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**笔记 4.2 - 网际协议IP**
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思维导图 前言
**笔记 4.2 - 网际协议IP**
1. **定义与重要性** - 网际协议IP是TCP/IP体系中的核心协议之一。 - 它是互联网的关键标准协议。 2. **发展背景** - 又被称为Kahn-Cerf协议。 - 由Robert Kahn和Vint Cerf研发。 - Kahn和Cerf于2005年因其贡献获得了图灵奖计算机科学的诺贝尔奖。
3. **版本细节** - 严格说本章讨论的是IPv4IP的第四个版本。 - 通常在讲述IP时不特指版本。 - IPv6为较新版本会在4.6节讨论。 - IPv1-3和IPv5版本未被使用。
4. **与IP协议相关的其他协议** - 地址解析协议ARP。 - 网际控制报文协议ICMP。 - 网际组管理协议IGMP。 - 逆地址解析协议RARP已被淘汰。
5. **协议间关系图4-2** - **应用层**: 包括(HTTP,FTP,SMTP等)应用协议。 - **运输层**: 包括TCP, UDP。 - **网络层(网际层)**: - 主要是IP。 - ARP位于最下方常被IP使用。 - ICMP和IGMP位于上方使用IP。 - **网络接口层**: 与各种网络接口和物理硬件相连。
6. **关于网际层这个术语** - 网际协议IP使得多个计算机网络可以互联通信。 - 因此TCP/IP体系的网络层经常被称为网际层或IP层。 - “网际层”强调这是一个由多个网络构成的互联网络。
7. **接下来的讨论** - 在深入讨论网际协议IP之前我们需要了解什么是虚拟互连网络。 4.2.1 虚拟互联网络
**4.2 网际协议IP笔记**
- **定义**网际协议IP是TCP/IP体系中的核心协议之一也是最主要的互联网标准协议。 - **别称**称为Kahn-Cerf协议得名于创始人Robert Kahn和Vint Cerf。 - **奖项**Kahn和Cerf于2005年获得图灵奖相当于计算机科学的诺贝尔奖。 - **版本**本文讨论的是IP的第四个版本即IPv4。而IPv6是较新的版本版本13和5都未曾使用。 - **配套协议**与IP协议配套使用的还有ARP(地址解析协议)、ICMP(网际控制报文协议)、IGMP(网际组管理协议)。曾有RARP(逆地址解析协议)现已被淘汰。 - **协议关系**图4-2显示了这些协议与网际协议IP之间的关系。其中ARP在最下面而ICMP和IGMP在上面因为它们使用IP。 - **网络层名称**TCP/IP体系中的网络层常被称为网际层或IP层强调这是多个网络构成的互联网络。
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**4.2.1 虚拟互连网络**
- **挑战**互连全球百万计的网络是复杂的。存在许多异构性如不同的寻址、分组长度、接入机制等。
- **网络统一化**由于各网络的需求和技术差异不能仅使用一种网络来简化互连。
- **中间设备**网络互连需要中间设备如转发器(物理层)、网桥(数据链路层)、路由器(网络层)和网关(网络层以上)。
- **路由器与网关**路由器是网络层中用于路由选择的专用计算机。因历史原因路由器曾被称为网关。
- **虚拟互连网络**使用相同的网际协议IP互连后的网络可以视为一个大的虚拟网络。它在网络层看起来像一个统一的网络遮蔽了物理网络的差异。
- **IP网的优势**在IP网上的主机通信时它们只看到统一的网络而看不到各网络的异构细节。
- **例子**图4-4显示了如何通过路由器将IP数据报从源主机H₁传输到目的主机H₂。
总结这一节讲述了网际协议IP的重要性和其与其他协议的关系。虚拟互连网络部分讨论了网络互连的挑战和解决方法并通过示例进一步说明了这一概念。 4.2.2 分类的IP地址
