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理解网络--IP

2026-09-12 分类：服务器技术 阅读(8) 评论(0)

1.IP 地址的基础知识

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实际上，IP 地址并不是根据主机台数来配置的，而是以网卡。像服务器、路由器等设备都是有 2 个以上的网卡，也就是它们会有 2 个以上的 IP 地址。

2.IP 地址的分类

IP 地址分类成了 5 种类型，分别是 A 类、B 类、C 类、D 类、E 类。
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上图中黄色部分为分类号，用以区分 IP 地址类别。

什么是 A、B、C 类地址？

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A、B、C 分类地址最大主机个数是如何计算的呢？

最大主机个数，就是要看主机号的位数，如 C 类地址的主机号占 8 位，那么 C 类地址的最大主机个数：
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为什么要减 2 呢？

因为在 IP 地址中，有两个 IP 是特殊的，分别是主机号全为 1 和 全为 0 地址。

  • 主机号全为 1 指定某个网络下的所有主机，用于广播
  • 主机号全为 0 指定某个网络

因此，在分配过程中，应该去掉这两种情况。

广播地址用于什么？

广播地址用于在同一个链路中相互连接的主机之间发送数据包。

广播地址可以分为本地广播和直接广播两种。

  • 在本网络内广播的叫做本地广播。例如网络地址为 192.168.0.0/24 的情况下，广播地址是 192.168.0.255 。因为这个广播地址的 IP 包会被路由器屏蔽，所以不会到达 192.168.0.0/24 以外的其他链路上。
  • 在不同网络之间的广播叫做直接广播。例如网络地址为 192.168.0.0/24 的主机向 192.168.1.255/24 的目标地址发送 IP 包。收到这个包的路由器，将数据转发给 192.168.1.0/24，从而使得所有 192.168.1.1~192.168.1.254 的主机都能收到这个包由于直接广播有一定的安全问题，多数情况下会在路由器上设置为不转发） 。

什么是 D、E 类地址？

而 D 类和 E 类地址是没有主机号的，所以不可用于主机 IP，D 类常被用于多播，E 类是预留的分类，暂时未使用。

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多播地址用于什么？

多播用于将包发送给特定组内的所有主机。

由于广播无法穿透路由，若想给其他网段发送同样的包，就可以使用可以穿透路由的多播。
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多播使用的 D 类地址，其前四位是 1110 就表示是多播地址，而剩下的 28 位是多播的组编号。

从 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 都是多播的可用范围，其划分为以下三类：

  • 224.0.0.0 ~ 224.0.0.255 为预留的组播地址，只能在局域网中，路由器是不会进行转发的。
  • 224.0.1.0 ~ 238.255.255.255 为用户可用的组播地址，可以用于 Internet 上。
  • 239.0.0.0 ~ 239.255.255.255 为本地管理组播地址，可供内部网在内部使用，仅在特定的本地范围内有效。

IP 分类的缺点

  • 缺点一：同一网络下没有地址层次
    比如一个公司里用了 B 类地址，但是可能需要根据生产环境、测试环境、开发环境来划分地址层次，而这种 IP 分类是没有地址层次划分的功能，所以这就缺少地址的灵活性。
  • 缺点二：不能很好的与现实网络匹配。
    • C 类地址能包含的最大主机数量实在太少了，只有 254 个，估计一个网吧都不够用。
    • 而 B 类地址能包含的最大主机数量又太多了，6 万多台机器放在一个网络下面，一般的企业基本达不到这个规模，闲着的地址就是浪费。

这两个缺点，都可以在 CIDR 无分类地址解决。

3.无分类地址 CIDR

怎么划分网络号和主机号的呢？

表示形式 a.b.c.d/x，其中 /x 表示前 x 位属于网络号， x 的范围是 0 ~ 32，这就使得 IP 地址更加具有灵活性。

比如 10.100.122.2/24，这种地址表示形式就是 CIDR，/24 表示前 24 位是网络号，剩余的 8 位是主机号。
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还有另一种划分网络号与主机号形式，那就是子网掩码，掩码的意思就是掩盖掉主机号，剩余的就是网络号。将子网掩码和 IP 地址按位计算 AND，就可得到网络号。

