，計算機網(wǎng)絡(luò)中也需要「數(shù)據(jù)鏈路層」和「網(wǎng)絡(luò)層」這個分層才能實現(xiàn)向最終目標(biāo)地址的通信。

還有重要一點，旅行途中我們雖然不斷變化了交通工具，但是旅行行程的起始地址和目的地址始終都沒變。其實，在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包傳輸中也是如此，源IP地址和目標(biāo)IP地址在傳輸過程中是不會變化的，只有源 MAC 地址和目標(biāo) MAC 一直在變化。

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主菜 —— IP 地址的基礎(chǔ)知識

在 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信時，為了保證能正常通信，每個設(shè)備都需要配置正確的 IP 地址，否則無法實現(xiàn)正常的通信。

IP 地址（IPv4 地址）由?32?位正整數(shù)來表示，IP 地址在計算機是以二進制的方式處理的。

而人類為了方便記憶采用了點分十進制的標(biāo)記方式，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(zhuǎn)換成十進制。

點分十進制

那么，IP 地址最大值也就是

也就說，最大允許 43 億臺計算機連接到網(wǎng)絡(luò)。

實際上，IP 地址并不是根據(jù)主機臺數(shù)來配置的，而是以網(wǎng)卡。像服務(wù)器、路由器等設(shè)備都是有 2 個以上的網(wǎng)卡，也就是它們會有 2 個以上的 IP 地址。

每塊網(wǎng)卡可以分配一個以上的IP地址

因此，讓 43 億臺計算機全部連網(wǎng)其實是不可能的，更何況 IP 地址是由「網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識」和「主機標(biāo)識」這兩個部分組成的，所以實際能夠連接到網(wǎng)絡(luò)的計算機個數(shù)更是少了很多。

可能有的小伙伴提出了疑問，現(xiàn)在不僅電腦配了 IP， 手機、IPad 等電子設(shè)備都配了 IP 呀，照理來說肯定會超過 43 億啦，那是怎么能夠支持這么多 IP 的呢？

因為會根據(jù)一種可以更換 IP 地址的技術(shù)?NAT，使得可連接計算機數(shù)超過 43 億臺。NAT?技術(shù)后續(xù)會進一步討論和說明。

IP 地址的分類

互聯(lián)網(wǎng)誕生之初，IP 地址顯得很充裕，于是計算機科學(xué)家們設(shè)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。

IP 地址分類

上圖中黃色部是分類號，用以區(qū)分 IP 地址類別。

什么是 A、B、C 類地址？

其中對于 A、B、C 類主要分為兩個部分，分別是網(wǎng)絡(luò)號和主機號。這很好理解，好比小林是 A 小區(qū) 1 棟 101 號，你是 B 小區(qū) 1 棟 101 號。

我們可以用下面這個表格， 就能很清楚的知道 A、B、C 分類對應(yīng)的地址范圍、最大主機個數(shù)。

A、B、C 分類地址

A、B、C 分類地址最大主機個數(shù)是如何計算的呢？

最大主機個數(shù)，就是要看主機號的位數(shù)，如 C 類地址的主機號占 8 位，那么 C 類地址的最大主機個數(shù)：

為什么要減 2 呢？

因為在 IP 地址中，有兩個 IP 是特殊的，分別是主機號全為 1 和 全為 0 地址。

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• 主機號全為 1 指定某個網(wǎng)絡(luò)下的所有主機，用于廣播

• 主機號全為 0 指定某個網(wǎng)絡(luò)

因此，在分配過程中，應(yīng)該去掉這兩種情況。

廣播地址用于什么？

廣播地址用于在同一個鏈路中相互連接的主機之間發(fā)送數(shù)據(jù)包。

學(xué)校班級中就有廣播的例子，在準(zhǔn)備上課的時候，通常班長會喊：“上課， 全體起立！”，班里的同學(xué)聽到這句話是不是全部都站起來了？這個句話就有廣播的含義。

當(dāng)主機號全為 1 時，就表示該網(wǎng)絡(luò)的廣播地址。例如把?172.20.0.0/16?用二進制表示如下：

10101100.00010100.00000000.00000000

將這個地址的主機部分全部改為 1，則形成廣播地址：

10101100.00010100.11111111.11111111

再將這個地址用十進制表示，則為?172.20.255.255。

廣播地址可以分為本地廣播和直接廣播兩種。

• 在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廣播的叫做本地廣播。例如網(wǎng)絡(luò)地址為 192.168.0.0/24 的情況下，廣播地址是 192.168.0.255 。因為這個廣播地址的 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。

• 在不同網(wǎng)絡(luò)之間的廣播叫做直接廣播。例如網(wǎng)絡(luò)地址為 192.168.0.0/24 的主機向 192.168.1.255/24 的目標(biāo)地址發(fā)送 IP 包。收到這個包的路由器，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給192.168.1.0/24，從而使得所有 192.168.1.1~192.168.1.254 的主機都能收到這個包（由于直接廣播有一定的安全問題，多數(shù)情況下會在路由器上設(shè)置為不轉(zhuǎn)發(fā)）。