1.IP地址及其表示方法
在TCP/IP体系中IP地址是至关重要的。为了深入理解它我们应该参考互联网的正式标准RFC791。
整个互联网可以被视为一个单一的、抽象的网络。IP地址为互联网上的每台主机(或路由器)的每个接口分配了一个唯一的32位标识符。这样的结构使我们可以在互联网上方便地进行寻址。目前IP地址的分配由ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)管理。
IP地址的编址经历了三个阶段: - 分类的IP地址最早的编址方法于1981年被标准化。 - 子网划分对基本编址方法的改进于1985年被标准化为RFC950。 - 构成超网较新的编址方法于1993年提出并快速得到应用。
本节将重点讨论分类的IP地址而后两种方法将在4.3节中讨论。
“分类的IP地址”将IP地址划分为几个固定类别。每个类别的地址都由两个固定长度的字段组成网络号(net-id)和主机号(host-id)。网络号在全球范围内是唯一的标识连接到的网络。主机号标识在该网络上的特定主机或路由器。
IP地址格式为 IP地址{网络号,主机号} (4-1)
如图4-5所示A类、B类和C类地址是最常用的单播地址(一对一通信)。从图中可以看出这三类地址的网络号字段和主机号字段的长度都不同。A类、B类和C类地址的网络号字段的前几位是类别位分别为0, 10和110。D类地址用于多播而E类地址被保留。
需要注意的是近年来由于无分类IP地址的广泛使用传统的A类、B类和C类地址的区分已经成为历史。但为了清晰度和概念的演进我们还是从分类的IP地址开始讲解。
总的来说IP地址不仅仅标识一台主机还指明了主机所连接到的网络。
IP地址的划分旨在满足不同用户的需求。根据需求一个单位可以获得一块具有同样网络号的地址而具体的主机号则由该单位自行分配。
通常IP地址都是32位的二进制代码。为了便于阅读和书写我们通常使用点分十进制记法(dotted decimal notation)表示IP地址。例如128.11.3.31比其二进制形式更易读。
--- 2.常用的三种类别的IP地址
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**IP地址分类** 1. **A类地址** - 网络号字段占1个字节可指派的网络号是126个。 - 主机号占3个字节最大主机数为16777214。 - 总计占IP地址空间的50%。
2. **B类地址** - 网络号字段有2个字节可指派的网络数为16383。 - 主机号字段有2个字节每个网络上的最大主机数为65534。 - 总计占IP地址空间的25%。
3. **C类地址** - 网络号字段有3个字节可指派的网络总数为2097151。 - 主机号字段有1个字节每个网络的最大主机数为254。 - 总计占IP地址空间的12.5%。
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**IP地址特性** 1. IP地址由网络号和主机号两部分组成是分等级的地址结构。 2. IP地址标志主机(或路由器)和链路的接口。 3. 互联网的观点一个网络是指具有相同网络号的主机的集合。 4. 所有分配到网络号的网络在互联网中都是平等的。
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**其他要点** 1. 在同一局域网上的主机或路由器的IP地址的网络号必须一致。 2. 用网桥互连的网段是一个局域网有一个网络号。 3. 路由器至少有两个不同的IP地址。 4. 直接相连的路由器可以分配也可以不分配IP地址。不分配时称为无编号网络或无名网络。
--- 4.2.3 IP地址和硬件地址
