5、计算机网络知识复习(day05)--IP协议

花粥之间
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二、网络层概述(2)--IP协议

1、TCP/IP协议栈

TCP/IP协议不是单指TCP/IP这两个，而是TCP/IP协议簇。

网际协议（IP） 是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一，也是最重要的因特网标准协议之一。 又称Kahn-Cerf协议，这里讲的IP其实是IP的第四个版本，也就是IPv4。与IP协议配套使用的还有三个协议：

  • 地址解析协议ARP（Address Resolution Protocol，ARP）；
  • 网际控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol，ICMP）；
  • 网际组管理协议IGMP（Internet Group Management Protocol，IGMP）；

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IP协议经常使用ARP这个协议，ICMP和IGMP这两个协议则要使用IP协议，由于网际协议IP是用来使互联起来的许多计算机网络能够进行通信的，因此TCP/IP体系中的网络层常常称为网际层或IP层. 使用网际层就是要强调这是由很多网络构成的互连网络

注意：在TCP/IP参考模型中，物理层和数据链路层一起称为网络接口层。

2、IP数据报的格式

IP数据报的格式能够说明IP协议都具有什么功能。在TCP/IP的标准中，各种数据格式常常以32位（即4字节）为单位来描述。

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一个IP分组(IP数据报)由首部和数据两部分组成：

  • 数据部分：传输层的传输单元报文段，因为含有TCP、UDP段。
  • 首部固定部分（20B）：对于任何一个IP数据报，它的大小都相同为20字节（根据下图可得32bit*5行=160bit=20B），一定要有。
  • 首部可变部分（0~40B）：可有可无，大部分情况下没有。

注意：在网络层章节，IP数据报和分组不用做太详细区分。数据部分放在传输层去讲

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首部固定部分各组成信息如下：

  • 版本：占4位，版本类型为IPv4/IPv6

  • 首部长度（最大60B）：

    • 占4位，长度为4-8bit：对于一个4位的二进制数，可以表示16个十进制数0~15，所以首部长度最大值是15(1111)。
    • 单位是4B，首部长度最大值：首部最大为15*4B=60B。
    • 长度最小为5：因为首部固定部分长度就为20B，20B/4B=5，所以首部长度最小为5(0101)。

  • 区分服务：占8位，指示期望获得哪种类型的服务，比如有的数据报想先发送。

  • 总长度： 首部长度+数据部分，单位是1B。总长度字段为16位，因此数据报的最大长度为2^16—1= 65535字节。然而实际上传送这样长的数据报在现实中是极少遇到的。因为长度过大时会分组，以满足在数据链路层封装成帧的 MTU（最大数据传输单元） 的要求。

  • 生存时间（TTL：time to live）：占8位，IP数据报的寿命。每经过一个路由器生存时间就-1，直到变成0则丢弃该分组。（ICMP协议中有应用）

  • 协议： 占8位，协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种协议，以便使目的主机的IP层知道应该将数据部分上交给哪个协议进行处理，需要重点记住的是TCP字段值为6（记：面向连接，很6），UDP字段值为17（记：无连接不可靠，容易遗弃）

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  • 首部检验和： 只检验首部。为什么叫首部检验和呢？因为检验首部使用的方法是使用二进制的求和，在数据传输过程中，数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算一下首部检验和。因为有些字段（例如生存时间，标志等）都可能发生变化，需要通过首部检验和检验一下发生变化后的数据报有没有出错，如果出错则丢弃。

  • 源IP地址和目的IP地址： 占32位。

  • 可变部分信息如下：【基本不用考虑】

    • 可选字段：0~40B（可有可无，大小来源：首部最大60B-固定部分20B）。用来支持排错、测量以及安全等措施。
    • 填充：全0，因为加上可变部分IP数据报首部长度就变成可变了，所以需要把首部补成4B的整数倍。因为首部的长度单位是4B。

