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编程问答

计网 - IPv4 协议：路由和寻址的区别是什么？

發(fā)布時間：2025/3/21 编程问答 26 豆豆
生活随笔 收集整理的這篇文章主要介紹了 计网 - IPv4 协议：路由和寻址的区别是什么？ 小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

文章目錄

  • Pre
  • 什么是 IP 協(xié)議？
  • IP 協(xié)議的工作原理
    • 分片（Fragmentation）
    • 增加協(xié)議頭（IP Header）
  • “魚和熊掌”不能兼得——延遲、吞吐量、丟包率
    • 延遲（latency）
    • 吞吐量（Throughput）
    • 丟包率（Packet loss）
  • 尋址（Addressing）
    • IPv4 地址
    • 尋址過程
      • 步驟 1：找到頂層網(wǎng)絡(luò)
      • 步驟 2：找到下一層網(wǎng)絡(luò)
      • 步驟 3：找到再下一級網(wǎng)絡(luò)
      • 步驟 4：定位設(shè)備
  • 路由（Routing）
  • 總結(jié)
  • QA
    • 路由和尋址的區(qū)別是什么？
    • 127.0.0.1, localhost, 0.0.0.0 有什么不同

Pre

如果說傳輸層協(xié)議，除了 TCP/UDP，我們還可以有其他選擇，比如 Google 開發(fā)的 QUIC 協(xié)議，幫助在傳輸層支持 HTTP 3.0 傳輸。

但是在網(wǎng)絡(luò)層，IP 協(xié)議幾乎一統(tǒng)天下。IP 協(xié)議目前主要有兩個版本 IPv4 和 IPv6。這一講我們先介紹 IPv4 協(xié)議。

IPv4使用范圍很大，平時工作中很容易遇到，比如開發(fā)場景、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化場景、解決線上問題場景等。相信你經(jīng)常會碰到一些和 IP 協(xié)議相關(guān)的名詞，比如一道常見的面試題目：路由和尋址的區(qū)別是什么？

因此，學(xué)習(xí) IPv4 還是非常有意義的。接下來，就帶著對上面的問題，開啟今天的學(xué)習(xí)。

什么是 IP 協(xié)議？

IP 協(xié)議（Internet Protocol）是一個處于壟斷地位的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。 IPv4 就是 IP 協(xié)議的第 4 個版本，是目前互聯(lián)網(wǎng)的主要網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。IPv4 為傳輸層提供 Host-To-Host 的能力，IPv4 需要底層數(shù)據(jù)鏈路層的支持。


IP 協(xié)議并不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的可靠性。傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)被切分成一個個數(shù)據(jù)封包。IP 協(xié)議上層的傳輸層協(xié)議會對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次拆分，IP 協(xié)議還會進(jìn)一步進(jìn)行拆分。進(jìn)行兩次拆分是為了適配底層的設(shè)備。

數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中交換（封包交換算法），并不需要預(yù)先建立一個連接，而是任由數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，每個節(jié)點通過路由算法幫助數(shù)據(jù)封包選擇下一個目的地。

可靠性保證數(shù)據(jù)無損地到達(dá)目的地。可靠性是 IP 協(xié)議上方的 Host-To-Host 協(xié)議保證的，比如 TCP 協(xié)議通過應(yīng)答機(jī)制、窗口等保證數(shù)據(jù)的可靠性。 IP 協(xié)議自身不能保證可靠性。比如 IP 協(xié)議可能會遇到下面這幾個問題：

  • 封包損壞（數(shù)據(jù)傳輸過程中被損壞）；

  • 丟包（數(shù)據(jù)發(fā)送過程中丟失）；

  • 重發(fā)（數(shù)據(jù)被重發(fā)，比如中間設(shè)備通過 2 個路徑傳遞數(shù)據(jù)）；

  • 亂序（到達(dá)目的地時數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)不一致）。

但是 IP 協(xié)議并不會去處理這些問題，因為網(wǎng)絡(luò)層只專注解決網(wǎng)絡(luò)層的問題， 而且不同特性的應(yīng)用在不同場景下需要解決的問題不一樣。對于網(wǎng)絡(luò)層來說，這里主要有 3 個問題要解決：

