【TCP/IP】IP地址与数据报

IP地址与数据报

在TCP/IP通信中，互相连接的网络使用IP地址对主机和路由器进行标识
数据报记录了传输过程的相关信息，包含IP地址、大小以及分片信息等

1. IPv4
2. IPv6

1 IPv4

1. 定义
2. 分类
3. 广播地址
4. 子网掩码
5. 首部

1.1 定义

地址形式
4个字节共32位，每8位1组中间以"."隔开，常以十进制表示

10101100.00010100.00000001.00000001
172.20.1.1

这样计算最多允许43亿台计算机连接到网络
每一台主机上的每一块NIC都得设置IP地址，路由器往往会有多个网卡

组成：网络标识(网络地址) + 主机标识(主机地址)

• 网络地址：对网络的标识，在互相连接的每个网段的地址不重复
• 主机地址：对主机的标识，在相同网段内相连的主机必须有相同的网络地址与不同的主机地址

• 在地址后加一个数字来标识网络地址占多少位，用"/"分隔，前面的0可以省略

  //同一网段主机标识为10和1的两台主机
  192.168.128.10/24 , 192.168.128.1/24

  现在基本使用子网掩码(网络前缀)来区分网络地址和主机地址，上述方法在特定场景依然存在

1.2 分类

共四个级别：A类、B类、C类、D类

根据第1位到第4位的比特对网络地址和主机地址进行区分

A类地址：0 + 7位网络地址 + 24位主机地址

• 0.0.0.0~127.0.0.0：一个网段内可以容纳16,777,214个主机地址

B类地址：10 + 14位网络地址 + 16位主机地址

• 128.0.0.0~191.255.0.0：一个网段内可以容纳65,534个主机地址

C类地址：110 + 21位网络地址 + 8位主机地址

• 192.0.0.0~223.255.255.0：一个网段可以容纳254个主机地址

D类地址：1110 + 29位网络地址 (无主机地址)

• 224.0.0.0~239.255.255.255：常用于多播

1.3 应用

广播地址：在同一个链路中互相连接的主机之间发送数据包(主机地址全为1)

• 本地广播：在本网段内的广播

• 直接广播：在不同网络之间的广播

  192.168.0.0/24向192.168.1.255/24发生数据，路由器会根据路由表会将数据包发给192.168.1.0/24
  从而所有192.168.1.1~192.168.1.254的主机都可以收到这个包

IP多播：将数据包发送给特定组内的所有主机(D类地址)
前4位1100，后28位为多播的组编号

私有地址
随着互联网的迅速普及，IP地址不足的问题日趋显著，就出现了一种技术，不要求为每一台主机或路由器分配一个固定的IP地址，而是在必要的时候只为相应数量的设备分配一个唯一IP地址
在独立的网络中各自随意地设置IP地址，可能会在需要连接互联网的时候发生地址冲突，这就出现了私有网络的IP地址

• 分类：A类、B类、C类

  A类：10.0.0.0~10.255.255.255 (10/8)
  B类：172.16.0.0~172.31.255.255 (172.16/12)
  C类：192.168.0.0~192.168.255.255 (192.168/16)

• 在这些范围内的网络为私有网络，在此之外的为全局网络
• 初始的设计并不考虑让私有网络连接互联网，只在独自的网络中进行数据交互

• NAT技术能够互换私有IP与全局IP，在IPv6尚未普及，IPv4地址逐渐耗尽，使用NAT技术解决问题是当前互联网的现状

  私有IP在自己的域中唯一，全局IP在整个互联网中唯一

1.4 子网掩码

使用IP地址的分类时会造成浪费

一个IP地址只要确定了分类也就确定了它的网络标识和主机标识
网络标识相同的计算机必须同属于同一个链路，例如在架构B类IP网络时，理论上在一个链路内允许6万5千多台计算机连接
在实际的架构中这是不存在的，直接使用A类、B类...地址就显得浪费资源

子网掩码的识别码通过子网网络地址细分出比A类、B类更小粒度的网络

实际是哪个就是将原来分类中的主机地址用作子网地址，将原网络分为多个物理网络的一种机制

子网：从分类网络中的划分出的一部分

• 为了确定网络区域，分开主机和路由器的每个接口，从而产生了若干个分离的网络岛，接口端连接了这些独立网络的端点。这些独立的网络岛叫做子网
• 传统的分类中，不同的网段之间需要网关连接，子网则是更细微的网络
• 引入子网后，IP地址就有个两种识别码，一个IP地址本身，另一个是表示网络部的子网掩码

