這要從 TCP/IP 協(xié)議說起，互聯(lián)網(wǎng)使用的是 TCP/IP 協(xié)議，其中 IP 協(xié)議又是最重要的協(xié)議之一。IP 協(xié)議是基于 IP 地址將數(shù)據(jù)包發(fā)送給目的主機，能夠讓互聯(lián)網(wǎng)上任何兩臺主機進(jìn)行通信。  IP 協(xié)議位于 OSI 參考模型的第三層，即網(wǎng)絡(luò)層。  網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是實現(xiàn)終端節(jié)點之間的通信。這種終端節(jié)點之間的通信，也叫點對點通信。 
數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)侥康牡兀?/span>數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)兩個直連設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)層的 IP 協(xié)議實現(xiàn)沒有直連的兩個網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。 以旅行為例，小美要去一個很遠(yuǎn)的地方旅行，先計劃要乘坐的高鐵、地鐵、公交車，并且購買相應(yīng)車票，再制定一個詳細(xì)行程表，記錄乘車時間。 高鐵票、地鐵票只能在一個區(qū)間內(nèi)移動，就像網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)鏈路。出發(fā)點就像源 MAC 地址，目的地就像目的 MAC 地址，整個行程表的作用就相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)層，出發(fā)點就像源 IP 地址，目的地就像目的 IP 地址。  小美如果只有行程表，沒有車票，就無法乘坐交通工具到達(dá)目的地。相反，小美只有車票，不知道坐什么車，在哪里換乘，恐怕也到不了目的地。只有兩者兼?zhèn)?，既有某個區(qū)間的車票又有整個旅行的行程表，才能保證到達(dá)目的地。網(wǎng)絡(luò)中也需要數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)同工作，才能實現(xiàn)最終目的地址的通信。 IP 地址的基礎(chǔ)知識在 TCP/IP 通信中使用 IP 地址識別主機和路由器。IP 地址是邏輯地址，需要手工配置或自動獲取，為了保證正常通信，每個設(shè)備必須配置 IP 地址。  IP 地址的定義IP 地址由 32 位二進(jìn)制數(shù)組成。為了方便記錄，將 32 位的 IP 地址分為 4 組，每 8 位為一組，每組以“ . ”隔開，再將每組數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。 
通過 Windows 系統(tǒng)自帶的計算器，選擇程序員，可實現(xiàn)二進(jìn)制和十進(jìn)制的快速轉(zhuǎn)換。默認(rèn)十進(jìn)制（“ DEC ”）輸入，單擊“ BIN ”切換成二進(jìn)制輸入。同步顯示十六進(jìn)制、十進(jìn)制、八進(jìn)制和二進(jìn)制的數(shù)值。 
將 IP 地址的32位二進(jìn)制進(jìn)行計算，得出約 43 億個 IP 地址。  使用 Windows 系統(tǒng)自帶計算機，選擇科學(xué)模式，可快速進(jìn)行次方計算。  實際上，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展超乎想象，互聯(lián)網(wǎng)上的設(shè)備遠(yuǎn)超 43 億， 2019 年 11 月 25 日全球的 IPv4 地址已經(jīng)徹底耗盡，但是直到現(xiàn)在大家仍然還在用 IPv4 ，并沒有因為地址沒了而無法上網(wǎng)。是因為除了 IPv6 之外，我們使用 NAT 技術(shù)緩解了地址不足的問題。這篇文章里的 IP 全是指的 IPv4 ，非 IPv6 。 IP 地址的組成IP 地址由網(wǎng)絡(luò)號（網(wǎng)段地址）和主機號（主機地址）兩部分組成。  