计算机网络之ip协议

时间：2024-04-11 22:54:58

IP协议详解

前言

最近在学习中国大学mooc的计算机网络课程，主讲老师是哈工大的李全龙、聂兰顺老师，觉得关于IP协议部分讲的非常详细非常好，所以这里整理了一篇学习笔记，仅供参考，以下是课程慕课网的链接：https://www.icourse163.org/course/HIT-154005.

一、IP协议简介

IP协议是实现计算机网络通信的核心协议，基于IP协议的TCP/IP协议和UDP/IP协议是大部分计算机完成网络通信的基础协议，IP协议规定了任何接入公共互联网的设备都只能拥有唯一的IP，相当于每个接口的唯一身份识别ID，这样两台需要通信的设备，只需要知道了彼此的IP地址，就能保证信息通过路由准确无误地到达。

二、IPv4协议

1、IP编址

  • IPv4地址是由一串32比特的二进制数所表示，为了记忆地方便，一般以8比特为一组写成点分十进制地形式，例如：二进制IP地址10000000 00000000 00000000 00000001写成点分十进制形式就是128.0.0.1。
  • 为了方便划分子网，IP地址在内部又进行了划分，其中高位比特被称为网络号(NetID)，用于划分出一块一块地网络，而低位比特被称为主机号(HostID)，用于区分当前网络下地具体主机，例如对于IP地址10000000 00000000 00000000 00000001，如果前16比特是网络号，后16比特是主机号，我们可以说是处于128.0网络下的0.1号主机接口。

2、有类IP地址

有类IP地址的划分最初是为了解决IP地址的网络号和主机号的分配问题，具体来说，网络号占的比特位越多，能区分的网络数越多，但是相应的，能区分的主机数就会减少。因此为了解决不同网络规模下的IP地址分配问题，提出了有类IP地址分类。
具体分类方法采用二分法分类，分类形式如下：
计算机网络之ip协议
以下是文字版：

  • A类地址(50%)：最高比特位是0，网络号占8比特，主机号占24比特
  • B类地址(25%)：最高比特位是10，网络号占16比特，主机号占16比特
  • C类地址(12.5%)：最高比特位是110，网络号占24比特，主机号占8比特
  • D类地址(6.25%)：最高比特位是1110，不进行网络号和主机号的区分，特殊地址，用作多播和组播
  • E类地址(6.25%)：最高比特位是1111，不进行网络号和主机号的区分，保留地址，用作研究

另外，在ABC三类IP地址中，还有一些特殊的IP地址，有特殊的用途，如下：
计算机网络之ip协议
除了以上的特殊地址，ABC三类地址中还保留了一些私有地址，这类IP地址只能用于内部网络通信，在公共互联网是无效的，路由器也不会转发这类IP地址，这些地址对于公共互联网是不可见的，并且在不同局域网下这类地址可以复用。具体是：

  • A类：10.x.x.x
  • B类：172.16.x.x - 172.31.x.x
  • C类：192.168.0.x - 192.168.255.x

3、子网划分

  • 从以上IP地址分类可以看出，对于A类IP地址，其可以区分的网络数很少，但是区分的主机数却非常庞大，对于一个组织，如果分配了一个A类IP地址但是其主机数量有限，不能完全使用所有的主机号，那么势必造成IP地址的浪费，为了解决这一问题，就要求对子网作进一步的划分，子网掩码就是为了解决子网划分的问题。

  • 具体做法就是在原来IP地址的主机号的里面，重新拿出一部分比特位用作子网的划分，一般是将原来IP地址主机号的高位拿出几位作为子网号(SubID)。

  • 例如IP地址：10000000 00000000 00000000 00000001 属于B类地址，其前16位是网络号，为了进一步划分子网，我们可以在其剩余的16位主机号中指定几位，作为子网号，剩余位作为主机号。