**概述**在探讨网络通信时理解IP地址和硬件地址的区别是至关重要的。它们在网络中的功能、位置和用途各不相同。
**1. IP地址与硬件地址的区别** - 物理地址硬件地址在数据链路层和物理层使用的地址。 - IP地址在网络层及以上使用的逻辑地址。逻辑地址之所以这样称呼是因为它是通过软件来实现的。
**2. 数据传输与地址** - 在数据传输中数据先从高层移至低层然后再通过通信链路传输。使用IP地址的是IP数据报。 - 注在局域网中硬件地址常被称为物理地址或MAC地址。
**3. 不同层次、不同区间的源地址和目的地址** - 在网络层写入IP数据报首部的地址。 - 在数据链路层写入MAC帧首部的地址。
**关键点** - 在IP层的互联网上只能看到IP数据报。数据报通过的路由器的IP地址并不会显示在IP数据报的首部中。 - 虽然IP数据报首部有源地址但路由器仅根据目标站的IP地址网络号进行路由选择。 - 在局域网的链路层只能看到MAC帧且MAC帧首部中的地址在不同的网络传输时会发生变化。 - 虽然每个网络的硬件地址体系都不同但在IP层上这些复杂细节被屏蔽。这种“屏蔽”概念在计算机中广泛应用使得复杂的过程对用户透明。
**核心概念**理解这些网络通信的基本概念是至关重要的。有两个主要问题需要解决1) 如何知道在MAC帧首部填入什么硬件地址 2) 如何得出路由器中的路由表这两个问题将在后续章节中详细讨论。 4.2.4 地址解析协议ARP
- **定义与作用**: - 地址解析协议 (ARP) 主要用于在已知机器的 IP 地址的情况下寻找其对应的硬件地址。 - 图4-10 描述了 ARP 协议的功能。 - **协议归类**: - 虽然 IP 协议使用了 ARP但 ARP 主要目的是将网络层使用的 IP 地址转化为数据链路层使用的硬件地址。 - 有些教材会将 ARP 划归为数据链路层。
- **与RARP的关系**: - 早期有一个逆地址解析协议 (RARP) 允许机器仅通过其硬件地址来查询其 IP 地址。 - 现代的 DHCP 协议已经包含了 RARP 的功能因此很少还会单独提及 RARP。
- **ARP的工作原理**: - 网络层使用 IP 地址但在实际网络上传输数据帧时仍需使用该网络的硬件地址。而 IP 地址与硬件地址间并没有直接映射。 - ARP 解决此问题的方式是通过在主机的 ARP 高速缓存中存储 IP 地址到硬件地址的映射表。 - 当主机 A 需要与主机 B 通信时首先检查其 ARP 缓存以查找 B 的硬件地址。如果找到则直接使用。否则会广播 ARP 请求来查询 B 的硬件地址。 - 其他机器收到此 ARP 请求后如果 IP 地址匹配则回复其硬件地址否则忽略此请求。 - 一旦 A 收到了 B 的响应它将 B 的 IP 地址与硬件地址的映射存入其 ARP 高速缓存中。
- **ARP高速缓存的重要性**: - 如果不使用 ARP 缓存每次通信都需要广播 ARP 请求导致网络通信量大增。 - 使用 ARP 高速缓存可以减少不必要的网络广播提高通信效率。 - ARP 缓存中的每个条目都有一定的生命周期过期的条目会被自动删除。 - 这样的设计可以确保信息的实时性例如在硬件地址变更的情况下可以快速更新。
- **ARP与网络位置**: - ARP 主要用于解决同一个局域网内的机器或路由器之间的 IP 地址和硬件地址的映射问题。
此节提供了对地址解析协议 ARP 的详细介绍包括其定义、工作原理、与其他协议的关系以及 ARP 高速缓存的重要性。
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**ARP协议从IP地址到硬件地址的自动解析** - ARP允许主机或路由器自动地从已知的IP地址解析出链路层所需的硬件地址。 - 主机用户通常对此解析过程是无感知的。
**ARP使用的四种典型情况** 1. 主机A向同一网络上的另一台主机B发送IP数据报。A通过ARP请求分组找到B的硬件地址。 2. 主机A想要向另一个网络上的主机C或D发送IP数据报。A首先通过ARP找到其连接的路由器R₁的硬件地址。然后R₁完成数据报的转发。 3. 路由器R₁向与其连接在同一网络上的主机C转发IP数据报。R₁通过ARP找到C的硬件地址。 4. 路由器R₁向另一网络上的主机D转发IP数据报。因为D不在R₁的网络上R₁先通过ARP找到另一个路由器R₂的硬件地址然后由R₂完成数据报的转发。
虽然在多种情境中需要多次使用ARP但这仅仅是上述几种情况的组合。