網(wǎng)絡(luò)號是設(shè)備所在區(qū)域的一種標(biāo)識，網(wǎng)絡(luò)號相同的設(shè)備位于同一個網(wǎng)段內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)號不同的設(shè)備通過路由器實現(xiàn)通信。主機號是在同一個網(wǎng)段中不同設(shè)備的標(biāo)識，不允許同一個網(wǎng)段內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)的主機號。 路由器是根據(jù)目的 IP 地址的網(wǎng)絡(luò)號進(jìn)行路由。 那么 IP 地址哪幾位是網(wǎng)絡(luò)號？哪幾位是主機號？早期是以分類地址區(qū)分，現(xiàn)在是以子網(wǎng)掩碼區(qū)分。 IP 地址的分類IP 地址分為四類，分別是 A 類、 B 類、 C 類、 D 類（還有一個保留的 E 類）。
A 類 IP 地址是首位以“ 0 ”開頭的地址。從第 1 位到第 8 位是它的網(wǎng)絡(luò)號，網(wǎng)絡(luò)號的范圍是 后 24 位是主機號，一個 A 類地址的主機地址數(shù)量就是 2 的 24 次方，即 16777216 個主機地址。
B 類 IP 地址是前兩位以“ 10 ”開頭的地址。從第 1 位到第 16 位是它的網(wǎng)絡(luò)號，網(wǎng)絡(luò)號的范圍是 后 16 位是主機號，一個 B 類地址的主機地址的數(shù)量就是 2 的 16 次方，即 65536 個主機地址。
C 類 IP 地址是前三位以“ 110 ”開頭的地址。從第 1 位到第 24 位是它的網(wǎng)絡(luò)號，網(wǎng)絡(luò)號的范圍是 后 8 位是主機號，一個 C 類地址的主機地址的數(shù)量就是 2 的 8 次方，即 256 個主機地址。
D 類 IP 地址是前四位以“ 1110 ”開頭的地址。從第 1 位到第 32 位是它的網(wǎng)絡(luò)號，網(wǎng)絡(luò)號的范圍是
當(dāng)主機號全為 0 時，表示的是網(wǎng)段地址，非主機地址。當(dāng)主機號全為 1 時是廣播地址，也不是主機地址。因此在分配 IP 地址過程中，需要排除這兩個地址。例如一個 C 類地址 廣播地址IP 地址中的主機號全部為 1 的就是廣播地址，它是向同一個網(wǎng)段中的所有主機發(fā)送數(shù)據(jù)包。例如一個 B 類主機地址 IP 組播組播用于將包發(fā)送給特定組內(nèi)的所有主機。 組播使用 D 類地址。因此 IP 地址前四位是“ 1110 ”開頭的，就是組播地址。剩下的 28 位就是組播的組編號。組播的地址范圍是 子網(wǎng)掩碼早期網(wǎng)絡(luò)地址采用固定網(wǎng)絡(luò)位長度的方式，使 IPv4 地址遭到大量浪費。如今網(wǎng)段地址的長度可變，同時也需要一種標(biāo)識來獲取網(wǎng)段地址，以便路由器對數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這種識別碼就是子網(wǎng)掩碼。 子網(wǎng)掩碼用 32 位的二進(jìn)制表示， IP 地址的網(wǎng)段地址部分設(shè)置為 1 ， IP 地址的主機地址部分設(shè)置為 0 。換句話說， IP 地址有多少位網(wǎng)段地址，子網(wǎng)掩碼就有多少位取 1 ，其余都取 0 。為了方便記錄，每 8 位為一組，以“ . ”隔開，再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。 例如： 將子網(wǎng)掩碼和 IP 地址進(jìn)行與（ AND ）運算，可得到這個 IP 地址的網(wǎng)段地址。
IP 地址和子網(wǎng)掩碼的二進(jìn)制數(shù)，逐位進(jìn)行計算。只有當(dāng) IP 地址和掩碼都是 1 時，運算結(jié)果為 1 。其余情況計算結(jié)果都為 0 。 Windows 系統(tǒng)自帶計算機也可以進(jìn)行二進(jìn)制與運算。 IP 地址的另一種表示方式是在每個 IP 地址后面追加網(wǎng)絡(luò)號的位數(shù)用“ / ”隔開。例如： CIDR 與 VLSM解決 IP 地址浪費問題，除了使用子網(wǎng)掩碼，還使用了 CIDR 和 VLSM 技術(shù)。 CIDR ，即無類域間路由，采用任意長度分割 IP 地址的網(wǎng)絡(luò)號和主機號。它有兩個作用：
