IP 协议-（三）.docx

U1I、网络层中的IP协议 IP （IPv4. IPv6）相当于OSI参考模型中的第3层网络层。网络层 的主要作用是"实现终端节点之间的通信"。这种终端节点之间的通信也叫 "点对点通信"。 网络的下一层数据链路层的主要作用是在互连同一种数据链路的节 点之间进行包传递。而一旦跨越多种数据链路，就需要借助网络层。网络 层可以跨越不同的数据链路，即使是在不同的数据链路上也能实现两端节 点之间的数据包传输。 IP大致分为三大作用模块，它们是IP寻址、路由（最终节点为止的转 发）以及IP分包与组包。1. IP地址IP地址概述在计算机通信中，为了识别通信对端，必须要有一个类似于地址的识别码 进行标识。在数据链路中的MAC地址正是用来标识同一个链路中不同 计算机的一种识别码。 作为网络层的IP，也有这种地址信息，一般叫做IP地址。IP地址用于 在"连接到网络中的所有主机中识别出进行通信的目标地址"。因此，在 TCP/IP通信中所有主机或路由器必须设定自己的IP地址。 不管一台主机与哪种数据链路连接，其IP地址的形式都保持不变。 IP地址（IPv4地址）由32位正整数来表示。IP地址在计算机内部以二 进制方式被处理。然而，由于我们并不习惯于采用二进制方式，我们将 32位的IP地址以每8位为一组，分成4组，每组以隔开，再将每 组数转换成十进制数。如下： 任何一台主机都有必要对IP分片进行相应的处理。分片往往在网络上遇 到比拟大的报文无法一下子发送出去时才会进行处理。 经过分片之后的IP数据报在被重组的时候，只能由目标主机进行。路由 器虽然做分片但不会进行重组。3.1 路径MTU发现分片机制也有它的缺乏。如路由器的处理负荷加重之类。因此，只要允许， 是不希望由路由器进行IP数据包的分片处理的。 为了应对分片机制的缺乏，"路径MTU发现"技术应运而生。路径MTU 指的是，从发送端主机到接收端主机之间不需要分片是最大MTU的大 小。即路径中存在的所有数据链路中最小的MTU o进行路径MTU发现，就可以防止在中途的路由器上进行分片处理，也 可以在TCP中发送更大的包。4. IPv6 IPv6 (IP version 6)是为了根本解决IPv4地址耗尽的问题而被标准化的 网际协议。IPv4的地址长度为4个8位字节，即32比特。而IPv6的 地址长度那么是原来的4倍，即128比特，一般写成8个16位字节。4.1 IPv6的特点 IP得知的扩大与路由控制表的聚合。 性能提升。包首部长度采用固定的值(40字节)，不再采用首部检验码。 简化首部结构，减轻路由器负担。路由器不再做分片处理。 支持即插即用功能。即使没有DHCP服务器也可以实现自动分配IP地址。 采用认证与加密功能。应对伪造IP地址的网络平安功能以及防止线路窃 听的功能。 多播、Mobile IP成为扩展功能。4.2 IPv6中IP地址的标记方法 一般人们将128比特IP地址以每16比特为一组，每组用冒号（"："） 隔开进行标记。而且如果出现连续的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。4.3 IPv6地址的结构 IPv6类似IPv4,也是通过IP地址的前几位标识IP地址的种类。在互联网通信中，使用一种全局的单播地址。它是互联网中唯一的一个地址，不需要正式分配IP地址。未定义0000 . 0000 （128比特） ：/ 128环回也It环回也It环回也It0000 . 0001 （128比特） :1 /128唯一本地地址链定本地单播地址多播地址全局单播地址1111 1101111 1110 101111 1111（其他）FCOO: /7FE80: : /10FFOO: : /84.4 全局单播地址全局单播地址是指世界上唯一的一个地址。它是互联网通信以及各个域内 部通信中最为常用的一个IPv6地址。格式如下列图所示，现在IPv6的网络中所使用的格式为，n = 48, m = 16以及128 - n - m=64。