**为什么使用IP地址而不是硬件地址** - 全球存在许多不同类型的网络使用不同的硬件地址。要实现这些异构网络之间的互通直接使用硬件地址会涉及复杂的地址转换。 - 使用IP地址和ARP使得不同网络间的通信变得简单。用户不需要担心背后的复杂过程因为计算机软件会自动处理。
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总之ARP是互联网通信中的核心协议它简化了IP和硬件地址之间的转换使跨网络的通信变得更加简单。 4.2.5 IP数据报的格式
--- **4.2.5 IP数据报的格式**
- **总览** - IP数据报的格式揭示了IP协议的功能。 - 格式基于32位(4字节)单位。 - IP数据报包括两部分首部和数据部分。
- **IP数据报的结构** - 固定首部长度为20字节之后是可变长度的可选字段。 - **首部字段详解** 1. **版本(4位)** IP协议的版本。例如IPv4为版本4IPv6为版本6。 2. **首部长度(4位)** 长度单位是32位。通常首部长度为20字节最大为60字节。 3. **区分服务(8位)** 早期为服务类型但未使用。现在为区分服务DS。 4. **总长度(16位)** 首部和数据的总长度。最大为65535字节。但实际使用中要考虑数据链路层的最大传送单元MTU。 5. **标识(16位)** 计数器对每个数据报增加。当数据报分片时该值复制到所有片。 6. **标志(3位)** 包括MF和DF位。MF指示是否还有分片DF指示是否允许分片。 7. **片偏移(13位)** 显示分片在原数据报中的位置。每个分片的长度必须是8字节的倍数。
**其他点** - 数据链路层每种协议都有MTU最大传送单元限制如以太网的MTU为1500字节。如果数据报过长需要分片处理。 - 分片时数据报首部中的“总长度”字段表示每个分片的首部和数据长度之和。
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**IP数据报的结构** 1. **首部与数据报片**: - 数据报分片举例 - 分片数据报的首部与偏移值
2. **IP数据报首部中与分片有关的字段数值**: - 总长度、标识、MF(更多片)、DF(不分片)、片偏移
3. **生存时间 (TTL)**: - TTL的单位从秒更改为跳数 - 用于防止数据报在网络中无限循环 - TTL值为0时数据报被丢弃
4. **协议字段**: - 定义数据报携带的数据使用的协议 - 例如ICMP, IGMP, IP, TCP, UDP, IPv6等
5. **首部检验和**: - 仅检查数据报的首部 - 通过反码算术运算进行检查 - 如果首部没有变化结果为0则保留数据报否则丢弃
6. **源地址与目的地址**: - 占32位
7. **其他注解**: - IANA和ICANN的介绍及职责 - IP数据报中的特殊数据报封装 - 反码与补码的区别
**2. IP数据报首部的可变部分** - **选项字段**IP数据报首部的可变部分主要为选项字段。 - **目的**支持排错、测量以及安全等功能。 - **长度**此字段长度不固定可以是1-40个字节取决于所选择的选项。 - **结构**某些选项只需1个字节有的需要多个。选项可以紧密拼接不需分隔符。若非4字节的倍数需使用全0填充。 - **可变首部的影响**虽然增加了功能但也增加了处理的开销。 - 路由器往往不处理选项字段。 - IPv6优化首部长度固定无选项字段。 - **详细内容**对于选项的具体内容和使用可以查看RFC791。
(此笔记为简化和提炼的版本更加便于快速回顾和学习。) **4.2.6 IP层转发分组的流程笔记**