VLSM ，即可變長子網(wǎng)掩碼，它可以對 A 、 B 、 C 類地址再進(jìn)行子網(wǎng)劃分，以達(dá)到充分利用 IP 地址的目的。 假如一家企業(yè)有 100 臺電腦，按以前的辦法，只能分配一個 C 類地址
CIDR 是主機號向網(wǎng)絡(luò)號借位，目的是把幾個網(wǎng)絡(luò)匯總成一個大的網(wǎng)絡(luò)，增加子網(wǎng)主機數(shù)量； VLSM 是網(wǎng)絡(luò)號向主機號借位，目的是把一個標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)劃分成幾個子網(wǎng)，減少子網(wǎng)主機數(shù)量。 公網(wǎng)地址與私有地址IP 地址分為公網(wǎng)地址和私有地址。公網(wǎng)地址是在互聯(lián)網(wǎng)上使用的，私有地址是在局域網(wǎng)中使用的。 公網(wǎng)地址由 Internet NIC 負(fù)責(zé)分配，通過它直接訪問互聯(lián)網(wǎng)。 私有地址是一段保留的 IP 地址。只在局域網(wǎng)中使用，無法在互聯(lián)網(wǎng)上使用。但是私有地址可以通過 NAT 技術(shù)，將私有地址轉(zhuǎn)換為公網(wǎng)地址接入互聯(lián)網(wǎng)。 公網(wǎng) IP 地址在互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)是唯一的，私有 IP 地址只要在同一個局域網(wǎng)內(nèi)唯一即可。在不同局域網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)相同的私有 IP 不會影響使用。 IP 路由IP 路由是設(shè)備根據(jù) IP 地址對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的操作。當(dāng)一個數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器時，路由器根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址查詢路由表，根據(jù)查詢結(jié)果將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去，這個過程就是 IP 路由。
為了將數(shù)據(jù)包發(fā)給目的節(jié)點，所有節(jié)點都維護(hù)著一張路由表。路由表記錄 IP 數(shù)據(jù)在下一跳應(yīng)該發(fā)給哪個路由器。IP 包將根據(jù)這個路由表在各個數(shù)據(jù)鏈路上傳輸。 路由表的生成方式有兩種：一種是手動設(shè)置，也叫靜態(tài)路由。另一種是路由器之間通過交換信息自動刷新，也叫動態(tài)路由。
Hop ，中文叫“跳”。它是指網(wǎng)絡(luò)中的一個區(qū)間。IP 包就是在網(wǎng)絡(luò)中一跳一跳的轉(zhuǎn)發(fā)，在每一個區(qū)間內(nèi)決定 IP 包下一跳的路徑。 一跳是指數(shù)據(jù)鏈路中廣播域的區(qū)間，也就是說不經(jīng)過路由器而能直接到達(dá)的相連主機或路由器網(wǎng)卡的一個區(qū)間。 IP 數(shù)據(jù)包就像包裹，而送貨車就像數(shù)據(jù)鏈路。包裹不可能自己移動，必須有送貨車承載轉(zhuǎn)運。而一輛送貨車只能將包裹送到某個區(qū)間范圍內(nèi)。每個不同區(qū)間的包裹將由對應(yīng)的送貨車承載、運輸。IP 的工作原理也是如此。 路由條目類型
默認(rèn)路由是指路由表中任何一個地址都能與之匹配的條目。所有數(shù)據(jù)包都可以使用默認(rèn)路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。默認(rèn)路由為 0.0.0.0/0 或 default 。
“ IP地址/32 ”被稱為主機路由，它是路由表中指向單個 IP 地址或主機名的路由條目。例如：192.168.153.15/32 就是一條主機路由，表示整個 IP 地址的所有位都將參與路由。