3、IP数据报分片

3.1、最大传送单元MTU（Maximum Transfer Unit）

链路层数据帧可封装数据的上限。例如以太网的MTU是1500字节。

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如果所传送的IP数据报/分组的长度(即首部加上数据部分)超过某链路的MTU值，就要进行分片！所以分片的目的是为了在链路层传输的数据帧的长度不超过MTU值。但是必须经过IP数据报自己同意进行分组，否则就没有办法向下传递，于是就会返回一个ICMP，后文再说；

3.2、结合IP数据报的标识、标志和片偏移理解分片

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标识： 占16位。IP软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。这个标识字段主要用于当数据报长度超过网络的MTU而需要分片时，这个标识字段的值就会被复制到所有的数据报片的标识字段中。同一数据报的分片使用同一标识。一个数据报的长度超过了MTU，就要进行分片，每个分片的标识相同，到了接收端就可以把同一标识的分片组合起来形成原来的数据报。

标志： 3位，但只有2位有意义：x _ _ 。最高位保留不用

  • 中间位DF（Don't Fragment：不许分片）：DF=1为真，禁止分片；DF=0为假，允许分片。
  • 最低位MF（More Fragment：更多分片）：MF=1，后面“还有分片”；MF=0，代表最后一片/没有分片（数据报长度不大） 可以看出，只有DF=0时，MF才有意义。

片偏移： 指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。以8B为单位（首部单位是4B）。可以推断：除了最后一个分片，每个分片的数据部分长度一定是8B的整数倍。

3.3、计算片偏移（某片在原分组中的相对位置）

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片偏移分析过程： 分片长度不超过1420B，首部为20B，所以每个分片数据部分不超过1400B。原始IP数据报数据部分为3800B，可以分为3个分片：第一和二分片数据部分1400B，第三个分片数据部分1000B。另外分片的首部长度与原始数据报的首部长度相同都为20B。

片偏移 = 数据部分起始字节/单位8B

  1. 计算第一个分片片偏移：数据部分起始字节为0~1399B，0B/8B = 0。
  2. 计算第二个分片片偏移：数据部分起始字节为1400~2799B，1400B/8B = 175。
  3. 计算第三个分片片偏移：数据部分起始字节为2800~3799B，2400B/8B = 350。

4、IP(IPv4)地址表示及其分类

4.1、IP地址及其表示方法

主机A要与其主机B通信，就要知道主机B在哪个网络？是哪个主机？整个互联网就是一个单一的，抽象的网络。IP地址就是给互联网上的每一台主机(或路由器)的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32位的标识符。【端口号就是具体访问主机上面的软件、服务器啥的，比如我的mysql服务器装在我本机上(windows)的，并且它的端口为3306，因此利用sqlyog访问mysql服务器就是localhost:3306】

IP地址的编址方法经历过三个历史阶段：

  • 分类的IP地址(最基本的编址方法)
  • 子网的划分(IP地址已经不够用)
  • 构成超网（无分类编址方法）

4.2、分类的IP地址

所谓“分类的IP地址”就是将IP地址划分为若干个固定类，每一类地址都是由两个固定长度的字段组成，其中第一个字段是网络号，标志主机所连接到的网络。第二个字段是主机号，标志该主机(或路由器)。一个IP地址在整个互联网范围内是唯一的。

处于不同网段内的主机必须有不同的网络标识。而处于同一网段内的主机的网络号表示相同，但主机号标识必须不同。所以，在某网段内新增一台主机后，该主机的网络号与该网段的网络号相同，但是主机号不能与该网段里的其他主机的主机号相同，比如两个B类网络，192.168.0.1和192.168.1.1，属于同一个的网络的不同子网，路由器可以实现互联。

通过合理设置网络号和主机号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都是唯一的。有一种DHCP技术，可以自动为网段内新增结点主机分配IP地址。一般的路由器都带有DHCP功能，因此路由器可以看做一个DHCP服务器。

这种两级的IP地址可以记为：IP地址 ：：={<网络号>,<主机号>}，其中::=表示"定义为"，下图中A~E类的IP地址给出了各种IP地址的网络号字段和主机号字段。其中A、B、C类地址都是单播地址(一对一通信)，是最常用的。D类地址用于多播(一对多通信)。E类地址保留为以后用。 【前面的数字代表类别位】

