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Internet Protocol

news 来源：原创 2025/8/4 3:01:46

一、IP

1. 基本概念

IP定义：IP 是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议，它规定了网络设备如何标识和寻址，以及数据如何在网络中传输和路由。
IP作用：主要负责在不同的网络之间转发数据包，使数据能够从源主机准确无误地到达目标主机，是实现网络互联的基础。
IP数据包结构

- IPv4头部（20字节，可扩展至60字节）：

- - 版本（4位）：IPv4或IPv6。
  - 头部长度（4位）：以4字节为单位，最小值为5（20字节）。
  - 服务类型（8位）：QoS优先级标记（如延迟、吞吐量）。
  - 总长度（16位）：数据包总长度（最大65535字节）。
  - 标识符、标志位、片偏移：用于分片重组。
  - TTL（8位）：防止环路，每经过一个路由器减1。
  - 协议（8位）：上层协议（如TCP=6，UDP=17）。
  - 头部校验和（16位）：仅校验头部完整性。
  - 源IP地址和目的IP地址（各32位）。

- IPv6

4. IP地址与MAC地址的关系

- MAC地址（数据链路层）：唯一标识网络接口卡（如00:1A:2B:3C:4D:5E），用于局域网通信。
- IP地址（网络层）：逻辑地址，用于跨网络路由。

ARP协议：通过广播将IP地址解析为MAC地址（如查询192.168.1.1对应的MAC地址）。

5. 路由表

- 作用：决定数据包下一跳的路径。
- 条目示例：

目标网络：192.168.2.0/24  
下一跳地址：10.0.0.1  
接口：eth0  
跃点数：1

- 默认路由（0.0.0.0/0）：当目标网络不在表中时，转发到默认网关。

6. 网关（Gateway）

- 作用：连接不同网络的设备（如路由器）。
- 默认网关：局域网出口的IP地址（如家庭路由器的192.168.1.1）

7. 路由协议：用于路由器之间交换路由信息，以动态地建立和维护路由表。常见的路由协议有 RIP（路由信息协议）、OSPF（开放最短路径优先协议）、BGP（边界网关协议）等。

8. ICMP协议

- 功能：网络诊断与错误报告（如Ping、Traceroute）。
- 常见报文类型：

- - Echo Request/Reply（类型0/8）：用于Ping。
  - Destination Unreachable（类型3）：目标不可达。
  - Time Exceeded（类型11）：TTL超时（用于Traceroute）。

9.MTU（最大传输单元）

- 定义：数据链路层单次传输的最大数据量（以太网默认1500字节）。
- 分片条件：当IP数据包长度超过MTU时，需分片传输。

2. IP 的工作原理

数据封装：当源主机要发送数据时，首先将数据交给上层协议（如 TCP 或 UDP）进行处理，上层协议会在数据上添加首部信息，然后将其交给 IP 层。IP 层再在这些数据前面添加 IP 首部，形成 IP 数据包。
数据传输：IP 数据包在网络中传输时，会根据目标 IP 地址和路由表信息，通过路由器逐跳转发。每经过一个路由器，路由器会检查数据包的首部，根据路由表决定将数据包转发到哪个接口。
数据解封：当数据包到达目标主机时，目标主机的 IP 层会首先检查数据包的首部，然后将数据部分提取出来，交给相应的上层协议进行处理。上层协议再根据首部中的信息对数据进行进一步的解封和处理，最终得到原始数据。

二、IP地址

概念：是分配给网络设备的唯一标识符，用于在网络中定位和区分不同的设备，类似于现实世界中的地址。
地址格式

IPv4（Internet Protocol version 4）地址，它是一个 32 位的二进制数，通常用点分十进制表示，如 192.168.1.1。
IPv6（Internet Protocol version 6）地址则是 128 位的二进制数，采用冒号十六进制表示，如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。地址类型有：