以 127 開頭的 IP 地址都是環(huán)回地址，其所在的回環(huán)接口可以理解為虛擬網(wǎng)卡。使用回環(huán)地址時，數(shù)據(jù)包會直接被主機的 IP 層獲取，而不經(jīng)過鏈路層，也不會流向網(wǎng)絡(luò)。一般用來檢查主機上運行的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是否正常。 路由匯總路由匯總主要是為了減少路由條目，把可以聚合的路由匯聚為一個大網(wǎng)絡(luò)。 路由表越大，查找路由表所需的內(nèi)存和 CPU 也就越多，時間也會越長，導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā) IP 數(shù)據(jù)包的性能下降。如果想要搭建大規(guī)模、高性能的網(wǎng)絡(luò)，就需要盡可能的路由表的大小。 IP 分片與重組數(shù)據(jù)鏈路不同， MTU 則不同每種數(shù)據(jù)鏈路的最大傳輸單元（ MTU ）不同，網(wǎng)絡(luò)層的 IP 是數(shù)據(jù)鏈路的上一層， IP 通過分片屏蔽數(shù)據(jù)鏈路的差異，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)鏈路互通。從 IP 的上一層看，它完全可以忽略各個數(shù)據(jù)鏈路上的 MTU ，只需要按照源 IP 地址發(fā)送的長度接收數(shù)據(jù)包。 IP 報文的分片與重組當(dāng)遇到 IP 數(shù)據(jù)包大于數(shù)據(jù)鏈路 MTU 時，往往無法直接發(fā)送出去，主機或路由器就會對 IP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片處理。 經(jīng)過分片后的 IP 數(shù)據(jù)，只會在目標(biāo)主機上進(jìn)行重組，中途經(jīng)過路由器時不會進(jìn)行重組。 路徑MTU發(fā)現(xiàn)分片機制有兩點不足：
為了解決這個問題，要使用路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)（ Path MTU Discovery ）技術(shù)。路徑 MTU 是指從發(fā)送端主機到接收端主機之間不需要分片時最大 MTU 值。即路徑中存在的所有數(shù)據(jù)鏈路中最小的 MTU 。路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)是從發(fā)送主機按照路徑 MTU 的值將數(shù)據(jù)報分片后進(jìn)行發(fā)送，避免在中途的路由器上進(jìn)行分片處理。 路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)的工作原理如下：
上面的例子是 UDP ，如果是在 TCP 的情況下，根據(jù)路徑 MTU 的大小計算出最大段長度（ MSS ），然后再根據(jù)這些信息進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。因此，在 TCP 中如果使用路徑 MTU 發(fā)現(xiàn)， IP 層則不會再分片。 路由器三層轉(zhuǎn)發(fā)原理路由器有多個端口，分別連接不同的數(shù)據(jù)鏈路。它通過識別目的 IP 地址的網(wǎng)絡(luò)號，再根據(jù)路由表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，路由表中有匹配的路由條目才會轉(zhuǎn)發(fā)，無匹配的路由條目則直接丟棄。路由條目既可以手動設(shè)置靜態(tài)路由，也可以通過路由協(xié)議自動生成動態(tài)路由。
當(dāng)一臺路由器收到一個數(shù)據(jù)包時，會執(zhí)行如下步驟：
ARP只要確定了 IP 地址，就可以向這個目標(biāo)地址發(fā)送 IP 數(shù)據(jù)報文。但是在進(jìn)行實際通信時，還要知道每個 IP 地址所對應(yīng)的 MAC 地址。 地址解析協(xié)議，簡稱 ARP 協(xié)議。是根據(jù)目的設(shè)備的 IP 地址來查詢對應(yīng) MAC 地址的協(xié)議。 ARP 的工作原理當(dāng)主機 A 向同一個網(wǎng)段內(nèi)的主機 C 發(fā)送數(shù)據(jù)，但是不知道主機 C 的 MAC 地址。