  • 延遲

  • 吞吐量

  • 丟包率

這三個是魚和熊掌不能兼得，我們后續(xù)會討論。

另外，IP 協(xié)議目前主要有兩種架構(gòu)，一種是 IPv4，是目前應(yīng)用最廣泛的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議；另一種是 IPv6，目前世界各地正在積極地部署 IPv6。

IP 協(xié)議的工作原理

  • IP 協(xié)議接收 IP 協(xié)議上方的 Host-To-Host 協(xié)議傳來的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行拆分，這個能力叫作分片（Fragmentation）。
  • 然后 IP 協(xié)議為每個片段（Fragment）增加一個 IP 頭（Header），組成一個IP 封包（Datagram）。
  • 之后，IP 協(xié)議調(diào)用底層的局域網(wǎng)（數(shù)據(jù)鏈路層）傳送數(shù)據(jù)。最后 IP 協(xié)議通過尋址和路由能力最終把封包送達(dá)目的地。

接下來具體看下完整的過程。

分片（Fragmentation）

分片就是把數(shù)據(jù)切分成片。 IP 協(xié)議通過它下層的局域網(wǎng)（鏈路層）協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，因此需要適配底層傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。數(shù)據(jù)太大通常就不適合底層網(wǎng)絡(luò)傳輸，這就需要把大的數(shù)據(jù)切片。 當(dāng)然也可能選擇不切片，IP 協(xié)議提供了一個能力就是把封包標(biāo)記為不切片，當(dāng)?shù)讓泳W(wǎng)絡(luò)看到不切片的封包，又沒有能力傳輸?shù)臅r候，就會丟棄這個封包。你要注意，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中往往存在多條路徑，一條路徑斷了，說不定其他路徑可以連通。

增加協(xié)議頭（IP Header）

切片完成之后，IP 協(xié)議會為每個切片（數(shù)據(jù)封包 Datagram）增加一個協(xié)議頭。一個 IPv4 的協(xié)議頭看上去就是如下圖所示的樣子：


其中分成 4 個部分。

  • 最重要的是原地址和目標(biāo)地址。IPv4 的地址是 4 組 8 位的數(shù)字，總共是 32 位。

  • Type Of Service 服務(wù)的類型，是為了響應(yīng)不同的用戶訴求，用來選擇延遲、吞吐量和丟包率之間的關(guān)系。

  • IHL（Internet Header Length）用來描述 IP 協(xié)議頭的大小。所以 IP 協(xié)議頭的大小是可變的。IHL 只有 4 位，最大值 1111 = 15。最大是 15 個雙字0.0（15*4 字節(jié) = 60 字節(jié)）。

  • Total Length 定義報文（封包 Datagram）的長度。

  • Identification（報文的 ID），發(fā)送方分配，代表順序。

  • Fragment offset 描述要不要分包（拆分），以及如何拆分。

  • Time To Live 描述封包存活的時間。因此每個 IP 封包發(fā)送出去后，就開始銷毀倒計時。如果倒計時為 0，就會銷毀。比如中間的路由器看到一個 TTL 為 0 的封包，就直接丟棄。

  • Protocol 是描述上層的協(xié)議，比如 TCP = 6，UDP = 17。

  • Options 代表可選項。

  • Checksum 用來檢驗封包的正確性，如果 Checksum 對不上，就需要選擇丟棄這個封包。

“魚和熊掌”不能兼得——延遲、吞吐量、丟包率

上面我們看到 IPv4 協(xié)議中提供了一個叫作 Type of Service（服務(wù)類型）的字段。這個字段是為了在延遲、吞吐量和丟包率三者間選擇。

延遲（latency）

延遲指的是 1 bit 的數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)的一個終端傳送到另一個終端需要的時間。這個時間包括在發(fā)送端準(zhǔn)備發(fā)送的時間、排隊發(fā)送的時間、發(fā)送數(shù)據(jù)的時間、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間等。

吞吐量（Throughput）

吞吐量指單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)量。比如用 bit/s 作為單位，就是 bps。吞吐量和延遲沒有聯(lián)系，比如延遲很高的網(wǎng)絡(luò)，有可能吞吐量很高。可以類比成水管很大流速很慢，對比水管很細(xì)流速很快，這兩種情況，最終流量可以是相等的。