- 单播（Unicast）：唯一标识单个接口。
- 组播（Multicast）：一对多通信。
- 任播（Anycast）：发送到最近的一组接口之一

ipv4地址分类

A类地址（1.0.0.0~127.255.255.255）：网络号占前8位，主机号占后24位，适用于大型网络（如政府机构），最大主机数为1677万。默认子网掩码为255.0.0.0（/8）。
B类地址（128.0.0.0~191.255.255.255）：网络号占前16位，主机号占后16位，适用于中型网络（如大学），最大主机数为6.5万。默认子网掩码255.255.0.0（/16）。
C类地址（192.0.0.0~223.255.255.255）：网络号占前24位，主机号占后8位，适用于小型网络（如家庭），最大主机数254。默认子网掩码255.255.255.0（/24）。
D类地址（224.0.0.0~239.255.255.255）：用于组播（Multicast），如视频会议。
E类地址（240.0.0.0~255.255.255.255）：保留地址，用于实验或未来扩展

特殊地址

- 私有地址：

- - A类：10.0.0.0/8
  - B类：172.16.0.0/12
  - C类：192.168.0.0/16 仅在局域网内使用，通过NAT与公网通信。

- 环回地址：127.0.0.1（IPv4）、::1（IPv6），用于本地测试。
- 广播地址：全1的主机号（如192.168.1.255）用于局域网广播

三、子网

一、子网的概念

子网（Subnet） 是网络层中通过 子网划分（Subnetting） 将一个大的IP网络分割成多个较小的逻辑网络的过程。其核心目的是：

优化地址分配：避免IP地址浪费（如将一个大网络拆分为多个小网络，适配实际主机需求）。
减少广播域：缩小广播范围，提升网络性能。
增强安全性：隔离不同子网，限制非法访问。

示例：将 192.168.1.0/24（256个地址）划分为4个子网：

子网1：192.168.1.0/26（64地址，可用主机62台）
子网2：192.168.1.64/26
子网3：192.168.1.128/26
子网4：192.168.1.192/26

二、子网判断的核心方法

1.1. 通过子网掩码（Subnet Mask）判断

子网掩码是一个32位二进制数，用于标识IP地址中 网络位 和 主机位 的分界线：

网络位全为1，主机位全为0。
示例：255.255.255.0（二进制 11111111.11111111.11111111.00000000）表示前24位是网络地址，后8位是主机地址。

1.2. 子网划分步骤

1. 确定需求：首先明确需要划分的子网数量以及每个子网所需的主机数量。例如，某企业需要划分 10 个子网，每个子网最多有 20 台主机。
2. 选择合适的网络地址：选取一个合适的 IP 网络地址作为划分基础，一般基于企业现有的网络或申请到的 IP 地址段。如拥有一个 C 类网络地址 192.168.1.0/24 ，它默认子网掩码为 255.255.255.0，主机位有 8 位，理论上可容纳 254（2⁸ - 2，减去网络地址和广播地址）台主机。
3. 计算所需的子网位：根据子网数量，通过公式计算需要借用的主机位数量。计算方法是找到满足 “2ⁿ ≥ 子网数量” 的最小 n 值，n 即为需要借用的主机位。在上述例子中，2³ = 8＜10，2⁴ = 16≥10，所以需要借用 4 位主机位来划分子网。
4. 计算新的子网掩码：将借用的主机位全部置为 1，添加到原网络的子网掩码中，得到新的子网掩码。对于 C 类网络 192.168.1.0/24，原子网掩码为 255.255.255.0，借用 4 位后，新的子网掩码变为 255.255.255.240（二进制为 11111111.11111111.11111111.11110000 ），此时网络位变为 28 位，可表示为 192.168.1.0/28。
5. 确定子网地址：通过改变借用主机位的值来确定各个子网地址。以 192.168.1.0/28 为例，第一个子网地址是 192.168.1.0，第二个子网地址是 192.168.1.16（因为子网掩码为 255.255.255.240，每个子网间隔 16 个地址），依此类推，可得到 16 个子网地址。
6. 确定每个子网的可用主机地址范围：每个子网的第一个地址是网络地址，最后一个地址是广播地址，这两个地址不能分配给主机使用。例如，对于子网 192.168.1.0/28，其网络地址是 192.168.1.0，广播地址是 192.168.1.15，可用主机地址范围是 192.168.1.1 - 192.168.1.14。
7. 分配子网：根据实际需求，将划分好的子网分配给不同的部门、区域或网络段。例如，将不同的子网分配给企业的不同部门，实现网络隔离和管理。

