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IP协议学习笔记

2024-07-15 18:11 由 Mysticbinary 发表于 #其他

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IP的作用类似物理世界中的地址，用于定位机器的位置。只不过物理的地址是文字描述，计算机世界的IP是一串二进制数，并且它是有一定约定和规则的。

下面我来学习关于IP的一些历史约定和规则。

IP地址格式

  • 4.4.4.4
  • 8.8.8.8
  • 114.114.114.114
  • 242.105.13.65
  • 102.32.175.117
  • 123.157.162.46
  • 255.255.255.255

这些用四个点.划分，且每个段的范围是 \(2^8\)（从0开始），这就是IP。

IP地址由两部分组成：

  • 网络部分 + 主机部分

为什么要分两部分？
网络ID的作用：

  • 识别网络：网络ID用于识别特定的网络或子网。
  • 路由：路由器使用网络ID来决定如何转发数据包。
  • 网络划分：帮助组织有效地管理和划分网络。

主机ID的作用：

  • 识别主机：在特定网络内唯一标识一台主机或设备。
  • 寻址：允许数据包准确地传递到网络内的特定设备。

分割的重要性：

  • 层次结构：创建了网络的层次结构，简化了互联网的组织。
  • 效率：提高了路由效率，路由器只需要关注网络ID，而不是每个单独的IP地址。
  • 灵活性：允许网络管理员根据需要灵活地分配和管理IP地址。

实际应用：

  • 当数据包从一个网络发送到另一个网络时，路由器只查看网络ID部分。
  • 一旦数据包到达目标网络，本地设备（如交换机）使用主机ID将其导向特定设备。

IP分类

IP转为二进制，根据判断前几位，设备就能判断这个IP是什么类的IP。

A、B、C类默认网络掩码：

  • A：IP/8
  • B：IP/16
  • C：IP/24

约定：
C类也叫C段。

为什么要IP分类？
这是一个很好的问题，涉及到了互联网发展的历史。IP地址分类（A、B、C、D、E类）是早期互联网设计的一部分，主要用于简化网络地址的分配和路由。让我为您解释一下：

  1. IP地址分类的历史背景：
    IP地址分类系统是在1981年通过RFC 791引入的，当时是为了更有效地分配和管理有限的IPv4地址空间。这个系统被称为"有类别寻址"（classful addressing）。

  2. 各类IP地址的特征：
    A类：

    • 第一位为0
    • 网络地址占8位，主机地址占24位
    • 范围：1.0.0.0 到 126.255.255.255
    • 适合大型网络

    B类：

    • 前两位为10
    • 网络地址占16位，主机地址占16位
    • 范围：128.0.0.0 到 191.255.255.255
    • 适合中型网络

    C类：

    • 前三位为110
    • 网络地址占24位，主机地址占8位
    • 范围：192.0.0.0 到 223.255.255.255
    • 适合小型网络

    D类：

    • 前四位为1110
    • 用于多播（multicast）也叫组播，无子网掩码
    • 范围：224.0.0.0 到 239.255.255.255

    E类：

    • 前五位为11110
    • 保留用于未来或实验用途
    • 范围：240.0.0.0 到 255.255.255.255
    • 255.255.255.255 作为广播地址

  3. 历史作用：

    • 简化地址分配：便于Internet号码分配机构（如IANA）管理和分配IP地址。
    • 简化路由：路由器可以根据IP地址的前几位快速确定网络类别。
    • 灵活性：不同类别适合不同规模的网络。

  4. 局限性：
    随着互联网的快速发展，这种分类方法显现出一些问题：

    • 地址空间浪费：特别是A类和B类网络中，很多地址未被充分利用。
    • 缺乏灵活性：难以适应中等规模的网络需求。

  5. 发展：
    为了解决这些问题，后来引入了无类别域间路由（CIDR）和网络地址转换（NAT）等技术，使IP地址的分配和使用更加灵活和高效。

    虽然现在我们主要使用CIDR，但了解IP地址分类仍然对理解网络历史和某些遗留系统有一点帮助，主要吹牛时用，不至于不知道别人说什么。

总结：
古老的IP分类——有类网络已经被抛弃了，现在是NAT + CIDR的 无类网络 时代。

CIDR 和 子网掩码介绍

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）是一种用于表示IP地址和其相关子网掩码的方法。格式为：IP地址/前缀长度，在介绍CIDR 之前先认识子网掩码。