1. **简化说明** - 路由器通过路由表来确定如何转发分组。 - 路由表指出到哪个网络应如何转发而非指向每台主机以减少复杂性。
2. **路由器R₂的示例** - 路由器R₂的路由表显示了各个网络应如何转发。 - 若目标在网2或网3则由路由器R₂直接交付。 - 若目标在网1下一跳为路由器R₁若在网4则下一跳为路由器R₃。 - 每个路由器都有两个IP地址。
3. **网络拓扑简化** - 网络可以简化为链路路由器之间的IP地址明确标注。 - 这样的简化强调了分组是如何从一个路由器转发到另一个路由器的。
4. **路由表主要信息** - 目标网络地址 - 下一跳地址 - 其他可能的信息标志、参考计数、使用情况、接口等。
5. **分组转发结论** - 根据目标网络地址确定下一跳路由器。 - IP数据报最终会找到目标主机所在网络上的路由器。 - 只有在最后一步数据报才会直接交付给目标主机。
6. **特定主机路由** - 在大多数基于网络的路由中仍可以指定特定的目的主机。 - 对网络管理员有利方便控制和测试网络考虑安全问题。
7. **默认路由** - 路由器使用默认路由减少路由表空间和搜索时间。 - 在一个网络只有少数对外连接时特别有用。 - 默认路由对于主机发送IP数据报特别有利尤其是小网络。
### 默认路由及路由表 1. **图4-17**: 描述了路由器R作为网络N₁的默认路由器。其中H的路由表指出到达N₁和N₂的路径。 2. **IP数据报的首部**: - 没有指明“下一跳路由器的IP地址”。 - IP数据报的首部仅包括源IP地址和目的IP地址不包括中间路由器的IP地址。 3. **数据报转发**: - 路由器在收到数据报后先从路由表得出下一跳路由器的IP地址。 - IP地址转换为硬件地址时需要使用ARP。 - 硬件地址被放入链路层的MAC帧首部用于找到下一跳路由器。 4. **使用IP地址的意义**: - 抽象的IP地址旨在隐蔽底层网络的复杂性使得问题更易于分析和研究。 - 直接在路由表中使用硬件地址会导致更多问题。 5. **分组转发算法**: - 提取数据报的目的IP地址D并得出其网络地址N。 - 判断是否为直接交付或间接交付。 - 通过路由表逐步决定转发路径直到数据报到达目的网络。 6. **路由表的查找过程**: 可以比喻为开车到机场的过程。在不知道具体路径的情况下每到一个交叉口路由器都会询问如何到达目的地。 7. **路由表的建立与更新**: 本节内容主要讨论了如何根据路由表内容进行分组转发但并未涉及路由表如何建立或更新。 总结
### 重点
1. **定义与功能**网际协议IP是一个无连接、不可靠的服务它只提供最基本的数据包传输服务。 2. **IP地址**由32位组成分为网络部分和主机部分用于唯一标识网络上的每个设备。 3. **子网划分**为了更加灵活地进行IP地址管理可以对IP地址进行进一步的划分。 4. **路由选择**决定数据包从源到目标的路径选择。 5. **IP数据报格式**定义了IP数据报的结构包括版本、头长度、服务类型、总长度等字段。
### 难点
1. **子网掩码**与IP地址结合使用用于划分网络地址和主机地址。 2. **CIDR (无类别域间路由)**现代IP地址划分方法用于解决传统的A、B、C类地址划分的不足。 3. **IP碎片重组**当IP数据报在网络中传输时可能会被分成多个碎片这些碎片在目的地需要被重新组装。 4. **路由选择算法**如何决定数据包的最佳路径是网络设计中的一个核心问题。
### 易错点
1. **地址划分误解**容易混淆传统的A、B、C类地址与CIDR。 2. **私有地址和公有地址**私有地址只在局域网中有效不应在互联网中使用。 3. **MTU和碎片化**不同的网络可能有不同的MTU最大传输单元导致IP数据报需要碎片化。 4. **默认网关误配置**在配置设备IP时错误的默认网关会导致设备无法访问外部网络。