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本地廣播與直接廣播

什么是 D、E 類地址？

而 D 類和 E 類地址是沒有主機號的，所以不可用于主機 IP，D 類常被用于多播，E 類是預(yù)留的分類，暫時未使用。

D、E 分類地址

多播地址用于什么？

多播用于將包發(fā)送給特定組內(nèi)的所有主機。

還是舉班級的栗子，老師說：“最后一排的同學(xué)，上來做這道數(shù)學(xué)題。”，老師是指定的是最后一排的同學(xué)，也就是多播的含義了。

由于廣播無法穿透路由，若想給其他網(wǎng)段發(fā)送同樣的包，就可以使用可以穿透路由的多播（組播）。

單播、廣播、多播通信

多播使用的 D 類地址，其前四位是?1110?就表示是多播地址，而剩下的 28 位是多播的組編號。

從 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 都是多播的可用范圍，其劃分為以下三類：

• 224.0.0.0 ~ 224.0.0.255 為預(yù)留的組播地址，只能局域網(wǎng)中，路由器是不會進行轉(zhuǎn)發(fā)的

• 224.0.1.0 ~ 238.255.255.255 ?為用戶可用的組播地址，可以用于 Internet 上

• 239.0.0.0 ~ 239.255.255.255 為本地管理組播地址，可供內(nèi)部網(wǎng)在內(nèi)部使用，僅在特定的本地范圍內(nèi)有效

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IP 分類的優(yōu)點

不管是路由器還是主機解析到一個 IP 地址時候，我們判斷其 IP 地址的首位是否為 0，為 0 則為 A 類地址，那么就能很快的找出網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址。

其余分類判斷方式參考如下圖：

IP 分類判斷

所以，這種分類地址的優(yōu)點就是簡單明了、選路（基于網(wǎng)絡(luò)地址）簡單。

IP 分類的缺點

缺點一

同一網(wǎng)絡(luò)下沒有地址層次，比如一個公司里用了 B 類地址，但是可能需要根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境、測試環(huán)境、開發(fā)環(huán)境來劃分地址層次，而這種 IP 分類是沒有地址層次劃分的功能，所以這就缺少地址的靈活性。

缺點二

A、B、C類有個尷尬處境，就是不能很好的與現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)匹配。

• C 類地址能包含的最大主機數(shù)量實在太少了，只有 254 個，估計一個網(wǎng)吧都不夠用。

• 而 B 類地址能包含的最大主機數(shù)量又太多了，6 萬多臺機器放在一個網(wǎng)絡(luò)下面，一般的企業(yè)基本達不到這個規(guī)模，閑著的地址就是浪費。

這兩個缺點，都可以在?CIDR?無分類地址解決。

無分類地址 CIDR

正因為 IP 分類存在許多缺點，所有后面提出了無分類地址的方案，即?CIDR。

這種方式不再有分類地址的概念，32 比特的 IP 地址被劃分為兩部分，前面是網(wǎng)絡(luò)號，后面是主機號。

怎么劃分網(wǎng)絡(luò)號和主機號的呢？

表示形式?a.b.c.d/x，其中?/x?表示前 x 位屬于網(wǎng)絡(luò)號， x 的范圍是?0 ~ 32，這就使得 IP 地址更加具有靈活性。

比如 10.100.122.2/24，這種地址表示形式就是 CIDR，/24?表示前 24 位是網(wǎng)絡(luò)號，剩余的 8 位是主機號。

還有另一種劃分網(wǎng)絡(luò)號與主機號形式，那就是子網(wǎng)掩碼，掩碼的意思就是掩蓋掉主機號，剩余的就是網(wǎng)絡(luò)號。

將子網(wǎng)掩碼和 IP 地址按位計算 AND，就可得到網(wǎng)絡(luò)號。

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為什么要分離網(wǎng)絡(luò)號和主機號？

因為兩臺計算機要通訊，首先要判斷是否處于同一個廣播域內(nèi)，即網(wǎng)絡(luò)地址是否相同。如果網(wǎng)絡(luò)地址相同，表明接受方在本網(wǎng)絡(luò)上，那么可以把數(shù)據(jù)包直接發(fā)送到目標(biāo)主機，

路由器尋址工作中，也就是通過這樣的方式來找到對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)號的，進而把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。

IP地址的網(wǎng)絡(luò)號

怎么進行子網(wǎng)劃分？

在上面我們知道可以通過子網(wǎng)掩碼劃分出網(wǎng)絡(luò)號和主機號，那實際上子網(wǎng)掩碼還有一個作用，那就是劃分子網(wǎng)。

子網(wǎng)劃分實際上是將主機地址分為兩個部分：子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址和子網(wǎng)主機地址。形式如下：

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• 未做子網(wǎng)劃分的 ip 地址：網(wǎng)絡(luò)地址＋主機地址

• 做子網(wǎng)劃分后的 ip 地址：網(wǎng)絡(luò)地址＋（子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址＋子網(wǎng)主機地址）

假設(shè)對 C 類地址進行子網(wǎng)劃分，網(wǎng)絡(luò)地址 192.168.1.0，使用子網(wǎng)掩碼 255.255.255.192 對其進行子網(wǎng)劃分。