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4.2.1、点分十进制记法

对主机或路由器来说，IP地址都是32位的二进制代码。为了提高可读性，常常把32位的IP地址中的每8位用其等效的十进制数字表示，并且在这些数字之间加上一个点。这就叫点分十进制记法(dotted decimal notation)。

例子：一个B类IP地址，其二进制的表示为10000000 00001011 00000011 00011111，用点分十进制记法的表示为128.11.3.31

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5、常用的三种类别的IP地址

注：可以指派的网络是由网络号中没被固定的字节计算排列组合出来的。

5.1、A类IP地址

A类地址的网络号字段占1个字节(8位)，前面的1位(0)已经固定，只剩下7位可以进行分配。即可指派的网络号是126个(即2^7-2)。减2的原因是：

  • 网络号字段为全0的IP地址是个保留地址，意思是“本网络”。

  • 网络号为127(即01111111)保留作为本地软件环回测试(loopback test)，用于测试本主机的进程之间的通信。若主机发送一个目的地址为环回地址(例如 127.0.0.1)的IP数据报，则本主机中的协议软件就处理数据报中的数据，而不会把数据报发送到任何网络。目的地址为环回地址的IP数据报永远不会出现在任何网络上，因为网络号为127的地址根本不是一个网络地址。

A类地址的主机号占3个字节，因此每一个A类网络中的最大主机数是2^24-2(主机号多少个01组合就有多少个主机)，即16777214。减2的原因是：

  • 全0的主机号字段表示该IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址，即该主机所处局域网的网段(例如，一主机的IP地址为5.6.7.8，则该主机所在的网络地址就是5.0.0.0)。
  • 全1的主机号字段表示该IP地址是**“所有的”**，即该网络上的所有主机。

注：IP地址空间共有2^32(即4294967296)个地址。整个A类地址空间共有2^31个地址，占有整个IP地址空间的50%。

5.2、B类IP地址

B类地址的网络号字段占2个字节，但前面的2位(10)已经固定，只剩下14位可以进行分配。因为网络号后面的14位字段无论怎样组合都始终不可能出现网络号全0或全1的情况，所以不存在网络总数减2的情况，但是实际上B类网络地址128.0.0.0是不指派的（查最新的RFC文档，128.0这个B类第一个网络号已经可以分配了），而可以指派的B类最小网络地址是128.1.0.0。因此B类地址可指派的网络数是2^14-1，即16383。B类地址的每一个网络上的最大主机数是2^16-2，即65534，这里需要减2是因为要扣除全0和全1的主机号。

注：整个B类地址空间共约2^30个地址，占有整个IP地址空间的25%。

5.3、C类IP地址

C类地址的网络号字段占3个字节，但前面的3位(1 1 0)已经固定，只剩下21位可以进行分配。C类网络地址192.0.0.0是不指派的，而可以指派的C类最小网络地址是192.0.1.0。因此B类地址可指派的网络数是2^21-1，即2097151。C类地址的每一个网络上的最大主机数是2^8-2，即254，这里需要减2是因为要扣除全0和全1的主机号。

注：整个C类地址空间共约2^29个地址，占有整个IP地址空间的12.5%。

5.4、A、B、C类IP地址的指派范围

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一般不使用的特殊IP地址，特殊地址只能在特定情况下使用，如下所示

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5.5、IP地址特点

  1. 每一个IP地址都是由网络号和主机号两部分组成。从这个意义上说，IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：

    1. IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。
    2. 路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。

  2. 实际上IP地址是标准一台主机和一条链路的接口。

    1. 当一个主机同时连接到两个局域网网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多接口主机(multihomed host)。
    2. 由于一个路由器至少应当连接到两个局域网网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。

  3. 所有分配到网络号 net-id 的网络，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的（互联网平等对待每一个IP地址）。

  4. 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因为这些局域网都具有相同的网络号。

  5. 路由器总是具有两个或两个以上的 IP 地址。路由器的每一个接口都有一个不同网络号的 IP 地址。

  6. 两个路由器直接相连的接口处，可分配也可不分配IP地址。如分配IP 地址，则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊“网络” 。如N1，N2，N3。现在常不指明 IP 地址。这样的特殊网络叫做无编号网络或者无名网络