當(dāng)主機 A 向不同網(wǎng)段的主機 C 發(fā)送數(shù)據(jù)，但是不知道主機 C 的 MAC 地址。
當(dāng)主機 C 向主機 A 發(fā)送回復(fù)報文時，同主機 A 向主機 C 發(fā)送數(shù)據(jù)的步驟一致。 ARP 代理如果 ARP 請求是從一個網(wǎng)絡(luò)的主機發(fā)往同一網(wǎng)段卻不在同一物理網(wǎng)絡(luò)上的另一臺主機，那么連接它們的具有代理 ARP 功能的設(shè)備就可以回答該請求，這個過程稱作代理 ARP 。 代理 ARP 功能屏蔽了分離的物理網(wǎng)絡(luò)，讓用戶使用起來，跟在同一個物理網(wǎng)絡(luò)上一樣。 免費 ARP免費 ARP 是一種特殊的 ARP 請求，它并非通過 IP 找到對應(yīng)的 MAC 地址，而是當(dāng)主機啟動的時候，發(fā)送一個免費 ARP 請求，即請求自己的 IP 地址的 MAC 地址。 與普通 ARP 請求報文的區(qū)別在于報文中的目標(biāo) IP 地址。普通 ARP 報文中的目標(biāo) IP 地址是其它主機的 IP 地址；而免費 ARP 的請求報文中，目標(biāo) IP 地址是自己的 IP 地址。 免費 ARP 的作用：
ICMPIP 提供盡力而為的服務(wù)，指為了把數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地址盡最大努力。它并不做對端目的主機是否收到數(shù)據(jù)包的驗證，無法保證服務(wù)質(zhì)量。 ICMP（互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議）是提供這類功能的一種協(xié)議。ICMP 的主要功能包括，確認(rèn) IP 包是否成功送達(dá)目的地址，通知發(fā)送過程中 IP 包被丟棄的原因。 ICMP 報文像 TCP/UDP 一樣通過 IP 進(jìn)行傳輸，但是 ICMP 的功能不是傳輸層的補充，應(yīng)該把它當(dāng)做網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。 ICMP 頭部封裝字段如下圖。 通過類型字段和編碼字段的取值判斷這個 ICMP 消息的類型。常見的 ICMP 消息所對應(yīng)的類型和編碼值如下圖。 從功能上，ICMP 的消息分為兩類：一類是通知出錯原因的錯誤消息，另一類是用于診斷的查詢消息。 ping我們常用的 ping 工具就是通過 ICMP 消息測試網(wǎng)絡(luò)層連通性的。源主機發(fā)出 Echo request 消息，目的主機回應(yīng) Echo reply 消息，則兩臺主機間的網(wǎng)絡(luò)層通信正常。也可以通過 ping 命令來判斷目標(biāo)主機是否啟用。 附錄IPv4 頭部IP 提供最簡單的服務(wù)：實現(xiàn)從源到目的的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。不會在傳輸數(shù)據(jù)前先與接收方建立連接，也不保證傳輸?shù)目煽啃?，它只提供盡力而為的服務(wù)。 IP 通信時傳輸?shù)氖?IP 報文， IP 報文由 IP 頭部和數(shù)據(jù)兩部分組成。IP 頭部包含控制報文轉(zhuǎn)發(fā)的必要信息。通過 IP 頭部的結(jié)構(gòu)，可以對 IP 的功能有一個詳細(xì)的了解。
比特，英文名 bit ，也叫位。二進(jìn)制中最小單位，一個比特的值要么是 字節(jié)，英文名 Byte 。一個字節(jié)由八個比特構(gòu)成。
參考資料： IP 基礎(chǔ)知識“全家桶”，45 張圖一套帶走 - 小林coding TCP/IP詳解 卷1：協(xié)議 - W·Richard Stevens 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) - 田果 圖解TCP/IP - 竹下隆史 end |
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