C 類地址中前 24 位 是網(wǎng)絡(luò)號，最后 8 位是主機號，根據(jù)子網(wǎng)掩碼可知從 8 位主機號中借用 2 位作為子網(wǎng)號。

由于子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址被劃分成 2 位，那么子網(wǎng)地址就有 4 個，分別是 00、01、10、11，具體劃分如下圖：

劃分后的 4 個子網(wǎng)如下表格：

公有 IP 地址與私有 IP 地址

在 A、B、C 分類地址，實際上有分公有 IP 地址和 私有 IP 地址。

平時我們辦公室、家里、學(xué)校用的 IP 地址，一般都是私有 IP 地址。因為這些地址允許組織內(nèi)部的 IT 人員自己管理、自己分配，而且可以重復(fù)。因此，你學(xué)校的某個私有 IP 地址和我學(xué)校的可以是一樣的。

就像每個小區(qū)都有自己的樓編號和門牌號，你小區(qū)家可以叫 ?1 棟 101 號，我小區(qū)家也可以叫 1 棟 101，沒有任何問題。但一旦出了小區(qū)，就需要帶上中山路 666 號（公網(wǎng) IP 地址），是國家統(tǒng)一分配的，不能兩個小區(qū)都叫中山路 666。

所以，公有 IP 地址是有個組織統(tǒng)一分配的，假設(shè)你要開一個博客網(wǎng)站，那么你就需要去申請購買一個公有 IP，這樣全世界的人才能訪問。并且公有 IP 地址基本上要在整個互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)保持唯一。

公有 IP 地址與私有 IP 地址

公有 IP 地址由誰管理呢？

私有 IP 地址通常是內(nèi)部的 IT 人員值管理，公有 IP 地址是由?ICANN?組織管理，中文叫「互聯(lián)網(wǎng)名稱與數(shù)字地址分配機構(gòu)」。

IANA 是 ICANN 的其中一個機構(gòu)，它負(fù)責(zé)分配互聯(lián)網(wǎng) IP 地址，是按州的方式層層分配。

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• ARIN 北美地區(qū)

• LACNIC 拉丁美洲和一些加勒比群島

• RIPE NCC 歐洲、中東和中亞

• AfriNIC 非洲地區(qū)

• APNIC 亞太地區(qū)

其中，在中國是由 CNNIC 的機構(gòu)進行管理，它是中國國內(nèi)唯一指定的全局 IP 地址管理的組織。

IP 地址與路由控制

IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址這一部分是用于進行路由控制。

路由控制表中記錄著網(wǎng)絡(luò)地址與下一步應(yīng)該發(fā)送至路由器的地址，在主機和路由器上都會有各自的路由器控制表。

在發(fā)送 IP 包時，首先要確定 IP 包首部中的目標(biāo)地址，再從路由控制表中找到與該地址具有相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄，根據(jù)該記錄將 IP 包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的下一個路由器。如果路由控制表中存在多條相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄，就選擇相同位數(shù)最多的網(wǎng)絡(luò)地址，也就是最長匹配。

下面以下圖的網(wǎng)絡(luò)鏈路作為例子說明：

IP 地址與路由控制

主機 A 要發(fā)送一個 IP 包，其源地址是?10.1.1.30?和目標(biāo)地址是?10.1.2.10，由于沒有在主機 A 的路由表找到與目標(biāo)地址?10.1.2.10?的網(wǎng)絡(luò)地址，于是把包被轉(zhuǎn)發(fā)到默認(rèn)路由（路由器?1?）

路由器?1?收到 IP 包后，也在路由器?1?的路由表匹配與目標(biāo)地址相同的網(wǎng)絡(luò)地址記錄，發(fā)現(xiàn)匹配到了，于是就把 IP 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到了?10.1.0.2?這臺路由器?2

路由器?2?收到后，同樣對比自身的路由表，發(fā)現(xiàn)匹配到了，于是把 IP 包從路由器?2?的?10.1.2.1?這個接口出去，最終經(jīng)過交換機把 IP 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到了目標(biāo)主機

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環(huán)回地址是不會流向網(wǎng)絡(luò)

環(huán)回地址是在同一臺計算機上的程序之間進行網(wǎng)絡(luò)通信時所使用的一個默認(rèn)地址。

計算機使用一個特殊的 IP 地址?127.0.0.1 作為環(huán)回地址，與該地址具有相同意義的是一個叫做?localhost?的主機名。

使用這個 IP 或主機名時，數(shù)據(jù)包不會流向網(wǎng)絡(luò)。

IP 分片與重組

每種數(shù)據(jù)鏈路的最大傳輸單元?MTU?都是不相同的，如 FDDI 數(shù)據(jù)鏈路 MTU 4352、以太網(wǎng)的 MTU 是 1500 字節(jié)等。