互联网中的IP地址：

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  • 左边红色区域：为C类地址的IP号，其中所有的主机都处于网段为222.1.3.0的区域，各个主机IP地址分别是222.1.3.1、222.1.3.2、222.1.3.3【处于同一网段内的主机的网络号表示相同，但主机号标识必须不同】
  • 图中的每一个路由器有三个IP地址，因为路由器的每个接口都有一个IP地址。
  • N1，N2，N3也可以称为网络，叫做无编号网络（有IP地址，但是由一段线构成）。

私有IP地址： 内部使用，专用网络，比如校园网

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路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发。要与外部互联网建立通信，需要通过网络地址转换NAT。

6、网络地址转换NAT

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是1994年提出的。当在专用网Lan内部的一些主机本来已经分配到了本地IP地址（即仅在本专用网内使用的专用地址），但现在又想和因特网上的主机通信（并不需要加密)，应当采取什么措施呢?最简单的办法就是设法再申请一些全球IP地址。但这在很多情况下是不容易做到的，因为全球IPv4地址已所剩不多了。目前使用得最多的方法 是采用网络地址转换NAT方法。

NAT转换原理

使用NAT时需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，NAT路由器至少有一个有效的外部全球地址。使用本地地址的主机和外界通信时，NAT 路由器使用NAT转换表将本地地址转换成全球地址，或将全球地址转换成本地地址。这样才能和互联网进行通信。

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如图给出了NAT路由器的工作原理，在图中，专用网192.168.0.0内所有主机的IP地址都是本地IP地址192.168.x.x。NAT路由器至少有一个公网IP，才能和因特网相连。图中NAT路由器的公网IP 172.38.1.5（路由器也可以具有多个公网IP）。

转换过程分析

(1)主机A发起通信-主机B

NAT路由器收到从专用网络内部的主机A发往因特网主机B的数据报：源IP地址：192.168.0.3，目的地址：213.18.2.4。NAT路由器把IP数据报的源IP地址192.168.0.3，转换为新的源IP地址（即NAT路由器的全球IP地址172.38.1.5）。【可以认为是一种代理】

(2)主机B发送应答-主机A

当主机B接受到数据报时以为主机A的IP地址就是172.38.1.5。因此主机B给主机A发送应答时，IP数据报首部的目的IP地址为这个NAT路由器的公网IP172.38.1.5。

实际上，即使主机B知道了主机A的私有IP，也并不能向这个私有IP发送数据，因为互联网上的路由器都不转发目的地址是专用网本地IP地址的IP数据报，因特网上的路由器发现目的IP是一个私有IP时，就会将数据丢掉。当NAT路由器收到互联网上的主机B发来的IP数据报时，还要进行一次IP地址的转换。通过NAT地址转换表，就可把IP数据报上的旧的目的P地址172.38.1.5，转换为新的目的P地址192.168.0.3（主机A真正的本地IP地址）。

NAT地址转换表举例

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由此可见，当NAT路由器具有n个全球IP地址时，专用网内最多可以同时有n台主机接入到互联网。这样就可以使专用网内较多数量的主机，轮流使用NAT路由器有限数量的全球IP地址。

注意：通过NAT路由器的通信必须由专用网内的主机发起。假如互联网上的主机要发起通信，当IP数据报到达NAT路由时，NAT路由器就不知道应当把目的IP地址转换成专用网内的哪一个本地IP地址。这就表明，这种专用网内部的主机不能充当服务器用，因为互联网上的客户无法请求专用网内的服务器提供服务。

NAPT

为了更加有效地利用NAT路由器上的全球IP地址，现在常用的NAT转换表把运输层的端口号也利用上。这样，就可以使多个拥有本地地址的主机，共用一个NAT路由器上的全球IP地址，因而可以同时和互联网上的不同主机进行通信。使用端口号的NAT也叫做网络地址与端口号转换NAPT，而不使用端口号的NAT就叫做传统的NAT。但在许多文献中并没有这样区分，而是不加区分地都使用NAT这个更加简洁的缩写词。下表说明了NAPT的地址转换机制。