为什么要分离网络号和主机号？

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怎么进行子网划分？

在上面我们知道可以通过子网掩码划分出网络号和主机号，那实际上子网掩码还有一个作用，那就是划分子网。
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举例：
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由于子网网络地址被划分成 2 位，那么子网地址就有 4 个，分别是 00、01、10、11，具体划分如下图：
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公有 IP 地址与私有 IP 地址

在 A、B、C 分类地址，实际上有分公有 IP 地址和私有 IP 地址。
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平时我们办公室、家里、学校用的 IP 地址，一般都是私有 IP 地址。因为这些地址允许组织内部的 IT 人员自己管理、自己分配，而且可以重复。因此，你学校的某个私有 IP 地址和我学校的可以是一样的。

公有 IP 地址是有个组织统一分配的，假设你要开一个博客网站，那么你就需要去申请购买一个公有 IP，这样全世界的人才能访问。并且公有 IP 地址基本上要在整个互联网范围内保持唯一。

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公有 IP 地址由谁管理呢？

私有 IP 地址通常是内部的 IT 人员管理，公有 IP 地址是由 ICANN 组织管理，中文叫「互联网名称与数字地址分配机构」。

IANA 是 ICANN 的其中一个机构，它负责分配互联网 IP 地址，是按州的方式层层分配。
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  • ARIN 北美地区
  • LACNIC 拉丁美洲和一些加勒比群岛
  • RIPE NCC 欧洲、中东和中亚
  • AfriNIC 非洲地区
  • APNIC 亚太地区

其中，在中国是由 CNNIC 的机构进行管理，它是中国国内唯一指定的全局 IP 地址管理的组织。

4.IP 地址与路由控制

IP地址的网络地址这一部分是用于进行路由控制。

在发送 IP 包时，首先要确定 IP 包首部中的目标地址，再从路由控制表中找到与该地址具有相同网络地址的记录，根据该记录将 IP 包转发给相应的下一个路由器。如果路由控制表中存在多条相同网络地址的记录，就选择相同位数最多的网络地址，也就是最长匹配。

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路由表的每一个表项，包含目标网络IP，下一跳IP，接口名。

目标网络IP用于路由匹配，下一跳用于确定转发目标，接口名用于确定转发接口。

环回地址是不会流向网络

环回地址是在同一台计算机上的程序之间进行网络通信时所使用的一个默认地址。

计算机使用一个特殊的 IP 地址 127.0.0.1 作为环回地址。与该地址具有相同意义的是一个叫做 localhost 的主机名。使用这个 IP 或主机名时，数据包不会流向网络。

5.IP 分片与重组

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TCP下一般控制TCP单个段不会越过MTU，这样每个TCP报文无需IP层分片，TCP段重传也较为高效。

6.IPv6 基本认识

IPv6 的亮点

  • IPv6 的地址是 128 位的，这可分配的地址数量是大的惊人
  • IPv6 可自动配置，即使没有 DHCP 服务器也可以实现自动分配IP地址
  • IPv6 包头包首部长度采用固定的值 40 字节，去掉了包头校验和，简化了首部结构，减轻了路由器负荷，大大提高了传输的性能。

IPv6 地址的标识方法

IPv6 地址长度是 128 位，是以每 16 位作为一组，每组用冒号 「:」 隔开。
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如果出现连续的 0 时还可以将这些 0 省略，并用两个冒号 「::」隔开。但是，一个 IP 地址中只允许出现一次两个连续的冒号。
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IPv6 地址的结构

IPv6 的地址主要有以下类型地址：

  • 单播地址，用于一对一的通信
  • 组播地址，用于一对多的通信
  • 任播地址，用于通信最近的节点，最近的节点是由路由协议决定
  • 没有广播地址

IPv6 单播地址类型

  • 在同一链路单播通信，不经过路由器，可以使用链路本地单播地址，IPv4 没有此类型
  • 在内网里单播通信，可以使用唯一本地地址，相当于 IPv4 的私有 IP
  • 在互联网通信，可以使用全局单播地址，相当于 IPv4 的公有 IP

