第3章 IP：网际协议

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本章介绍IP协议，包括IP首部、IP地址分类、子网寻址、子网掩码和IP转发等。

3.1 引言

IP的作用

IP（网际协议）的作用：

网络层的核心协议
负责分组的选路和转发
不可靠、无连接
尽力而为的交付

IP是网络层的核心。

IP的特点

IP的特点：

不可靠
- 不保证交付
- 丢了不重传
- 顺序不保证
- 重复不保证
无连接
- 没有连接状态
- 每个分组独立处理
- 不同分组可能走不同路径
尽力而为
- 尽量送到
- 但不保证
- 可靠性由上层（TCP）保证

IP是不可靠、无连接、尽力而为的。

本章讨论的内容

本章讨论的内容：

IP首部格式
IP地址分类
子网寻址
子网掩码
特殊IP地址
ifconfig命令
IP转发
源站选路

本章介绍IP协议的基本概念。

3.2 IP首部

IP首部格式

IPv4首部格式：

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| 版本 | 首部长度 |  服务类型   |          总长度               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          标识                 | 标志 |      片偏移           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  生存时间  |     协议        |        首部检验和             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         源IP地址                            |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         目的IP地址                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    选项（如果有）                           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    数据（如果有）                           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

IP首部有固定的格式。

IP首部字段

IP首部各字段：

字段	长度	说明
版本	4位	IP版本，IPv4是4
首部长度	4位	首部长度，单位是4字节
服务类型	8位	TOS，服务质量
总长度	16位	整个数据报的长度（字节）
标识	16位	唯一标识，分片用
标志	3位	分片标志
片偏移	13位	分片偏移，单位8字节
生存时间	8位	TTL，跳数限制
协议	8位	上层协议
首部检验和	16位	首部的校验和
源地址	32位	源IP地址
目的地址	32位	目的IP地址
选项	可变	可选，最多40字节
数据	可变	上层数据

IP首部有很多字段。

关键字段说明

版本（Version）：

4位
IPv4是4
IPv6是6

首部长度（IHL）：

4位
单位是4字节
最小5（20字节）
最大15（60字节）

总长度（Total Length）：

16位
整个数据报的长度
最大65535字节
包含首部和数据

生存时间（TTL）：

8位
Time To Live
每经过一个路由器减1
到0就丢弃
防止无限循环

协议（Protocol）：

8位
上层协议
1=ICMP, 6=TCP, 17=UDP

各字段有不同的作用。

3.3 IP地址

IP地址的结构

IP地址：

32位（IPv4）
通常写成点分十进制
比如192.168.1.1
网络号 + 主机号

IP地址由网络号和主机号组成。

点分十进制表示

点分十进制（Dotted Decimal）：

32位分成4个字节
每个字节用十进制表示
用点号分隔
范围：0.0.0.0 到 255.255.255.255

例子：

192.168.1.1
10.0.0.1
127.0.0.1

点分十进制是最常用的表示方法。

3.4 IP地址分类

五类地址

IP地址分为五类：

类别	第一位	网络号位数	主机号位数	范围	用途
A类	0	8位	24位	0.0.0.0 - 127.255.255.255	大型网络
B类	10	16位	16位	128.0.0.0 - 191.255.255.255	中型网络
C类	110	24位	8位	192.0.0.0 - 223.255.255.255	小型网络
D类	1110	-	-	224.0.0.0 - 239.255.255.255	多播
E类	1111	-	-	240.0.0.0 - 255.255.255.255	保留

IP地址分为五类。

A类地址

A类地址：

第一位是0
网络号占8位
主机号占24位
第一个字节：0-127
网络数：126个（0和127保留）
每个网络主机数：2^24-2 = 16,777,214

特殊的A类：

0.0.0.0：本网络
127.x.x.x：环回地址

A类地址数量少，但每个网络主机多。

B类地址

B类地址：

前两位是10
网络号占16位
主机号占16位
第一个字节：128-191
网络数：2^14 = 16,384
每个网络主机数：2^16-2 = 65,534

B类地址比较均衡。

C类地址

C类地址：

前三位是110
网络号占24位
主机号占8位
第一个字节：192-223
网络数：2^21 = 2,097,152
每个网络主机数：2^8-2 = 254

C类地址数量多，但每个网络主机少。

D类和E类

D类地址：

前四位是1110
用于多播
不区分网络号和主机号
范围：224.0.0.0 - 239.255.255.255

E类地址：

前五位是11110
保留地址
用于实验
范围：240.0.0.0 - 255.255.255.255

D类多播，E类保留。

3.5 特殊IP地址

特殊地址表

特殊IP地址：

地址	说明
0.0.0.0	本网络上的本主机
255.255.255.255	受限广播
网络号.0	网络地址
网络号.全1	直接广播
127.x.x.x	环回地址
10.x.x.x	私有地址（A类）
172.16-31.x.x	私有地址（B类）
192.168.x.x	私有地址（C类）
169.254.x.x	链路本地地址

有很多特殊的IP地址。

私有地址

私有地址（Private Address）：

不在互联网上路由
用于内部网络
可以重复使用
需要NAT才能上网

私有地址范围：

A类：10.0.0.0 - 10.255.255.255
B类：172.16.0.0 - 172.31.255.255
C类：192.168.0.0 - 192.168.255.255