用Windows系统的朋友，对这个图肯定很熟悉吧：

子网掩码（Subnet Mask）又叫网络掩码、地址掩码，必须结合IP地址一起对应使用。

子网掩码的组成：

  1. 同IP地址一样，子网掩码是由长度为32位二进制数组成的一个地址。
  2. 子网掩码32位与IP地址32位相对应，IP地址如果某位是网络地址，则子网掩码为1，否则为0。
  3. 举个栗子：如：11111111.11111111.11111111.00000000
    注：左边连续的1的个数代表网络号的长度，（使用时必须是连续的，理论上也可以不连续），右边连续的0的个数代表主机号的长度。

子网掩码的作用：

  • 只有通过子网掩码，才能表明一台主机所在的子网与其他子网的关系，使网络正常工作；
  • 子网掩码和IP地址做“与”运算，分离出IP地址中的网络地址和主机地址，用于判断该IP地址是在本地网络上，还是在远程网络网上。

关注到：
子网掩码可以分离出IP地址中的网络地址和主机地址。

为什么要分离出网络地址、主机地址有什么用？

  1. 因为两台主机要通信，首先要判断是否处于同一网段，即网络地址是否相同；

  2. 如果相同，那么可以把数据包直接发送到目标主机，否则就需要路由网关将数据包转发送到目的地。

    在如下拓扑图示例中，A与B，C与D，都可以直接相互通信（都是属于各自同一网段，不用经过路由器），但是A与C，A与D，B与C，B与D它们之间不属于同一网段，所以它们通信是要经过本地网关，然后路由器根据对方IP地址，在路由表中查找恰好有匹配到对方IP地址的直连路由，于是从另一边网关接口转发出去实现互连。

子网掩码的的表示方法：

  • 点分十进制表示法
    二进制转换十进制，每8位用点号隔开
    例如：子网掩码二进制11111111.11111111.11111111.00000000，表示为255.255.255.0

  • CIDR斜线记法
    IP地址/n
    也可以理解为：IP地址/前缀长度

    • 例1：192.168.1.100/24，其子网掩码表示为255.255.255.0，二进制表示为11111111.11111111.11111111.00000000
    • 例2：172.16.198.12/20，其子网掩码表示为255.255.240.0，二进制表示为11111111.11111111.11110000.00000000
      不难发现，例1中共有24个１，例2中共有20个１，所以n是这么来的。运营商ISP常用这样的方法给客户分配IP地址。

示例：

1表示网络地址，0表示主机地址

CIDR: IP/8
二进制：11111111.00000000.00000000.00000000
十进制：255.0.0.0

CIDR: IP/16
二进制：11111111.11111111.00000000.00000000
十进制：255.255.0.0

CIDR: IP/24
二进制：11111111.11111111.11111111.00000000
十进制：255.255.255.0

CIDR的优势：

  • 灵活性：允许更精细的子网划分。
  • 效率：相比传统的A、B、C类地址分类，可以更有效地利用IP地址空间。

NAT+公网、私网地址

IPv4只有43亿个地址，远远不能满足全世界的网络需求，
通过配置NAT + CIDR，区分公网地址和私网地址，巧妙地解决了这个问题。

公网和私网IP地址的区分是网络管理中的一个重要概念。让我为您详细解释：

  1. 公网IP地址：

    • 定义：公网IP地址是在全球互联网上唯一的地址，可以直接访问互联网。
    • 分配：由互联网服务提供商（ISP）或地区互联网注册机构（RIR）分配。
    • 特点：全球唯一，可以直接在互联网上路由。