IPv4 首部与 IPv6 首部

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  • 取消了首部校验和字段。 因为在数据链路层和传输层都会校验，因此 IPv6 直接取消了 IP 的校验。
  • 取消了分片/重新组装相关字段。 分片与重组是耗时的过程，IPv6 不允许在中间路由器进行分片与重组，这种操作只能在源与目标主机。
  • 取消选项字段。 选项字段不再是标准 IP 首部的一部分了，但它并没有消失，而是可能出现在 IPv6 首部中的「下一个首部」指出的位置上。

7.IP 协议相关技术

7.1.DNS

DNS 可以将域名网址自动转换为具体的 IP 地址。

7.2.ARP

可以通过 ARP 协议，求得下一跳的 MAC 地址。
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RARP 协议你知道是什么吗？

ARP 协议是已知 IP 地址求 MAC 地址，那 RARP 协议正好相反，它是已知 MAC 地址求 IP 地址。

通常这需要架设一台 RARP 服务器，在这个服务器上注册设备的 MAC 地址及其 IP 地址。
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7.3.DHCP

通过 DHCP 动态获取 IP 地址。
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  • 客户端首先发起 DHCP 发现报文（DHCP DISCOVER） 的 IP 数据报，由于客户端没有 IP 地址，也不知道 DHCP 服务器的地址，所以使用的是 UDP 广播通信。
  • DHCP 服务器收到 DHCP 发现报文时，用 DHCP 提供报文（DHCP OFFER） 向客户端做出响应。该报文仍然使用 IP 广播地址 255.255.255.255，该报文信息携带服务器提供可租约的 IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器以及 IP 地址租用期。
  • 客户端收到一个或多个服务器的 DHCP 提供报文后，从中选择一个服务器，并向选中的服务器发送 DHCP 请求报文（DHCP REQUEST进行响应，回显配置的参数。
  • 最后，服务端用 DHCP ACK 报文对 DHCP 请求报文进行响应，应答所要求的参数。

如果租约的 DHCP IP 地址快期后，客户端会向服务器发送 DHCP 请求报文：

  • 服务器如果同意继续租用，则用 DHCP ACK 报文进行应答，客户端就会延长租期。
  • 服务器如果不同意继续租用，则用 DHCP NACK 报文，客户端就要停止使用租约的 IP 地址。

DHCP服务器和DHCP客户端跨局域网时，需通过中继代理实现请求-响应。

7.4.NAT

单的来说 NAT 就是同个公司、家庭、教室内的主机对外部通信时，把私有 IP 地址转换成公有 IP 地址。
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图中有两个客户端 192.168.1.10 和 192.168.1.11 同时与服务器 183.232.231.172 进行通信，并且这两个客户端的本地端口都是 1025。

此时，两个私有 IP 地址都转换 IP 地址为公有地址 120.229.175.121，但是以不同的端口号作为区分。

7.5.ICMP

ICMP 全称是 Internet Control Message Protocol，也就是互联网控制报文协议。

ICMP 功能都有啥？

ICMP 主要的功能包括：确认 IP 包是否成功送达目标地址、报告发送过程中 IP 包被废弃的原因和改善网络设置等。

ICMP 类型

ICMP 大致可以分为两大类：

  • 一类是用于诊断的查询消息，也就是「查询报文类型」
  • 另一类是通知出错原因的错误消息，也就是「差错报文类型」

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ping 这个程序是使用了 ICMP 里面的 ECHO REQUEST（类型为 8 ） 和 ECHO REPLY （类型为 0）。

7.6.IGMP

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IGMP 是因特网组管理协议，工作在主机（组播成员）和最后一跳路由之间，如上图中的蓝色部分。

通过IGMP，最后一跳路由器可以知道针对某个特定组播地址，其所在子网是否存在此组播组成员，从而决定是否需要将收到的组播数据包向子网成员转发。

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