每種數(shù)據(jù)鏈路的 MTU 之所以不同，是因為每個不同類型的數(shù)據(jù)鏈路的使用目的不同。使用目的不同，可承載的 MTU 也就不同。

其中，我們最常見數(shù)據(jù)鏈路是以太網(wǎng)，它的 MTU 是?1500?字節(jié)。

那么當(dāng) IP 數(shù)據(jù)包大小大于 MTU 時， IP 數(shù)據(jù)包就會被分片。

經(jīng)過分片之后的 IP 數(shù)據(jù)報在被重組的時候，只能由目標(biāo)主機進行，路由器是不會進行重組的。

假設(shè)發(fā)送方發(fā)送一個 4000 字節(jié)的大數(shù)據(jù)報，若要傳輸在以太網(wǎng)鏈路，則需要把數(shù)據(jù)報分片成 3 個小數(shù)據(jù)報進行傳輸，再交由接收方重組成大數(shù)據(jù)報。

分片與重組

在分片傳輸中，一旦某個分片丟失，則會造成整個 IP 數(shù)據(jù)報作廢，所以 TCP 引入了?MSS?也就是在 TCP 層進行分片不由 IP 層分片，那么對于 UDP 我們盡量不要發(fā)送一個大于?MTU?的數(shù)據(jù)報文。

IPv6 基本認(rèn)識

IPv4 的地址是 32 位的，大約可以提供 42 億個地址，但是早在 2011 年 IPv4 地址就已經(jīng)被分配完了。

但是 IPv6 的地址是?128?位的，這可分配的地址數(shù)量是大的驚人，說個段子?IPv6 可以保證地球上的每粒沙子都能被分配到一個 IP 地址。

但 IPv6 除了有更多的地址之外，還有更好的安全性和擴展性，說簡單點就是 IPv6 相比于 IPv4 能帶來更好的網(wǎng)絡(luò)體驗。

但是因為 IPv4 和 IPv6 不能相互兼容，所以不但要我們電腦、手機之類的設(shè)備支持，還需要網(wǎng)絡(luò)運營商對現(xiàn)有的設(shè)備進行升級，所以這可能是 IPv6 普及率比較慢的一個原因。

IPv6 的亮點

IPv6 不僅僅只是可分配的地址變多了，他還有非常多的亮點。

• IPv6 可自動配置，即使沒有 DHCP 服務(wù)器也可以實現(xiàn)自動分配IP地址，真是便捷到即插即用啊。

• IPv6 包頭包首部長度采用固定的值?40?字節(jié)，去掉了包頭校驗和，簡化了首部結(jié)構(gòu)，減輕了路由器負(fù)荷，大大提高了傳輸?shù)男阅?/strong>。

• IPv6 有應(yīng)對偽造 IP 地址的網(wǎng)絡(luò)安全功能以及防止線路竊聽的功能，大大提升了安全性。

• …?（由你發(fā)現(xiàn)更多的亮點）

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IPv6 地址的標(biāo)識方法

IPv4 地址長度共 32 位，是以每 8 位作為一組，并用點分十進制的表示方式。

IPv6 地址長度是 128 位，是以每 16 位作為一組，每組用冒號 「:」 隔開。

IPv6 地址表示方法

如果出現(xiàn)連續(xù)的 0 時還可以將這些 0 省略，并用兩個冒號 「::」隔開。但是，一個 IP 地址中只允許出現(xiàn)一次兩個連續(xù)的冒號。

Pv6 地址缺省表示方

IPv6 地址的結(jié)構(gòu)

IPv6 類似 IPv4，也是通過 IP 地址的前幾位標(biāo)識 IP 地址的種類。

IPv6 的地址主要有一下類型地址：

• 單播地址，用于一對一的通信

• 組播地址，用于一對多的通信

• 任播地址，用于通信最近的節(jié)點，最近的節(jié)點是由路由協(xié)議決定

• 沒有廣播地址

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IPv6地址結(jié)構(gòu)

IPv6 單播地址類型

對于一對一通信的 IPv6 地址，主要劃分了三類單播地址，每類地址的有效范圍都不同。

• 在同一鏈路單播通信，不經(jīng)過路由器，可以使用鏈路本地單播地址，IPv4 沒有此類型

• 在內(nèi)網(wǎng)里單播通信，可以使用唯一本地地址，相當(dāng)于 IPv4 的私有 IP

• 在互聯(lián)網(wǎng)通信，可以使用全局單播地址，相當(dāng)于 IPv4 的公有 IP

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IPv6 中的單播通信

IPv4 首部與 IPv6 首部

IPv4 首部與 IPv6 首部的差異如下圖：

IPv4 首部與 IPv6 首部的差異

IPv6 相比 IPv4 的首部改進：

• 取消了首部校驗和字段。?因為在數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層都會校驗，因此 IPv6 直接取消了 IP 的校驗。

• 取消了分片/重新組裝相關(guān)字段。?分片與重組是耗時的過程，IPv6 不允許在中間路由器進行分片與重組，這種操作只能在源與目標(biāo)主機，這將大大提高了路由器轉(zhuǎn)發(fā)的速度。

• 取消選項字段。?選項字段不再是標(biāo)準(zhǔn) IP 首部的一部分了，但它并沒有消失，而是可能出現(xiàn)在 IPv6 首部中的「下一個首部」指出的位置上。刪除該選項字段是的 IPv6 的首部成為固定長度的?40?字節(jié)。

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點心 —— IP 協(xié)議相關(guān)技術(shù)