即前64比特为网络标识，后64比特为主机标 识。n比特m比特128 - n - m比特,人卜./人全局路由前奏子网ID接口2<= 广域网络 匚站点内部(zz> <J=> 授口标识码I(二网络标识i一4 】ma标(链路本地单播地址 链路本地单播地址是指在同一个数据链路内唯一的地址。它用于不经过路 由器，在同一个链路中的通信。通常接口 ID保存64比特版的MAC地 址。10匕匕特10匕匕特10匕匕特54比特64比特1111 1110 100接口 ID唯一本地地址 唯一本地地址是不进行互联网通信时所用的地址。 唯一本地地址虽然不会与互联网连接，但是也会尽可能地随机生成一个唯 一的全局IDo L通常被置为1 全局ID的值随机决定 子网ID是指该域子网地址 接口 ID即为接口的ID7比特 1比特40比特16比特64比特一卢，人'rJ L1111110 L全局ID子网ID接口 IDIPv6分段处理IPv6的分片处理只在作为起点的发送端主机上进行，路由器不参与分片。IPv6中最小MTU为1280字节，因此，在嵌入式系统中对于那些有一 定系统资源限制的设备来说，不需要进行"路径MTU发现"，而是在发送 IP包时直接以1280字节为单位分片送出。4.5 IP首部（暂略）5. IP协议相关技术IP旨在让最终目标主机收到数据包，但是在这一过程中仅仅有IP是无 法实现通信的。必须还有能够解析主机名称和MAC地址的功能，以及 数据包在发送过程中异常情况处理的功能。5.1 DNS我们平常在访问某个网站时不适用IP地址，而是用一串由罗马字和点号 组成的字符串。而一般用户在使用TCP/IP进行通信时也不使用IP地址。 能够这样做是因为有了 DNS (Domain Name System)功能的支持。DNS 可以将那串字符串自动转换为具体的IP地址。 这种DNS不仅适用于IPv4,还适用于IPv6。5.2 ARP只要确定了 IP地址，就可以向这个目标地址发送IP数据报。然而，在 底层数据链路层，进行实际通信时却有必要了解每个IP地址所对应的 MAC地址。 ARP是一种解决地址问题的协议。以目标IP地址为线索，用来定位下 一个应该接收数据分包的网络设备对应的MAC地址。不过ARP只适用 于IPv4,不能用于IPv6。IPv6中可以用ICMPv6替代ARP发送邻居 探索消息。 RARP是将ARP反过来，从MAC地址定位IP地址的一种协议。53 ICMP ICMP的主要功能包括，确认IP包是否成功送达目标地址，通知在发送过程当中IP包被废弃的具体原因，改善网络设置等。IPv4中ICMP仅作为一个辅助作用支持IPv4。也就是说，在IPv4时期,即使没有ICMP,仍然可以实现IP通信。然而，在IPv6中，ICMP的作用被扩大，如果没有ICMPV6, IPv6就无法进行正常通信。5.4 DHCP如果逐一为每一台主机设置IP地址会是非常繁琐的事情。特别是在移动 使用笔记本电脑、只能终端以及平板电脑等设备时，每移动到一个新的地 方，都要重新设置IP地址。 于是，为了实现自动设置IP地址、统一管理IP地址分配，就产生了DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)协议。有了 DHCP,计算机只要连接到网络，就可以进行TCP/IP通信。也就是说，DHCP让即 插即用变得可能。 DHCP不仅在IPv4中，在IPv6中也可以使用。5.5 NATNAT (Network Address Translator)是用于在本地网络中使用私有地址, 在连接互联网时转而使用全局IP地址的技术。 除转换IP地址外，还出现了可以转换TCP、UDP端口号的NAPT(Network Address Ports Translator)由此可以实现用一个全局 IP地址与多个主机的通信。 NAT (NAPT)实际上是为正在面临地址枯竭的IPv4而开发的技术。