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上面的NAT过程有个问题：主机B给主机A发送的应答数据通过NAT路由器的公有IP发送给了NAT路由器，可是NAT路由器怎么知道这个数据应该交给局域网的哪个主机呢?【因为专用网内不同的源IP地址都映射为同一个对外的全球IP地址】于是就需要端口号的存在

从上表可以看出，在专用网内主机192.168.0.3向互联网发送IP数据报【数据报内容多了端口号】，其TCP端口号选择为30000。NAPT把源IP地址和TCP端口号都进行转换（如果使用UDP，则对UDP的端口号进行转换。原理是一样的）。另一台主机192.68.0.4也选择了同样的TCP端口号30000这纯属巧合（端口号仅在本主机中才有意义）。现在NAPT把专用网内不同的源IP地址都转换为同样的全球IP地址。但对源主机所采用的TCP端口号（不管相同或不同），则转换为不同的新的端口号。因此，当NAPT路由器收到从互联网发来的应答时，就可以从IP数据报的数据部分找出运输层的端口号，然后根据不同的目的端口号，从NAPT转换表中找到正确的目的主机。

NAT转换表中存放着{本地IP地址:端口}到{全球IP地址:端口}的映射。通过{ip地址:端口}这样的映射方式，可让多个私有IP地址映射到同一个全球IP地址，但是端口映射后是不一样的

说明：WAN / LAN 端

  • WAN端：广域网端又称为外网端
  • LAN端：局域网端又称为内网端

7、IP地址与MAC地址

学习IP地址时，很重要的一点是要弄懂主机的IP地址与硬件地址的区别。

MAC地址其实就是主机的物理地址，因为网卡的不同所以每个主机的物理地址是不同的。

下图说明了这两种地址的区别。从层次的角度看，物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（因为IP地址是用软件实现的～）。在发送数据时，数据从高层下到底层，然后才到通信链路上传输。使用IP地址的IP数据报一旦交给了数据链路层，就被封装成MAC帧。MAC帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址，这两个硬件地址都写在MAC帧的首部中。

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由上图可知，IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址放在MAC帧的首部。在网络层和网络层以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址。在数据链路层看不见数据报的IP地址(因为IP数据报从上至下传到链路层已经封装成了MAC帧的数据部分了)。只有在剥去MAC帧的首部和尾部后，把MAC帧的数据部分上交给网络层后，网络层才能在IP数据报的首部中找到源IP地址和目的IP地址。

总结：

  1. 在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报；
  2. 虽然在IP数据报首部有源站IP地址，但路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择；
  3. 在局域网的链路层，只能看见MAC帧；
  4. IP层抽象的互联网屏蔽了下层这些很复杂的细节。只要我们在网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或路由器之间的通信。

8、地址解析协议ARP

根据上面的阐述，主机或路由器怎样知道应当在MAC帧的首部填入什么样的硬件地址？在实际的应用中，我们经常也会遇到这样一个问题：已经知道了一个机器的IP地址，需要找出其相应的物理地址。地址解析协议（ARP）就是用来解决这样的问题的。下图说明了这种协议的作用

ARP高速缓存(IP地址与MAC地址的映射)

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1、局域网内部发送数据的过程

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1号主机给3号主机发送数据过程：

  • 传输层：把报文切割为报文段
  • 网络层：对报文段进行封装成分组，添加1号主机IP地址和3号主机IP地址。
  • 数据链路层：对分组进行封装成数据帧，添加源MAC地址和目的MAC地址，现在不知道目的主机是哪一个，如何添加目的MAC地址呢？——ARP协议

image.png IP地址只是在网络层标识每一个主机或路由器接口，数据链路层是靠MAC地址标识。

ARP协议过程

  • 数据链路层：将得到的MAC3添入，然后加一个尾部FCS，构成数据帧，再放入物理层上传输。
  • 物理层：形成数字信号或模拟信号，放到链路上传播
  • ARP高速缓存：局域网内部主机IP地址与MAC地址的映射