跟 IP 協(xié)議相關(guān)的技術(shù)也不少，接下來說說與 IP 協(xié)議相關(guān)的重要且常見的技術(shù)。

• DNS 域名解析

• ARP 與 RARP 協(xié)議

• DHCP 動態(tài)獲取 IP 地址

• NAT 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

• ICMP 互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議

• IGMP 因特網(wǎng)組管理協(xié)

DNS

我們在上網(wǎng)的時候，通常使用的方式域名，而不是 IP 地址，因為域名方便人類記憶。

那么實現(xiàn)這一技術(shù)的就是?DNS 域名解析，DNS 可以將域名網(wǎng)址自動轉(zhuǎn)換為具體的 IP 地址。

域名的層級關(guān)系

DNS 中的域名都是用句點來分隔的，比如?www.server.com，這里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高。

畢竟域名是外國人發(fā)明，所以思維和中國人相反，比如說一個城市地點的時候，外國喜歡從小到大的方式順序說起（如 XX 街道 XX 區(qū) XX 市 XX 省），而中國則喜歡從大到小的順序（如 XX 省 XX 市 XX 區(qū) XX 街道）。

根域是在最頂層，它的下一層就是 com 頂級域，再下面是 server.com。

所以域名的層級關(guān)系類似一個樹狀結(jié)構(gòu)：

• 根 DNS 服務(wù)器

• 頂級域 DNS 服務(wù)器（com）

• 權(quán)威 DNS 服務(wù)器（server.com）

DNS 樹狀結(jié)構(gòu)

根域的 DNS 服務(wù)器信息保存在互聯(lián)網(wǎng)中所有的 DNS 服務(wù)器中。這樣一來，任何 DNS 服務(wù)器就都可以找到并訪問根域 DNS 服務(wù)器了。

因此，客戶端只要能夠找到任意一臺 DNS 服務(wù)器，就可以通過它找到根域 DNS 服務(wù)器，然后再一路順藤摸瓜找到位于下層的某臺目標(biāo) DNS 服務(wù)器。

域名解析的工作流程

瀏覽器首先看一下自己的緩存里有沒有，如果沒有就向操作系統(tǒng)的緩存要，還沒有就檢查本機域名解析文件?hosts，如果還是沒有，就會 DNS 服務(wù)器進行查詢，查詢的過程如下：

客戶端首先會發(fā)出一個 DNS 請求，問 www.server.com 的 IP 是啥，并發(fā)給本地 DNS 服務(wù)器（也就是客戶端的 TCP/IP 設(shè)置中填寫的 DNS 服務(wù)器地址）。

本地域名服務(wù)器收到客戶端的請求后，如果緩存里的表格能找到 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(wù)器：“老大， 能告訴我 www.server.com 的 IP 地址嗎？” 根域名服務(wù)器是最高層次的，它不直接用于域名解析，但能指明一條道路。

根 DNS 收到來自本地 DNS 的請求后，發(fā)現(xiàn)后置是 .com，說：“www.server.com 這個域名歸 .com 區(qū)域管理”，我給你 .com 頂級域名服務(wù)器地址給你，你去問問它吧。”

本地 DNS 收到頂級域名服務(wù)器的地址后，發(fā)起請求問“老二， 你能告訴我 www.server.com ?的 IP 地址嗎？”

頂級域名服務(wù)器說：“我給你負(fù)責(zé) www.server.com 區(qū)域的權(quán)威 DNS 服務(wù)器的地址，你去問它應(yīng)該能問到”。

本地 DNS 于是轉(zhuǎn)向問權(quán)威 DNS 服務(wù)器：“老三，www.server.com對應(yīng)的IP是啥呀？” server.com 的權(quán)威 DNS 服務(wù)器，它是域名解析結(jié)果的原出處。為啥叫權(quán)威呢？就是我的域名我做主。

權(quán)威 DNS 服務(wù)器查詢后將對應(yīng)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，客戶端和目標(biāo)建立連接。

至此，我們完成了 DNS 的解析過程。現(xiàn)在總結(jié)一下，整個過程我畫成了一個圖。

域名解析的工作流程

DNS 域名解析的過程蠻有意思的，整個過程就和我們?nèi)粘Ｉ钪姓胰藛柭返倪^程類似，只指路不帶路。

ARP

在傳輸一個 IP 數(shù)據(jù)報的時候，確定了源 IP 地址和目標(biāo) IP 地址后，就會通過主機「路由表」確定 IP 數(shù)據(jù)包下一跳。然而，網(wǎng)絡(luò)層的下一層是數(shù)據(jù)鏈路層，所以我們還要知道「下一跳」的 MAC 地址。

由于主機的路由表中可以找到下一條的 IP 地址，所以可以通過?ARP 協(xié)議，求得下一跳的 MAC 地址。

那么 ARP 又是如何知道對方 MAC 地址的呢？

簡單地說，ARP 是借助?ARP 請求與 ARP 響應(yīng)兩種類型的包確定 MAC 地址的。

ARP 廣播

• 主機會通過廣播發(fā)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(dāng)同個鏈路中的所有設(shè)備收到 ARP 請求時，會去拆開 ARP 請求包里的內(nèi)容，如果 ARP 請求包中的目標(biāo) IP 地址與自己的 IP 地址一致，那么這個設(shè)備就將自己的 MAC 地址塞入?ARP 響應(yīng)包返回給主機。