不过，在IPv6中为了提高网络平安也在使用NAT,在IPv4和IPv6之 间的相互通信当中常常使用NAT-PTo5.6 IP隧道如上图的网络环境中，网络A与网络B之间无法直接进行通信，为了 让它们之间正常通信，这时必须得采用IP隧道的功能。 IP隧道可以将那些从网络A发过来的IPv6的包统合为一个数据，再为 之追加一个IPv4的首部以后转发给网络Co 一般情况下，紧接着IP首部的是TCP或UDP的首部。然而，现在的应用当中 IP首部的后面还是IP首部或者 IP首部的后面是IPv62828282810101100000101000000000100000001（2进制）10101100.00010100.00000001.00000001（2进制）172.20.1.1（10进制）IP地址由网络和主机两局部标识组成 如下列图，网络标识在数据链路的每个段配置不同的值。网络标识必须保证 相互连接的每个段的地址不相重复。而相同段内相连的主机必须有相同的网络地址。IP地址的"主机标识"那么不允许在同一个网段内重复出现。由 此，可以通过设置网络地址和主机地址，在相互连接的整个网络中保证每 台主机的IP地址都不会相互重叠。即IP地址具有了唯一性。网酶识主嬴识 -19X168.128. 10/24表示从头数到第几位 为止属于网络标识。192.168.128/24的网络标识网1 标识主吵nR* 19X168428,1/24192.168.144/24的网络标识网络标识 I 192.168444.表示从头数到第几位 为止属于网络标识。网络标识主,标识网络标识主机标识 192.168J44. 10Z24192468444. 11/24同一网段内值相同3 同一网段内值不能相同。网赢识主就标识192.168.128. 11Z24如下列图，IP包被转发到途中某个路由器时，正是利用目标IP地址的网 络标识进行路由。因为即使不看主机标识，只要一见到网络标识就能判断 出是否为该网段内的主机。网络标识主机标识、192；168.128；0 /24网络标识主机标识、192；168.128；0 /24网络标识主机标识、192；168.128；0 /24网络标识主机标浜小一/192.168.129.0 /24网络标识主机标识3二il-，192.168.130.0 24网号标识（地址 192.168.130. 10|路由器只要一看到IP地址的 网络标识就可以进行转发。1.2 IP地址的分类IP地址分为四个级别，分别为A类、B类、C类、D类。它根据IP地 址中从第1位到第4位的比特列对其网络标识和主机标识进行区分。A类IP地址是首位以0"开头的地址。从第1位到第8位是它的网络标识。 用十进制表示的话，000.0127.000是A类的网络地址。A类地址的后24 位相当于主机标识。因此，一个网段内可容纳的主机地址上限为16,777,214个。 B类IP地址是前两位"10"的地址。从第1位到第16位是它的网络 标识。用十进制表示的话，是B类的网络地址。B类地址的后16位相当于主机标识。因此，一个网段内可容纳的主机地址上限为65,534个。 C类IP地址是前三位为"110”的地址。从第1位到第24位是它的 网络标识。用十进制表示的话，192.0Q0是C类的网络 地址。C类地址的后8位相当于主机标识。因此，一个网段内可容纳的 主机地址上限为254个。 D类IP地址是前四位为"1110”的地址。从第1位到第32位是它的 网络标识。用十进制表示的话，示是D类的网 络地址。D类地址没有主机标识，常用于多播。 在分配IP地址时关于主机标识有一点需要注意。即要用比特位表示主机 地址时，不可以全部为0或全部为lo因为全部为0只有在表示对应 的网络地址或IP地址不可以获知的情况下才使用。而全部为1的主机 通常作为广播地址。因此，在分配过程中，应该去掉这两种情况。这也是 为什么C类地址每个网段最多只能有254 ( 28 - 2 = 254)个主机地址 的原因。1.3 广播地址 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。