ARP协议过程：

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  • 广播一个ARP的分组请求，广播分组包括：
    • 1号主机IP地址；
    • 目的MAC地址所对应的主机的IP地址；
    • 1号主机MAC地址；
    • 目的MAC地址（全1，表示广播地址，别和IP地址主机号的全1混淆了）。
    • 交换机会在所有端口转发广播地址，故2号主机、3号主机和路由器端口都会收到1号主机的广播分组。
  • 单播ARP响应分组：
    • 3号主机根据IP地址知道这是发送给自己的，于是单播一个ARP响应分组给1号主机（单播：直接到1号主机）。
    • 该响应分组包括3号主机的IP地址和3号主机的MAC地址的映射。

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不同局域网之间发送数据过程（目的地址为默认网关的MAC地址）

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不在一个局域网内部，1号主机和5号主机通信过程：

  1. ARP高速缓存存储的是局域网内部IP地址与MAC地址的映射，1号主机IP地址与5号主机IP地址相与，发现与5号主机不在同一网段内。
  2. 若1号主机在专用网中，那么先将1号主机的私有IP地址根据NAT路由器转换表，将LAN端的私有IP地址转换为WAN端的路由器IP地址。此时数据报就可以在因特网中被识别和转发。
  3. 目的地址为默认网关的MAC地址：1号主机查询默认网关（与外界沟通的路由器）的MAC地址MAC6，并添入到目的地址。

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得到MAC6的过程：

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  1. 1号主机广播ARP请求分组，因为要的到路由器的MAC地址，所以目的IP地址为路由器的IP地址。
  2. 路由器单播ARP响应分组，得到MAC地址MAC6。
  3. 到IP6路由器后，IP地址不变，再次通过ARP 协议得到第二个路由器的MAC地址MAC8，源地址就变成MAC7，目的地址就变成MAC8。
  4. 到第二个路由器后，还是通过ARP协议得到MAC5。源地址就变成MAC9，目的地址就变成MAC5。

ARP协议总结

为什么使用ARP协议：由于在实际网络的链路上传送数据帧时，最终必须使用MAC地址。

ARP协议功能：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。解决下一跳走哪的问题。

ARP协议使用过程:

  • 检查ARP高速缓存，有对应表项则写入MAC帧，没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组，同一局域网中所有主机都能收到该请求。
  • 目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP响应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存( ARP缓存也有生存周期TTL：10-20min更新一次)。

ARP协议4种典型情况:

  1. 主机A发给本网络上的主机B：用ARP找到主机B的硬件地址;
  2. 主机A发给另一网络上的主机B：用ARP找到本网络上一个路由器(网关)的硬件地址;
  3. 路由器发给本网络的主机A：用ARP找到主机A的硬件地址;.
  4. 路由器发给另一网络的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。

ARP协议为IP协议提供服务：ARP协议是处于链路层和网络层中间的协议，因为它结合了IP地址和MAC地址。主要划分到网络层，为IP协议提供服务。

主机发送IP数据报给主机B，经过了5个路由器，请问此过程总共使用了几次ARP协议?——6次，如果路由器之间是点对点协议，则2次。

ARP地址解析协议详解

网络层的ARP协议完成IP地址与物理地址的映射。

  • 首先，每台主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个ARP缓存表，以表示IP地址和MAC地址的对应关系。
  • 当源主机需要将一个数据包发送到目的主机时，会首先检查自己ARP缓存表中是否存在该IP地址对应的MAC地址：
    • 如果有，就直接将数据包发送到这个MAC地址；
    • 如果没有，就向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询此目的主机对应的MAC地址。此ARP请求数据包里包括源主机的IP地址、硬件地址、以及目的主机的IP地址。网络中所有的主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。
      • 如果不相同就忽略此数据包；
      • 如果相同，该主机首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中
        • 如果ARP表中已经存在该IP的信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找的MAC地址；源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。
        • 如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败