1.3. CIDR无类别编址

(1)核心概念

无类域间路由（Classless Inter-Domain Routing, CIDR） 是IP地址分配和路由的核心技术，彻底摒弃了传统IPv4的 A/B/C类地址分类，通过灵活的前缀长度（Prefix Length）实现地址的高效聚合与管理。

(2)CIDR解决的问题

- - IPv4地址浪费：传统分类编址导致大量地址闲置（如B类地址分配给小型网络）。
  - 路由表膨胀：互联网骨干路由表因无法聚合地址而急剧增长。

(3)CIDR的核心特性

- - 无类别地址分配：不再依赖固定A/B/C类掩码，允许任意前缀长度（如 /20、/28）。
  - 超网（Supernetting）：合并多个连续的小网络为一个大网络（如将8个C类地址合并为 /21 超网）。
  - 路由聚合（Route Aggregation）：ISP通过CIDR向外部通告聚合后的路由条目，减少路由表规模。

(4)CIDR表示法与地址计算

1. CIDR格式

表示方式：IP地址/前缀长度，例如：

192.168.1.0/24 → 前24位为网络位，后8位为主机位。

2001:db8::/48（IPv6）→ 前48位为全球路由前缀。

2. 地址聚合与超网示例

- - 需求：合并以下4个C类地址为一个超网：

192.168.0.0/24

192.168.1.0/24

192.168.2.0/24

192.168.3.0/24

- - 步骤：

观察地址的二进制形式：

                192.168.0.0 → 11000000.10101000.00000000.00000000
                192.168.1.0 → 11000000.10101000.00000001.00000000
                192.168.2.0 → 11000000.10101000.00000010.00000000
                192.168.3.0 → 11000000.10101000.00000011.00000000

找出共同前缀：前22位相同（11000000.10101000.000000）。

合并为超网：192.168.0.0/22，包含地址范围 192.168.0.0 ~ 192.168.3.255。

3.可用主机数计算

公式：可用主机数=2(32−前缀长度)−2可用主机数=2(32−前缀长度)−2

示例：10.10.0.0/20

主机位长度：32−20=1232−20=12

可用主机数：212−2=4094212−2=4094。

三、快速判断工具与技巧

1. CIDR表示法

格式：IP地址/前缀长度（如 192.168.1.0/26）。
前缀长度：子网掩码中连续1的位数（如 /26 对应 255.255.255.192）。

2. 子网计算器

工具推荐：

- SolarWinds子网计算器：自动划分子网并显示地址范围。
- 在线工具（如 IP Calculator）。

3. 快速估算表格

CIDR前缀	子网掩码	每个子网可用主机数
/24	255.255.255.0	254
/25	255.255.255.128	126
/26	255.255.255.192	62
/27	255.255.255.224	30
/28	255.255.255.240	14

四、注意事项

全0和全1地址：

- 网络地址（主机位全0）和 广播地址（主机位全1）不可分配给主机。
- 例如，子网 192.168.1.0/26 的可用地址为 192.168.1.1 ~ 192.168.1.62。

VLSM（可变长子网掩码）：

- 允许不同子网使用不同子网掩码，灵活分配地址（如将 /24 划分为 /26 和 /27 的子网）。

公有IP与私有IP的子网划分：

- 私有地址（如 192.168.0.0/16）可在内网自由划分子网；
- 公有地址需向ISP申请，并遵循IANA分配规则。

四、IP地址获取与管理

动态分配（DHCP）

- 原理：DHCP服务器自动分配IP地址、子网掩码、网关等信息，租期到期后回收。
- 应用场景：家庭网络、移动设备。

静态配置：

手动设置：适用于服务器、路由器等需固定IP的设备。

NAT（网络地址转换）

- 功能：将私有IP映射为公网IP，解决IPv4地址短缺。
- 类型：

- - 静态NAT：一对一映射，用于对外服务（如Web服务器）。
  - 动态NAT（PAT）：多对一映射，通过端口号区分会话（如家庭宽带）。

- 局限性：破坏端到端连接，影响P2P应用。