  2. 私网IP地址：

    • 定义：私网IP地址是在局域网内部使用的地址，不能直接访问互联网。
    • 分配：由网络管理员在局域网内分配，或通过DHCP自动分配。
    • 特点：可以在不同的局域网中重复使用。

  3. 私网IP地址范围：
    根据RFC 1918，以下IP地址范围被保留用于私网：

    类 私有地址范围 CIDR表示法
    A 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 10.0.0.0/8
    B 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 172.16.0.0/12
    C 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 192.168.0.0/16

  4. 如何区分：

    • 地址范围：如果一个IP地址落在上述私网地址范围内，它就是私网IP。
    • 网络设置：查看设备的网络设置可以确定IP地址类型。
    • 在线工具：有许多在线工具可以帮助判断一个IP是公网还是私网。

  5. 使用场景：

    • 私网IP：用于家庭、办公室或企业内部网络。多台设备可以共享一个公网IP。
    • 公网IP：用于需要直接访问互联网的服务器、网站托管等。

  6. NAT（网络地址转换）：

    • 私网设备通过NAT技术，使用路由器的公网IP访问互联网。
    • NAT允许多个私网IP共享一个公网IP，提高了IP地址的利用效率。

  7. 安全性：

    • 私网IP提供了一定程度的安全性，因为它们不能直接从互联网访问。
    • 公网IP更容易受到直接的网络攻击，因此需要更严格的安全措施。

CIDR 与 VLSM

上面铺垫了那么多，其实重点就是要讲清楚CIDR 与 VLSM这两个概念。

VLSM —— VLSM（Variable Length Subnet Mask，可变长子网掩码），更好理解的词：子网划分，规定了在一个有类（A、B、C类）网络内包含多个子网掩码的能力，以及对一个子网的再进行子网划分的能力，作用是：提升IP的利用率、实际使用率。

VLSM：子网掩码往右边移，掩码netmask增长。


上图的局域网也就两台机器，要是使用192.168.10.240/24 就有256-2 = 254 个可用IP，有点浪费了。划分成 192.168.10.240/30 ，子网/30的可用IP是4个，减去2个（一个网络号，一个广播号），就刚好只剩下2个，就没有造成浪费。

CIDR —— CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由），更好理解的词： 路由聚合或者 超网。CIDR本质是消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，将多个地址块聚合在一起生成一个更大的网络，从而包含更多的主机。

CIDR：子网掩码往左边移，掩码netmask缩短。


在A路由器上，就有4个路由表，把它聚合成一张路由表，传递到路由器B，减少路由B的压力，作用是为了减少骨干路由器的压力。

CIDR与VLSM总结：
在某种程度上来说，CIDR和VLSM它们之间可以看做是逆过程，CIDR是聚合（找多个路由表的相同的位数，然后把相同位数的求出来）、VLSM是切分（找到划分的界限，划分下去，需要考虑-2）。

VLSM 子网划分案例

一个子网划分的案例：
将 192.168.1.0/24这个C类地址进行子网划分，网络位向主机位借1位：

那么将划分出子网1——192.168.1.0/25

当我们借用一位进行子网划分时，这一位成为了区分两个子网的关键。
在二进制中，这一位可以是0或1，因此产生了两个子网。

那么将划分出子网2——192.168.1.128/25

这种划分方法允许我们创建两个大小相等的子网，每个子网可以容纳126个主机。
这在需要将一个大网络分割成两个较小网络的情况下非常有用。

练习

  • 例1：某企业分配给产品部的IP地址块为192.168.31.192/26，分配给市场部的IP地址块为192.168.31.160/27，分配给财务部的IP地址块为192.168.31.128/27，那么这三个地址块经过聚合后的地址为？

  • 例2：计算一下 172.16.1.0/27 这个子网的网络号、广播号、以及可用IP地址？

Reference

6--10VLSM子网划分
https://www.bilibili.com/video/BV1pY411P7tU/

6-11CIDR无类域间路由
https://www.bilibili.com/video/BV1vR4y1K7Ge/

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