网络编程(四)IP协议-上

IP(Internet Protocol,网际协议)。IP作为整个TCP/IP中至关重要的协议,主要负责将数据包发送给最终的目标计算机。

因此,IP能够让世界上任何两台计算机之间进行通信。

网络层次

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(end-to-end)通信”

IP是实现多个数据链路之间通信的协议

一、基础知识

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

1.1 IP地址

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。类似于数据链路层的MAC地址。

作为网络层的IP,也有地址,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。

1.2 路由控制

路由控制(Routing)是指将分组数据发送到最终目标地址的功能。通过路由控制确定到达目标地址的通路。一个数据包之所以能够成功地到达最终的目标地址,全靠路由控制。

1.3 Hop(跳)

Hop译为中文叫“跳”。它是指网络中的一个区间。IP包正是在网络中一个个跳间被转发。因此IP路由也叫做多跳路由。在每一个区间内决定着包在下一跳被转发的路径。

多跳路由是指路由器或主机在转发IP数据包时只指定下一个路由器或主机,而不是将到最终目标地址为止的所有通路全都指定出来。因为每一个区间(跳)在转发IP数据包时会分别指定下一跳的操作,直至包达到最终的目标地址。

1.4 路由控制表

为了将数据包发给目标主机,所有主机都维护着一张路由控制表(Routing Table)。该表记录IP数据在下一步应该发给哪个路由器。

1.5 数据链路抽象化(分包和组包)

IP是实现多个数据链路之间通信的协议

数据链路根据种类的不同各有特点。对这些不同数据链路的相异特性进行抽象化也是IP的重要作用之一。

不同数据链路有个最大的区别,就是它们各自的最大传输单位(MTU:Maximum Transmission Unit)不同。为了解决这个问题,IP进行分片处理,会将较大的IP包分成多个较小的IP包。分片的包到了对端目标地址以后会再被组合起来传给上一层。

即从IP的上层看,它完全可以忽略数据包在途中的各个数据链路上的MTU,而只需要按照源地址发送的长度接收数据包。IP就是以这种方式抽象化了数据链路层,使得从上层更不容易看到底层网络构造的细节。

1.6 IP是面向无连接的

IP面向无连接。即在发包之前,不需要建立与对端目标地址之间的连接。上层如果遇到需要发送给IP的数据,该数据会立即被压缩成IP包发送出去。

使用无连接,既简化了整个IP协议的过程,也增加了速度。

IP提供尽力服务(Best Effort),意指“为了把数据包发送到最终目标地址,尽最大努力。”然而,它并不做“最终收到与否的验证”。

为了提高通信的可靠性很重要。TCP就使用这种面向连接的方式。如果说IP只负责将数据发给目标主机,那么TCP则负责保证对端主机确实接收到数据。

二、IP地址的基础知识

2.1 ip(ipv4)的格式

IP地址(IPv4地址)由32位正整数来表示。

TCP/IP通信要求将这样的IP地址分配给每一个参与通信的主机。

IP地址在计算机内部以二进制方式被处理。然而,由于人类社会并不习惯于采用二进制方式,需要采用一种特殊的标记方式。那就是将32位的IP地址以每8位为一组,分成4组,每组以“.”隔开,再将每组数转换为十进制数(这种方法也叫做“十进制点符号”(Dot-decimal notation)。) 。

下图举例说明:

ip格式
2.2 IP地址组成

IP地址由“网络标识(网络地址)”和“主机标识(主机地址)”两部分组成。

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”则不允许在同一个网段内重复出现。

如何确定网络标识和主机标识的位置?
答:现在基本以子网掩码(网络前缀)区分。早期是通过ip地址的分类进行区分(目前在特定情况下仍然使用这种方式)。

关于ip地址的主机标识及其特性如下所示:

IP地址主机标识

关于ip地址的网络标识及其特性如下所示:

IP地址网络标识
2.3 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(还有一个一直未使用的E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类地址
A类IP地址是首位以“0”开头的地址。从第1位到第8位(去掉分类位剩下7位。) 是它的网络标识。用十进制表示的话,0.0.0.0~127.0.0.0是A类的网络地址。A类地址的后24位相当于主机标识。

B类地址
B类IP地址是前两位为“10”的地址。从第1位到第16位(去掉分类位剩下14位。) 是它的网络标识。用十进制表示的话,128.0.0.1~191.255.0.0是B类的网络地址。B类地址的后16位相当于主机标识。

C类地址
C类IP地址是前三位为“110”的地址。从第1位到第24位(去掉分类位剩下21位。) 是它的网络标识。用十进制表示的话,192.168.0.0~239.255.255.0是C类的网络地址。C类地址的后8位相当于主机标识。

D类地址
D类IP地址是前四位为“1110”的地址。从第1位到第32位(去掉分类位剩下28位。) 是它的网络标识。用十进制表示的话,224.0.0.0~239.255.255.255是D类的网络地址。D类地址没有主机标识,常被用于多播。

注意:
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1。因为全部为只有0在表示对应的网络地址或IP地址不可获知的情况下才使用。而全部为1的主机地址通常作为广播地址。
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(2 8 -2=254)个主机地址的原因。

IP地址分类
2.4 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地址中的主机地址部分全部设置为1,就成为了广播地址。

以太网中如果将MAC地址的所有位都改为1,则形成FF:FF:FF:FF:FF:FF的广播地址。因此,广播的IP包以数据链路的帧的形式发送时,得通过MAC地址为全1比特的FF:FF:FF:FF:FF:FF转发。

本地广播直接广播
在本网络内的广播叫做本地广播。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。) 。

2.5 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

自从引入了子网以后,一个IP地址就有了两种识别码。一是IP地址本身,另一个是表示网络部的子网掩码

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地址网络标识部分的位全部为“1”,对应IP地址主机标识的部分则全部为“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”。

子网掩码的两种表现形式
1)将ip地址和子网掩码用两行进行展示。

两行

2)后缀表示法,在每个IP地址后面追加网络地址的位数,用“/”隔开。

后缀表示法
2.6 全局地址与私有地址

私有IP的地址范围:

私有ip

包含在这个范围内的IP地址都属于私有IP,而在此之外(A类~C类范围中除去0/8、127/8。) 的IP地址称为全局IP(也叫公网IP) 。

私有IP最早没有计划连接互联网,而只用于互联网之外的独立网络。然而,当一种能够互换私有IP与全局IP的NAT 技术诞生以后,配有私有地址的主机与配有全局地址的互联网主机实现了通信。

全局IP地址基本上要在整个互联网范围内保持唯一 ,但私有地址不需要。


下一章节继续介绍剩下的知识。

文章内容摘自:图解TCP/IP(第五版)

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