私有地址用于内部网络。

广播地址

广播地址（Broadcast Address）：

主机号全为1
发给网络上所有主机
两种：受限广播和直接广播

受限广播：

255.255.255.255
本网络内广播
路由器不转发

直接广播：

网络号 + 全1主机号
发给特定网络的所有主机
路由器可以转发

广播地址发给所有主机。

3.6 子网寻址

什么是子网

子网（Subnet）：

把一个大网络分成多个小网络
从主机号借位当子网号
提高地址利用率
便于管理

子网把大网络分成小网络。

为什么需要子网

为什么需要子网：

提高地址利用率
- 一个B类有6万多主机
- 很多网络用不完
- 浪费地址
便于管理
- 不同部门不同子网
- 分开管理
- 更安全
减少广播域
- 每个子网是一个广播域
- 广播不影响其他子网
- 减少广播流量

子网有很多好处。

子网的结构

子网的地址结构：

网络号 + 子网号 + 主机号
从主机号借位
借多少位自己定

例子（B类地址）：

原始：  网络号(16位) + 主机号(16位)
子网后：网络号(16位) + 子网号(8位) + 主机号(8位)

子网从主机号借位。

3.7 子网掩码

什么是子网掩码

子网掩码（Subnet Mask）：

32位
用来区分网络号和主机号
网络部分为1，主机部分为0
和IP地址按位与得到网络地址

子网掩码用来区分网络和主机。

子网掩码的表示

两种表示方法：

点分十进制
- 255.255.255.0
- 255.255.0.0
- 最常用
CIDR表示法
- /24
- /16
- 表示前多少位是网络位

对应关系：

/8 = 255.0.0.0
/16 = 255.255.0.0
/24 = 255.255.255.0
/25 = 255.255.255.128

两种表示方法都常用。

计算网络地址

计算网络地址：

IP地址 AND 子网掩码 = 网络地址

例子：

IP地址：   192.168.1.100   = 11000000.10101000.00000001.01100100
子网掩码： 255.255.255.0   = 11111111.11111111.11111111.00000000
          ---------------------------------------------------
网络地址： 192.168.1.0     = 11000000.10101000.00000001.00000000

按位与得到网络地址。

3.8 ifconfig命令

ifconfig的作用

ifconfig命令：

配置网络接口
查看接口状态
设置IP地址
设置子网掩码
设置MTU
等等

ifconfig是接口配置工具。

常用用法

查看接口：

ifconfig
ifconfig eth0

设置IP地址和子网掩码：

ifconfig eth0 192.168.1.100 netmask 255.255.255.0

开启/关闭接口：

ifconfig eth0 up
ifconfig eth0 down

设置MTU：

ifconfig eth0 mtu 1500

ifconfig有很多用法。

3.9 IP转发

什么是IP转发

IP转发（IP Forwarding）：

路由器的功能
收到分组后
根据目的地址
选路转发
送到下一跳

IP转发是路由器的核心功能。

转发的过程

IP转发的过程：

收到分组
- 从某个接口收到IP数据报
检查目的地址
- 是不是自己的？
- 是：交给上层
- 不是：转发
查路由表
- 找最长匹配的路由
- 确定下一跳和出接口
转发
- TTL减1
- 重新计算检验和
- 从出接口发出去

转发过程：收→查→发。

路由表

路由表的条目：

目的网络
下一跳
出接口
掩码
等等

路由查找：

最长匹配优先
最具体的路由优先
都没有就用默认路由

路由表指导转发。

3.10 源站选路

什么是源站选路

源站选路（Source Routing）：

IP选项的一种
发送方指定路径
中间路由器按指定路径转发
可以控制分组走哪条路

源站选路由发送方指定路径。

两种源站选路

两种源站选路：

严格源站选路（Strict Source Route）
- 必须严格按指定的路径
- 每一跳都要指定
- 不能变
松散源站选路（Loose Source Route）
- 指定必须经过的路由器
- 中间可以经过其他路由器
- 比较灵活

严格和松散两种。

源站选路的用途

源站选路的用途：

测试特定路径
诊断网络问题
强制走特定路径

注意：

安全风险
很多路由器禁用
可能被用于攻击

源站选路有安全风险。

3.11 小结

IP首部

首部格式
- 20字节固定部分
- 最多40字节选项
- 总长度最大65535
关键字段
- 版本、首部长度
- 总长度、标识
- TTL、协议
- 源地址、目的地址

IP地址

地址分类
- A类：0开头，8位网络号
- B类：10开头，16位网络号
- C类：110开头，24位网络号
- D类：1110开头，多播
- E类：1111开头，保留
特殊地址
- 环回：127.x.x.x
- 私有地址：10/8, 172.16/12, 192.168/16
- 广播：255.255.255.255

子网

什么是子网
- 从主机号借位
- 分成多个小网络
子网掩码
- 区分网络和主机
- 点分十进制或CIDR表示
计算网络地址
- IP AND 掩码 = 网络地址

IP转发

转发过程
- 收到分组
- 查路由表
- 转发出去
路由表
- 最长匹配
- 默认路由

源站选路

两种类型
- 严格源站选路
- 松散源站选路
用途
- 测试路径
- 诊断问题
安全
- 有风险
- 常被禁用

关键概念

IP协议
- 不可靠、无连接、尽力而为
IP地址
- 32位
- 分类
- 子网
子网掩码
- 区分网络和主机
- CIDR表示
IP转发
- 路由器功能
- 路由表
源站选路
- 指定路径
- 严格/松散

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