丟包率（Packet loss）

丟表率指發(fā)送出去的封包沒有到達(dá)目的地的比例。 在最大流速確定的網(wǎng)絡(luò)中，丟表率會直接影響吞吐量。

我們的網(wǎng)絡(luò)有時候需要低延遲，比如玩一款 RTS 游戲或者 Moba 游戲，這種時候延遲非常重要。另外如果把延遲看作一個平均指標(biāo)，丟包也會影響延遲——一個包丟了，需要重發(fā)。而有的應(yīng)用需要高吞吐量，延遲不是很重要，比如說網(wǎng)盤下載文件。大部分應(yīng)用期望丟包不能太嚴(yán)重，比如語音電話，少量丟包還能聽清，大量丟包就麻煩了，根本聽不清對方說什么。嚴(yán)格希望不丟包的應(yīng)用比較少，只有極特殊的網(wǎng)絡(luò)控制管理場景，才需要在互聯(lián)網(wǎng)層要求不丟包。

當(dāng)然這三個條件，通常不能同時滿足。如果同時追求延遲、吞吐量、丟包率，那么對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求就會非常高，說白了就會非常貴。

因此 IP 協(xié)議頭中的 Type of Service 字段里，有以下 4 種主要的類型可以選擇：

  • 低延遲

  • 高吞吐量

  • 低丟包率

  • 低成本

尋址（Addressing）

地址想要表達(dá)的是一個東西在哪里。尋址要做的就是：給一個地址，然后找到這個東西。IPv4 協(xié)議的尋址過程是逐級尋址。

IPv4 地址

IPv4 地址是 4 個 8 位（Octet）排列而成，總共可以編址 43 億個地址。

比如 103.16.3.1 就是一個合法的 Ipv4 地址。4 組數(shù)字用.分開，是為了讓人可讀，實際上在內(nèi)存和傳輸過程中，就是直接用 32 位。

可以觀察一下103.16.3.1的二進(jìn)制，如下圖所示：

尋址過程

尋址就是如何根據(jù) IP 地址找到設(shè)備。因為 IPv4 的世界中，網(wǎng)絡(luò)是一個樹狀模型。頂層有多個平行的網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)有自己的網(wǎng)絡(luò)號。然后頂層網(wǎng)絡(luò)下方又有多個子網(wǎng)，子網(wǎng)下方還有子網(wǎng)，最后才是設(shè)備。

IP 協(xié)議的尋址過程需要逐級找到網(wǎng)絡(luò)，最后定位設(shè)備。下面我們具體分析下這個過程。

步驟 1：找到頂層網(wǎng)絡(luò)

比如103.16.3.1最頂層的網(wǎng)絡(luò)號可以和255.0.0.0（子網(wǎng)掩碼）做位與運算得到，如下所示：

復(fù)制代碼

103.16.3.1 & 255.0.0.0 = 103.0.0.0

因此103.0.0.0就是103.16.3.1所在的頂層網(wǎng)絡(luò)。255.0.0.0.稱作子網(wǎng)掩碼。子網(wǎng)掩碼的作用就是幫助根據(jù) IP 地址找到對應(yīng)子網(wǎng)。子網(wǎng)掩碼是很多個1接著很多個0，和 IP 地址一起使用。

步驟 2：找到下一層網(wǎng)絡(luò)

接下來要找到下一級網(wǎng)絡(luò)，就需要用 IP 地址和下一級的子網(wǎng)掩碼做位與運算。 比如：

103.16.3.1 & 255.255.0.0 = 103.16.0.0

其中103.16.0.0就是下一級的網(wǎng)絡(luò)號。

步驟 3：找到再下一級網(wǎng)絡(luò)

接下來使用255.255.255.0子網(wǎng)掩碼找到下一級網(wǎng)絡(luò)是103.16.3.0。

步驟 4：定位設(shè)備

設(shè)備就在子網(wǎng)103.16.3.0中，最終找到的設(shè)備號是1。

當(dāng)然子網(wǎng)掩碼也不一定都是255，比如這個子網(wǎng)掩碼255.240.0.0也是可以的。但通常我們把 IPv4 的網(wǎng)絡(luò)分成這樣 4 層。