  • 子网掩码是用作表示上述划分方式。在形式上于IP地址相同，表示为一串32比特的二进制数，可以表示成点分十进制的形式。在子网掩码中，原IP地址的对应网络号和子网号全部取1，主机号取0，就是对应的子网掩码。

  • 例如IP地址：10000000 00000000 00000000 00000001，如果我们用第17-24位进一步划分子网，那么其所对应的子网掩码就是：11111111 11111111 11111111 00000000 ，对应的点分十进制形式就是255.255.255.0 。

  • 因此还可以知道，对于ABC三类IP地址，其默认的子网掩码为：

    • A类：255.0.0.0
    • B类：255.255.0.0
    • C类：255.255.255.0

  • 因此，通过IP地址和子网掩码，我们就可以完全确定某一个IP地址对应的子网大小，确定这个网络的规模，通过IP地址与子网掩码确定某一个网络，可以将32位IP地址与子网掩码做按位与运算，就可以提取出这个这个子网的子网地址。

三、CIDR与路由聚集

  • CIDR全称是无类域间路由，是划分子网的一种新技术，打破了传统的A类、B类、C类地址的划分模式，CIDR将前面子网划分的网络号(NetID)和子网号(SubID)统称为一个网络前缀(Prefix)，并且可以是任意长度，例如对于IP地址：10000000 00000000 00000000 00000001我们想用前15位划分子网，那么采用CIDR方法划分就可以写作128.0.0.1/15,上面就表示当前IP地址是使用IP地址前15位来划分的网络。

  • 值得一提的是，相对于传统的子网划分技术，CIDR技术能够大大提高IPv4地址空间的分配效率，以及这种层级的编址方式，使得路由寻址的效率大大提高。

四、IPv6协议简介

  • IPv6协议可以认为是IPv4协议的升级，主要针对的是IPv4地址分配殆尽的问题。

  • IPv6协议是使用128比特的二进制数表示地址，大大扩展了IPv4的地址空间，被形象的称为“可以为星球的每一个沙砾分配一个地址空间”。

  • 为了表示IPv6地址，采用的是冒号分割的16进制的地址表示形式，具体来说是将128比特的数分成8组，每一组包含16比特，用冒号分割，在每组中每4比特表示成一个16进制的数，其中前导0可以省略。例如以下就是一个典型的IPv6地址的表示：F00F:0:0:FFFF:A90F:F3:A:1

  • IPv6地址还支持压缩形式的写法，可以将多个连续的0用::表示。例如：FFFF:0:0:0:0:0:0:1可以表示为FFFF::1 。

  • 同时，为了兼容IPv4地址，IPv6特地将前80个比特全为0，后面16个比特全为1，接下来32比特为IPv4地址这样的地址空间专门用于和IPv4地址兼容的表示，例如对于IPv4地址128.0.0.1表示成IPv6的兼容形式是：0:0:0:0:0:FFFF:128.0.0.1，压缩形式是 ::FFFF:128.0.0.1。

  • 在IPv6网络中不再使用网络掩码的概念来划分子网，取而代之的是全部使用CIDR的形式来划分子网。例如F:1::1/46表示的就是用前46为来唯一标识网络。

  • 在url表示中，为了防止产生一些歧义，常常使用的是方括号将IPv6地址括起来的表示形式，例如http://[FFFF:A1:D3AF::1]:80。

  • IPv6地址有三种基本类型：

    • 单播：一对一通信
    • 多播：一对多通信
    • 任意播：一对多(之一，最近的多播组成员)通信

  • IPv4向IPv6过渡：隧道技术，同时支持IPv4和IPv6双协议的路由器。

五、Tips

1、Windows查看IP地址的方法

按Win+R键，打开运行窗口，输入cmd，打开Windows控制台，输入ipconfig命令，就能查看当前ip地址。

2、Linux查看ip地址的方法

打开Linux控制台，输入ifconfig命令，就能查看IP地址。

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