操作系統(tǒng)通常會把第一次通過 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(yīng) IP 地址的 MAC 地址。

不過，MAC 地址的緩存是有一定期限的，超過這個期限，緩存的內(nèi)容將被清除。

RARP 協(xié)議你知道是什么嗎？

ARP 協(xié)議是已知 IP 地址 求 MAC 地址，那 RARP 協(xié)議正好相反。

它是已知 MAC 地址求 IP 地址。例如將打印機服務(wù)器等小型嵌入式設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)時就經(jīng)常會用得到。

通常這需要架設(shè)一臺?RARP?服務(wù)器，在這個服務(wù)器上注冊設(shè)備的 MAC 地址及其 IP 地址。然后再將這個設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)，接著：

• 該設(shè)備會發(fā)送一條「我的 MAC 地址是XXXX，請告訴我，我的IP地址應(yīng)該是什么」的請求信息。

• RARP 服務(wù)器接到這個消息后返回「MAC地址為 XXXX 的設(shè)備，IP地址為 XXXX」的信息給這個設(shè)備。

最后，設(shè)備就根據(jù)從 RARP 服務(wù)器所收到的應(yīng)答信息設(shè)置自己的 IP 地址。

RARP

DHCP

DHCP 在生活中我們是很常見的了，我們的電腦通常都是通過 DHCP 動態(tài)獲取 IP 地址，大大省去了配 IP 信息繁瑣的過程。

接下來，我們來看看我們的電腦是如何通過 4 個步驟的過程，獲取到 IP 的。

DHCP 工作流程

先說明一點，DHCP 客戶端進程監(jiān)聽的是 68 端口號，DHCP 服務(wù)端進程監(jiān)聽的是 67 端口號。

DHCP 交互的 4 個步驟：

• 客戶端首先發(fā)起?DHCP 發(fā)現(xiàn)報文（DHCP DISCOVER）?的 IP 數(shù)據(jù)報，由于客戶端沒有 IP 地址，也不知道 DHCP 服務(wù)器的地址，所以使用的是 UDP?廣播通信，其使用的廣播目的地址是 255.255.255.255（端口 67） 并且使用 0.0.0.0（端口 68） 作為源 IP 地址。DHCP 客戶端將該 IP 數(shù)據(jù)報傳遞給鏈路層，鏈路層然后將幀廣播到所有的網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備。

• DHCP 服務(wù)器收到 DHCP 發(fā)現(xiàn)報文時，用?DHCP 提供報文（DHCP OFFER）?向客戶端做出響應(yīng)。該報文仍然使用 IP 廣播地址 255.255.255.255，該報文信息攜帶服務(wù)器提供可租約的 IP 地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、DNS 服務(wù)器以及?IP 地址租用期。

• 客戶端收到一個或多個服務(wù)器的 DHCP 提供報文后，從中選擇一個服務(wù)器，并向選中的服務(wù)器發(fā)送?DHCP 請求報文（DHCP REQUEST進行響應(yīng)，回顯配置的參數(shù)。

• 最后，服務(wù)端用?DHCP ACK 報文對 DHCP 請求報文進行響應(yīng)，應(yīng)答所要求的參數(shù)。

一旦客戶端收到 DHCP ACK 后，交互便完成了，并且客戶端能夠在租用期內(nèi)使用 DHCP 服務(wù)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(wù)器發(fā)送 DHCP 請求報文：

• 服務(wù)器如果同意繼續(xù)租用，則用 DHCP ACK 報文進行應(yīng)答，客戶端就會延長租期。

• 服務(wù)器如果不同意繼續(xù)租用，則用 DHCP NACK 報文，客戶端就要停止使用租約的 IP 地址。

可以發(fā)現(xiàn)，DHCP 交互中，全程都是使用 UDP 廣播通信。

咦，用的是廣播，那如果 DHCP 服務(wù)器和客戶端不是在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，路由器又不會轉(zhuǎn)發(fā)廣播包，那不是每個網(wǎng)絡(luò)都要配一個 DHCP 服務(wù)器？

所以，為了解決這一問題，就出現(xiàn)了?DHCP 中繼代理。

有了 DHCP 中繼代理以后，對不同網(wǎng)段的 IP 地址分配也可以由一個 DHCP 服務(wù)器統(tǒng)一進行管理。

DHCP 中繼代理

• DHCP 客戶端會向 DHCP 中繼代理發(fā)送 DHCP 請求包，而 DHCP 中繼代理在收到這個廣播包以后，再以單播的形式發(fā)給 DHCP 服務(wù)器。

• 服務(wù)器端收到該包以后再向 DHCP 中繼代理返回應(yīng)答，并由 DHCP 中繼代理將此包轉(zhuǎn)發(fā)給 DHCP 客戶端 。

因此，DHCP 服務(wù)器即使不在同一個鏈路上也可以實現(xiàn)統(tǒng)一分配和管理IP地址。

NAT

IPv4 的地址是非常緊缺的，在前面我們也提到可以通過無分類地址來減緩 IPv4 地址耗盡的速度，但是互聯(lián)網(wǎng)的用戶增速是非常驚人的，所以 IPv4 地址依然有被耗盡的危險。