子网掩码：32位，IP地址网络部分全为1，IP地址主机部分全为0

//以172.20.100.52的前26位网络地址的地址为例
IP地址：    172. 20. 100. 52
子网掩码： 255.255. 255.192 

不拘泥于是哪种网络类型，可以自由的表示网络标识
就如上面的示例，在普通分类中并没有26位的网络地址类型

1.5 首部

通过IP进行通信时，需要在数据前面加入IP首部信息，IP首部中包含着用于IP协议进行发包控制时所有的必要信息

数据部分前是IP首部

• 版本4~6：IPv4、ST、IPv6、TP/IX、PIP、TUBA
• 首部长度：单位为4字节，无可选项时为5，也就是20个字节

• 区分服务：前三位-优先级、4-最低延迟、5-最大吞吐、6-最大可靠、7-最小代价

  上述是TOS表示法，现在还有将其分为两段DSCP(前6位)、ECN(后2位)

• 总长度：IP首部与数据部分总字节数，2¹⁶-1个字节
• 标识ID：标识分片ID，一个包拆分的分片有相同的标识ID
• 标志：1 - 必须是0,2- 是否分片、3-0表示该包是分片结束的包
• 片位移：每个分段相对于原始数据的位置
• 生存时间：记录当前包在网络上应该生存的期限，经过一个路由则减1
• 协议：IP包传输层的上层协议编号，ICMP-1、IP-4、TCP-6、UDP-17、IPv6-41

• 首部校验和：用于确保IP数据报不被破坏

  初始全为0，以16位划分IP首部，用1补数计算所有16位字的和，将所得和的1补数赋给首部校验和字段

• 可选项：长度可变，用于实验与诊断，包括安全级别、原路径、路径记录、时间戳
• 填充物：填充0，由于可选项的存在，需要填充物将首部位数设置为32的整数倍
• 数据：包括上层协议的首部信息以及具体的数据内容

2 IPv6

1. 定义
2. 特点
3. 应用
4. 首部

2.1 定义

地址形式：128位，16位一组使用":"进行分隔，用16进制表示
地址结构

类型	网络地址	缩写
未定义	0000...0000	:: /128
环路地址	0000... 0001	:: 1/128
唯一本地地址	1111 110	FC00 :: /7
链路本地单播地址	1111 1110 10	FE80 :: /10
多播地址	1111 1111	FF00 :: /8
全局单播地址	其他

• 全局单播地址：世界唯一的一个地址，互联网通信中和各个域内部所使用的IPv6地址

  网络地址：n位全局路由前缀(广域网络) + m位子网ID(站点内部)
  主机地址：128-n-m位接口ID(可以是MAC地址，通常会使用一个随机产生的临时地址保证安全)

• 链路本地单播地址：同一数据链路内的唯一地址，不经过路由器在同一个链路内通信

  1111 1110 10 + 54位0 + 64位MAC地址

• 唯一本地地址：不进行互联网通信时所用的地址，通过NAT技术与代理联网的环境下使用

  1111 110 + L(通常为1) + 40位全局ID + 16位子网ID + 64位MAC地址

互联网通信使用全局单播地址
不使用路由器或者在同一个以太网网段使用链路本地单播地址
同一链路也可以使用唯一本地地址进行通信
可以同时将这些IP地址全都配置在同1个NIC上，按需灵活使用
分片处理在发送端的主机上进行，减少路由器负荷，提高网速，需要路径MTU发现技术提供路径中的最小传输单元的最小值，防止在路由器转发时包过大还需要分片处理

2.2 特点

• IP地址的扩大与路由控制表的聚合
  IP地址依然适应互联网分层结构，分配与其地址结构相适应的IP地址，尽可能避免路由表膨大
• 性能提升
  包首部长度采用固定值，不用首部校验和，路由器不再做分片处理
  结构简化、降低路由器负荷
• 即插即用
  即使没有DHCP服务器也可以实现自动分配IP地址
• 认证与加密
  应对伪造的IP地址的网络安全功能，防止线路窃听的功能
• 多播、Mobile IP成为扩展功能
• 不仅仅解决了IPv4地址耗尽的问题，甚至视图弥补IPv4中绝大多数缺陷

2.4 首部

• 通信量类：类似于IPv4中的IOS，表示服务质量(速率、吞吐量、优先级等)
• 流标号：服务质量控制，与源地址+目标地址共同标识一个流
• 有效载荷长度：类似于IPv4的总长度，首部+数据，包含可选项
• 下一个首部：类似于IPv4的协议字段，标识上一层协议的编号
• 跳数限制：类似于IPv4的生存时间，标识可通过路由器个数

• 扩展首部：IPv6的首部是固定长度，使用扩展首部作为其扩展项

  当在路由中必须分片时，在扩展首部中添加标识以及标志字段