路由（Routing）

在尋址過程中，數(shù)據(jù)總是存于某個局域網(wǎng)中。如果目的地在局域網(wǎng)中，就可以直接定位到設(shè)備了。如果目的地不在局域網(wǎng)中，這個時候，就需再去往其他網(wǎng)絡(luò)。

由于網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)間是網(wǎng)關(guān)在連接，因此如果目的地 IP 不在局域網(wǎng)中，就需要為 IP 封包選擇通往下一個網(wǎng)絡(luò)的路徑，其實就是選擇其中一個網(wǎng)關(guān)。你可能會問：網(wǎng)關(guān)有多個嗎？如果一個網(wǎng)絡(luò)和多個網(wǎng)絡(luò)接壤，那自然需要多個網(wǎng)關(guān)了。下圖中，路由器在選擇 IP 封包下一個應(yīng)該是去往哪個 Gateway？


假如，我們要為 IP 地址 14.215.177.38 尋址，當(dāng)前路由器所在的網(wǎng)絡(luò)的編號是16.0.0.0。那么我們就需要知道去往 14.0.0.0 網(wǎng)絡(luò)的 Gateway IP 地址。

如果你在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中用route查看路由表，可能可以看到一條下面這樣的記錄。

Destination：14.0.0.0Gateway：16.12.1.100Mask：255.0.0.0Iface：16.12.1.1

這條記錄就說明如果你要去往 14.0.0.0 網(wǎng)絡(luò)，IP 地址 14.215.177.38 先要和 255.0.0.0 進(jìn)行位運算，然后再查表，看到 14.0.0.0，得知去往 Gateway 的網(wǎng)卡（IFace）是 16.12.1.1。

當(dāng)封包去向下一個節(jié)點后，會進(jìn)入新的路由節(jié)點，然后會繼續(xù)上述路由過程，直到最終定位到設(shè)備。

總結(jié)

這里我們梳理學(xué)習(xí)了 IP 協(xié)議和 IP 協(xié)議的工作原理。

  • 首先 IP 協(xié)議會進(jìn)行分片，將上游數(shù)據(jù)拆成一個個的封包（Datagram），
  • 然后為封包增加 IP 頭部。封包發(fā)送出去后，就開始了尋址過程。尋址就是找到 IP 地址對應(yīng)的設(shè)備。在局域網(wǎng)內(nèi)，如果找不到設(shè)備，就需要路由。
  • 路由就是找到數(shù)據(jù)應(yīng)該往哪里發(fā)送。最后通過層層路由定位到具體的設(shè)備。

QA

路由和尋址的區(qū)別是什么？

尋址（Addressing）就是通過地址找設(shè)備。和現(xiàn)實生活中的尋址是一樣的，比如根據(jù)地址找到一個公寓。在 IPv4 協(xié)議中，尋址找到的是一個設(shè)備所在的位置。

路由（Routing）本質(zhì)是路徑的選擇。就好像知道地址，但是到了每個十字路口，還需要選擇具體的路徑。

所以，要做路由，就必須能夠理解地址，也就是需要借助尋址的能力。要通過尋址找到最終的設(shè)備，又要借助路由在每個節(jié)點選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路。因此，路由和尋址，是相輔相成的關(guān)系。

127.0.0.1, localhost, 0.0.0.0 有什么不同

  • 127.0.0.1是本地回環(huán)地址（loopback），發(fā)送到 loopback 的數(shù)據(jù)會被轉(zhuǎn)發(fā)到本地應(yīng)用。

  • localhost 指代的是本地計算機(jī)，用于訪問綁定在 loopback 上的服務(wù)。localhost 是一個主機(jī)名，不僅僅可以指向 IPv4 的本地回環(huán)地址，也可以指向 IPv6 的本地回環(huán)地址 [::1]。

  • 0.0.0.0是一個特殊目的 IP 地址，稱作不可路由 IP 地址，它的用途會被特殊規(guī)定。通常情況下，當(dāng)我們把一個服務(wù)綁定到0.0.0.0，相當(dāng)于把服務(wù)綁定到任意的 IP 地址。比如一臺服務(wù)器上有多個網(wǎng)卡，不同網(wǎng)卡連接不同的網(wǎng)絡(luò)，如果服務(wù)綁定到 0.0.0.0 就可以保證服務(wù)在多個 IP 地址上都可以用。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计网 - IPv4 协议：路由和寻址的区别是什么？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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