于是，提出了一個種網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換 NAT?的方法，再次緩解了 IPv4 地址耗盡的問題。

簡單的來說 NAT 就是在同個公司、家庭、教室內(nèi)的主機對外部通信時，把私有 IP 地址轉(zhuǎn)換成公有 IP 地址。

NAT

那不是 N 個 私有 IP 地址，你就要 N 個公有 IP 地址？這怎么就緩解了 IPv4 地址耗盡的問題？這不瞎扯嗎？

確實是，普通的 NAT 轉(zhuǎn)換沒什么意義。

由于絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都是使用傳輸層協(xié)議 TCP 或 UDP 來傳輸數(shù)據(jù)的。

因此，可以把 IP 地址 + 端口號一起進行轉(zhuǎn)換。

這樣，就用一個全球 IP 地址就可以了，這種轉(zhuǎn)換技術(shù)就叫網(wǎng)絡(luò)地址與端口轉(zhuǎn)換 NAPT。

很抽象？來，看下面的圖解就能瞬間明白了。

NAPT

圖中有兩個客戶端 192.168.1.10 和 192.168.1.11 同時與服務(wù)器 183.232.231.172 進行通信，并且這兩個客戶端的本地端口都是 1025。

此時，兩個私有 IP 地址都轉(zhuǎn)換 IP 地址為公有地址 120.229.175.121，但是以不同的端口號作為區(qū)分。

于是，生成一個 NAPT 路由器的轉(zhuǎn)換表，就可以正確地轉(zhuǎn)換地址跟端口的組合，令客戶端 A、B 能同時與服務(wù)器之間進行通信。

這種轉(zhuǎn)換表在 NAT 路由器上自動生成。例如，在 TCP 的情況下，建立 TCP 連接首次握手時的 SYN 包一經(jīng)發(fā)出，就會生成這個表。而后又隨著收到關(guān)閉連接時發(fā)出 FIN 包的確認(rèn)應(yīng)答從表中被刪除。

NAT 那么牛逼，難道就沒缺點了嗎？

當(dāng)然有缺陷，肯定沒有十全十美的方案。

由于 NAT/NAPT 都依賴于自己的轉(zhuǎn)換表，因此會有以下的問題：

• 外部無法主動與 NAT 內(nèi)部服務(wù)器建立連接，因為 NAPT 轉(zhuǎn)換表沒有轉(zhuǎn)換記錄。

• 轉(zhuǎn)換表的生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換操作都會產(chǎn)生性能開銷。

• 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。

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如何解決 NAT 潛在的問題呢？

解決的方法主要兩種方法。

第一種就是改用 IPv6

IPv6 可用范圍非常大，以至于每臺設(shè)備都可以配置一個公有 IP 地址，就不搞那么多花里胡哨的地址轉(zhuǎn)換了，但是 IPv6 普及速度還需要一些時間。

第二種 NAT 穿透技術(shù)

NAT 穿越技術(shù)擁有這樣的功能，它能夠讓網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序主動發(fā)現(xiàn)自己位于 NAT 設(shè)備之后，并且會主動獲得 NAT 設(shè)備的公有 IP，并為自己建立端口映射條目，注意這些都是 NAT設(shè)備后的應(yīng)用程序自動完成的。

也就是說，在 NAT 穿越技術(shù)中，NAT 設(shè)備后的應(yīng)用程序處于主動地位，它已經(jīng)明確地知道 NAT 設(shè)備要修改它外發(fā)的數(shù)據(jù)包，于是它主動配合 NAT 設(shè)備的操作，主動地建立好映射，這樣就不像以前由 NAT 設(shè)備來建立映射了。

說人話，就是客戶端主動從 NAT 設(shè)備獲取公有 IP 地址，然后自己建立端口映射條目，然后用這個條目對外通信，就不需要 NAT 設(shè)備來進行轉(zhuǎn)換了。

ICMP

ICMP 全稱是?Internet Control Message Protocol，也就是互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議。

里面有個關(guān)鍵詞 ——?控制，如何控制的呢？

網(wǎng)絡(luò)包在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境里，常常會遇到各種問題。

當(dāng)遇到問題的時候，總不能死個不明不白，沒頭沒腦的作風(fēng)不是計算機網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)格。所以需要傳出消息，報告遇到了什么問題，這樣才可以調(diào)整傳輸策略，以此來控制整個局面。

ICMP 功能都有啥？

ICMP?主要的功能包括：確認(rèn) IP 包是否成功送達目標(biāo)地址、報告發(fā)送過程中 IP 包被廢棄的原因和改善網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等。

在?IP?通信中如果某個?IP?包因為某種原因未能達到目標(biāo)地址，那么這個具體的原因?qū)?strong>由 ICMP 負(fù)責(zé)通知。

ICMP 目標(biāo)不可達消息

如上圖例子，主機?A?向主機?B?發(fā)送了數(shù)據(jù)包，由于某種原因，途中的路由器?2?未能發(fā)現(xiàn)主機?B?的存在，這時，路由器?2?就會向主機?A?發(fā)送一個?ICMP?目標(biāo)不可達數(shù)據(jù)包，說明發(fā)往主機?B?的包未能成功。