9、DHCP协议（动态获取IP地址等、应用层协议）

9.1、主机如何获得IP地址

主机获得IP地址的方法主要有两种：

  • 静态配置

    网吧、机房里管理员手动配置给各台机器。配置的内容有IP地址、子网掩码、默认网关

  • 动态分配

    动态移动的设备 比如手机、笔记本总是能够自动的被分配IP地址。

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9.2、DHCP协议

动态主机配置协议：Dynamic Host Configuration Protocol

DHCP协议概念：动态主机配置协议DHCP是应用层协议，使用客户/服务器方式，客户端和服务端通过广播方式进行交互，基于UDP。

DHCP协议功能：DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址，允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。

DHCP协议流程：

  1. 主机广播DHCP发现报文：“有没有DHCP服务器呀?” 试图找到网络中的服务器，服务器获得一个IP地址。
  2. DHCP服务器广播DHCP提供报文：“有! ”“有!”“有!” 服务器拟分配给主机一个IP地址及相关配置，先到先得。
  3. 主机广播DHCP请求报文：“我用你给我的IP地址啦?” 主机向服务器请求提供IP地址。为什么这里还用广播呢？通知其他DHCP服务器，不要再等我了，把你的IP地址给其他人吧。
  4. DHCP服务器广播DHCP确认报文：“用吧! ” 正式将IP地址分配给主机。

10、IP层分组转发流程

注：在互联网上转发分组时，是从一个路由器转发到下一个路由器。总之，在路由表中，对每一条路由最主要的是以下两个信息：（目的网络地址，下一跳地址）。【涉及默认路由和特定路由】

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于是根据目的网络地址来确定下一跳路由器，这样做的结果如下：

  • IP数据报最终一定可以找到目的主机所在目的网络上的路由器(可能要通过多次的间接交付)。
  • 只有到达最后一个路由器时，才试图向目的主机进行直接交付。

路由表中下一跳路由器： 各个网络之间通过路由器连接，IP数据报的首部中没有地方可以用来指明“下一跳 路由器的IP地址”。当路由器收到待转发的数据报，不是将下一跳路由器的IP地址填入IP数据报，而是送交下层的网络接口软件。网络接口软件使用ARP协议负责将下一跳路由器的IP地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层的MAC帧的首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。

注：当发送一连串的数据报时，上述的这种查找路由表、计算硬件地址、写入MAC帧的首部等过程，将不断地重复进行，造成了一定的开销。尽管如此，也不能在路由表中直接使用硬件地址，因为使用抽象的IP地址，就是为了屏蔽各种底层网络的复杂性而便于分析和研究问题，这样就不可避免地多了一些开销。

路由器分组转发算法

  • (1) 从数据报的首部提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地 址为N。
  • (2) 若网络N与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机D；否则是间接交付，执行(3)。
  • (3) 若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行 (4)。
  • (4) 若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。
  • (5) 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。
  • (6) 报告转发分组出错。

路由表没有给分组指明到某个网络的完整路径。路由表指出，到某个网络应当先到某个路由器（即下一跳路由器）。 在到达下一跳路由器后，再继续查找其路由表，知 道再下一步应当到哪一个路由器。这样一步一步地查找下去，直到最后到达目的网络。

11、IP协议的特点

  • IP协议是一种无连接、不可靠的分组传送服务的协议。
  • IP协议是网络层通信协议。IP协议是针对原主机-路由器、路由器-路由器、路由器-目的主机之间的数据传输的点-点线路的网络层通信协议。
  • IP协议屏蔽了网络在数据链路层、物理层协议与实现技术上的差异，IP协议使得异构网络的互联变得容易了。
  • IP分组/IP数据报是数据传送的基本单元，IPv4，即现在普遍使用的IP协议（版本为4）。IP协议定义数据传送的基本单元——IP分组/IP数据报及其确切的数据格式。IP协议也包括一套规则，指明分组如何处理、错误怎样控制。特别是，IP协议还包括非可靠投递的思想（对于出错的分组丢弃并发送一个ICMP差错报文），以及与此关联的分组路由选择的思想。
  • IP协议：不可靠（对于出错的分组丢弃并发送一个ICMP差错报文），无连接（分组交换的数据报方式就是无连接的），采用分组交换技术（数据报方式）。
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