将IP地 址中的主机地址局部全部设置为1,就成了广播地址。广播分为本地广播和直接广播两种。在本网络内的广播叫做本地广播；在 不同网络之间的广播叫做直接广播。1.4 IP多播多播用于将包发送给特定组内的所有主机。由于其直接使用IP地址，因 此也不存在可靠传输。 相比于广播，多播既可以穿透路由器，又可以实现只给那些必要的组发送 数据包。请看下列图：主机F 主机G（单播的情况下）手机A主机C主机EQ早（广播的慵况下）11Pl土皿路由器品制多播的包。 多播使用D类地址。因此，如果从首位开始到第4位是ino，就可以认为是多播地址。而剩下的28位可以成为多播的组编号。此外，对于多播，所有的主机（路由器以外的主机和终端主机）必须属于的组，所有的路由器必须属于的组。1.5 子网掩码现在一个IP地址的网络标识和主机标识已不再受限于该地址的类别，而 是由一个叫做"子网掩码"的识别码通过子网网络地址细分出比A类、B 类、C类更小粒度的网络。这种方式实际上就是将原来A类、B类、C 类等分类中的主机地址局部用作子网地址，可以将原网络分为多个物理网 络的一种机制。 子网掩码用二进制方式表示的话，也是一个32位的数字。它对应IP地 址网络标识局部的位全部为"1",对应IP地址主机标识的局部那么全部为 "0"。由此，一个IP地址可以不再受限于自己的类别，而是可以用这样 的子网掩码自由地定位自己的网络标识长度。当然，子网掩码必须是IP 地址的首位开始连续的"1"。 对于子网掩码，目前有两种表示方式。第一种是，将IP地址与子网掩码 的地址分别用两行来表示。以的前26位是网络地址的 情况为例，如下：IP地址172.20.100.52子用掩码255.255.255.192网绛地址172.20.100.0子网掩码255.255.255.192广播地力172.20.100.63子对有码255.255.255.192第二种表示方式是，在每个IP地址后面追加网络地址的位数用7 隔开，如下:ip地址172.20.100.网络地力172.20.100.广播地址172.20.100.63另外，在第二种方式下记述网络地址时可以省略后面的"0"。例如：跟 172.20/26 其实是一个意思。2.路由发送数据包时所使用的地址是网络层的地址，即IP地址。然而仅仅有IP 地址还缺乏以实现将数据包发送到对端目标地址，在数据发送过程中还需 要类似于"指明路由器或主机”的信息，以便真正发往目标地址。保存这种 信息的就是路由控制表。 该路由控制表的形成方式有两种：一种是管理员手动设置，另一种是路由 器与其他路由器相互交换信息时自动刷新。前者也叫做静态路由控制，而 后者叫做动态路由控制。 IP协议始终认为路由表是正确的。然后，IP本身并没有定义制作路由控 制表的协议。即IP没有制作路由控制表的机制。该表示由一个叫做"路 由协议”的协议制作而成。2.1 IP地址与路由控制IP地址的网络地址局部用于进行路由控制。路由控制表中记录着网络地址与下一步应该发送至路由器的地址。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 选择一个最为吻合的网络地址。10 J .2.0/24下一个路由器10J,1.0/24|10,Ll,0/24 k10.LL1下一个路由器IP地址是默认路由。由于10.1210的网络地 址与10.LL0/24不匹配 包被转发到默认路由。IP地址下一个路由器 工V”IP地址 000.0/010.12110.L3J主机目标地址源地址 10.LL0/24从路由控制表可以看出,10.1224正与 10.121的接口相连。IP主机B10,120/22120/24由路由控制表可以看 出，只要将发给目标 地址10.L2/24的包转 发给10.L0.2 （路由器2）即可。3. IP分包与组包每种数据链路的最大传输单元（MTU）都不尽相同，因为每个不同类型的数据链路的使用目的不同。使用目的不同，可承载的MTU也就不同。