ICMP 的這種通知消息會使用?IP?進行發(fā)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(jīng)過路由器?1?再轉(zhuǎn)發(fā)給主機?A?。收到該 ICMP 包的主機?A?則分解 ICMP 的首部和數(shù)據(jù)域以后得知具體發(fā)生問題的原因。

ICMP 類型

ICMP 大致可以分為兩大類：

• 一類是用于診斷的查詢消息，也就是「查詢報文類型」

• 另一類是通知出錯原因的錯誤消息，也就是「差錯報文類型」

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常見的 ICMP 類型

IGMP

ICMP 跟 IGMP 是一點關(guān)系都沒有的，就好像周杰與周杰倫的區(qū)別，大家不要混淆了。

在前面我們知道了組播地址，也就是 D 類地址，既然是組播，那就說明是只有一組的主機能收到數(shù)據(jù)包，不在一組的主機不能收到數(shù)組包，怎么管理是否是在一組呢？那么，就需要?IGMP?協(xié)議了。

組播模型

IGMP 是因特網(wǎng)組管理協(xié)議，工作在主機（組播成員）和最后一跳路由之間，如上圖中的藍色部分。

• IGMP 報文向路由器申請加入和退出組播組，默認(rèn)情況下路由器是不會轉(zhuǎn)發(fā)組播包到連接中的主機，除非主機通過 IGMP 加入到組播組，主機申請加入到組播組時，路由器就會記錄 IGMP 路由器表，路由器后續(xù)就會轉(zhuǎn)發(fā)該組播地址的數(shù)據(jù)包了。

• IGMP 報文采用 IP 封裝，IP 頭部的協(xié)議號為 2，而且 TTL 字段值通常 為 1，因為 IGMP 是工作在主機與連接的路由器之間。

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IGMP 工作機制

IGMP 分為了三個版本分別是，IGMPv1、IGMPv2、IGMPv3。

接下來，以?IGMPv2?作為例子，說說常規(guī)查詢與響應(yīng)和離開組播組這兩個工作機制。

常規(guī)查詢與響應(yīng)工作機制

IGMP 常規(guī)查詢與響應(yīng)工作機制

路由器會周期性發(fā)送目的地址為?224.0.0.1（表示同一網(wǎng)段內(nèi)所有主機和路由器）?IGMP 常規(guī)查詢報文；

主機1 和 主機 3 收到這個查詢，隨后會啟動「報告延遲計時器」，計時器的時間是隨機的，通常是 0~10 秒，計時器超時后主機就會發(fā)送?IGMP 成員關(guān)系報告報文（源 IP 地址為自己主機的 IP 地址，目的 IP 地址為組播地址）。如果在定時器超時之前，收到同一個組內(nèi)的其他主機發(fā)送的成員關(guān)系報告報文，則自己不再發(fā)送，這樣可以減少網(wǎng)絡(luò)中多余的 IGMP 報文數(shù)量；

路由器收到主機的成員關(guān)系報告報文后，就會在 IGMP 路由表中加入該組播組，后續(xù)網(wǎng)絡(luò)中一旦該組播地址的數(shù)據(jù)到達路由器，它會把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去；

離開組播組工作機制

離開組播組的情況一，網(wǎng)段中仍有該組播組：

IGMPv2 離開組播組工作機制 情況1

主機 1 要離開組 224.1.1.1，發(fā)送 IGMPv2 離組報文，報文的目的地址是 224.0.0.2（表示發(fā)向網(wǎng)段內(nèi)的所有路由器）；

路由器收到該報文后，以 1 秒為間隔連續(xù)發(fā)送 IGMP 特定組查詢報文（共計發(fā)送 2 個），以便確認(rèn)該網(wǎng)絡(luò)是否還有 224.1.1.1 組的其他成員；

主機 3 仍然是組 224.1.1.1 的成員，因此它立即響應(yīng)這個特定組查詢。路由器知道該網(wǎng)絡(luò)中仍然存在該組播組的成員，于是繼續(xù)向該網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā) 224.1.1.1 的組播數(shù)據(jù)包；

離開組播組的情況二，網(wǎng)段中沒有該組播組：

IGMPv2 離開組播組工作機制 情況2

主機 1 要離開組播組 224.1.1.1，發(fā)送 IGMP 離組報文；

路由器收到該報文后，以 1 秒為間隔連續(xù)發(fā)送 IGMP 特定組查詢報文（共計發(fā)送 2 個）。此時在該網(wǎng)段內(nèi)，組 224.1.1.1 已經(jīng)沒有其他成員了，因此沒有主機響應(yīng)這個查詢；

一定時間后，路由器認(rèn)為該網(wǎng)段中已經(jīng)沒有 224.1.1.1 組播組成員了，將不會再向這個網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)該組播地址的數(shù)據(jù)包；

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的IP 基础知识“全家桶”，45 张图一套带走！的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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