网络层协议（10）

IP协议

• IP是Internet Protocol的缩写。Internet Protocol本身是一个协议文件的名称，该协议文件的内容非常少，主要是定义并阐述了IP报文的格式。
• 经常被提及的IP，一般不是特指Internet Protocol这个协议文件本身，而是泛指直接或间接与IP协议相关的任何内容。

数据封装

IPV4报文格式

• 20 byte的固定长度
  • TTL: 每经过一次三层转发TTL减1
  • Protocol字段表示由哪一部分协议进行封装的

序号	协议名称缩写	协议全称	所属层次	主要特点	常见应用场景
1	ICMP	Internet Control Message Protocol（互联网控制消息协议）	网络层	传递网络控制和差错消息，提供网络诊断功能	ping 命令、网络故障排查
2	IGMP	Internet Group Management Protocol（互联网组管理协议）	网络层	管理 IP 多播组成员关系	网络视频直播、在线游戏多播
6	TCP	Transmission Control Protocol（传输控制协议）	传输层	面向连接、可靠传输、基于字节流	HTTP、SMTP、FTP 等应用
17	UDP	User Datagram Protocol（用户数据报协议）	传输层	无连接、不可靠、传输效率高	视频会议、在线音频、DNS 查询
89	OSPF	Open Shortest Path First（开放最短路径优先）	网络层	基于链路状态算法计算最佳路由	大型企业网、运营商网内部路由

• 报文格式大全

• 0 ~ 40 byte的可选长度

数据包分片

• 将报文分割成多个片段的过程叫做分片。
• 网络中转发的 IP 报文的长度可以不同，但如果报文长度超过了数据链路所支持的最大长度，则报文就需要分割成若干个较小的片段才能够在链路上传输。

生存时间（Time to Live, TTL）

• TTL 字段设置了数据包可以经过的路由器数目。
• 一旦经过一个路由器，TTL 值就会减 1，当该字段值为 0 时，数据包将被丢弃。

协议号（Protocol）

• IP 报文头中的协议号字段标识了将会继续处理该报文的协议。
• 即指出此数据包携带的数据使用何种协议，以便目的主机的 IP 层将数据部分上报给哪个进程处理。

IPV4地址介绍（11）

什么是IP地址

• IP地址在网络中用于标识一个节点（或者网络设备的接口）。
• IP地址用于IP报文在网络中的寻址。

IP地址表示

• 一个IPv4地址有32 bit。
• IPv4地址通常采用“点分十进制”表示。
• IPv4地址范围：0.0.0.0~255.255.255.255

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IP 地址构成

IP地址寻址

• 网络部分：用来标识一个网络，代表IP地址所属网络。
• 主机部分：用来区分一个网络内的不同主机，能唯一标识网段上的某台设备。

IP地址管理（有类编址）

• 为了方便IP地址的管理及组网，IP地址分成五类：

IP地址类型

• 我们通常把一个网络号所定义的网络范围称为一个网段。
• 网络地址：用于标识一个网络。

• 广播地址：用于向该网络中的所有主机发送数据的特殊地址。

• 可用地址：可分配给网络中的节点或网络设备接口的地址。

注意

网络地址和广播地址不能直接被节点或网络设备所使用。
一个网段可用地址数量为：$2^{n}-2$（n：主机部分的比特位数）

IP地址计算

私网IP地址

• 公网IP地址：IP地址由IANA统一分配，确保在Internet上的唯一性，这里指的就是公网IP地址。
• 私网IP地址：部分网络无需连接Internet，如大学封闭实验室网络，只要同一网络内设备IP不冲突即可。在IP地址空间的A、B、C三类地址中，各预留了一些地址用于此类情况，即私网IP地址。
  • A类：10.0.0.0~10.255.2 55.255
  • B类：172.16.0.0~172.31.255.255
  • C类：192.168.0.0~192.168.255.255

特殊IP地址

在IP地址空间中，存在一些具有特殊含义和作用的特殊IP地址，具体如下：

特殊IP地址	地址范围	作用
有限广播地址	255.255.255.255	可作为目的地址，发往该网段所有主机（受限于网关）
任意地址	0.0.0.0	代表“任何网络”的网络地址；也表示“这个网络上这个主机接口”的IP地址
环回地址	127.0.0.0/8	用于测试设备自身的软件系统
本地链路地址	169.254.0.0/24	当主机自动获取地址失败后，可使用该网段中的某个地址进行临时通信

IPv4 vs IPv6

• 全球IP地址分配机构IANA（Internet Assigned Numbers Authority ）管理的IPv4地址在2011年完全用尽 。随着最后一个IPv4公网地址分配完毕，公网接入用户和设备增多，IPv4地址枯竭问题愈发严重，这成为IPv6替代IPv4的主要驱动力。

对比项	IPv4	IPv6
地址长度	32 bit	128 bit
地址分类	单播地址、广播地址、组播地址	单播地址、组播地址、任播地址
特点	地址枯竭；包头设计不合理；依赖ARP，导致广播泛滥	无限地址；简化的报文头部；IPv6地址自动部署

子网划分

为什么要子网划分

• 将一个网络号划分成多个子网，每个子网分配给一个独立的广播域。
• 如此一来广播域的规模更小、网络规划更加合理。
• IP地址得到了合理利用。

• $2^{16}=65536$个IP地址
• 一个B类地址用于一个广播域，地址浪费。
• 广播域太庞大，一旦发生广播，内网不堪重负。

如何进行子网划分

• 原网段分析

• 向主机借位

• 计算子网地址

• 计算子网广播地址

练习：计算子网（1）

• 问题：现有一个C类网络地址段192.168.1.0/24，请使用可变长子网掩码给三个子网分别分配IP地址。

ICMP协议