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计算机网络笔记(二十)——4.2网际协议IP

news 2025/5/11 16:57:29

4.2.1 虚拟互连网络

虚拟互连网络（Virtual Interconnected Network）指通过统一的网络层协议（如 IP 协议），将不同物理网络在逻辑上互联为一个整体。其目标是屏蔽底层异构网络的差异（如物理介质、数据链路层协议），使上层应用无需关心具体物理网络的细节。

核心思想

统一寻址：
- 用全局唯一的 IP 地址 替代物理网络地址（如 MAC 地址），使不同网络的设备可通过统一的逻辑地址通信。
路由器转发：
- 通过 路由器 在不同网络间转发数据包，基于 IP 地址进行路由选择。
协议封装：
- 将高层数据封装为统一的 IP 数据报，适配不同底层网络的帧格式和传输要求。

关键组件

IP 协议：
- 提供统一的虚拟网络层，使跨网络通信透明化。
路由器：
- 在不同网络间转发数据包，维护路由表以确定最佳路径。
IP 地址：
- 全局分配的地址，标识网络接口，如 192.168.1.1。

工作流程

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为什么要虚拟互连？

异构网络兼容：
- 不同网络的物理层和数据链路层可能完全不兼容（如以太网、Wi-Fi、卫星通信），IP 层将它们抽象为统一接口。
简化上层协议：
- 应用层和传输层无需处理底层网络的差异，专注于数据传递逻辑。

示例：跨网络通信

假设主机 A（IP: 10.1.1.2，以太网）需和主机 B（IP: 172.16.2.5，Wi-Fi）通信：

封装：
- 主机 A 将数据封装为 IP 数据报（源 IP: 10.1.1.2，目标 IP: 172.16.2.5）。
路由：
- 通过路由器查找目标网络，逐跳转发。
解封装：
- 数据最终到达主机 B，移除 IP 头并提交给传输层。

网络拓扑图

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关键总结

虚拟互连网络通过 IP 协议屏蔽物理差异，实现跨网络通信。
路由器是虚拟网络的枢纽，负责根据 IP 地址选择最佳路径。
IP 地址是逻辑核心，确保全局可达性与统一寻址。

4.2.2 IP地址

一、IP地址基本概念

IP地址（Internet Protocol Address）是给互联网上的每个网络设备分配的逻辑地址，用于实现网络间的通信和路由选择。IPv4地址长度为32位（4字节），IPv6地址长度为128位。


┌───────────────────────────────┐
│   IPv4地址：32位二进制 → 点分十进制表示  │
│   e.g. 11000000.10101000.00000001.01100101 → 192.168.1.101  │
└───────────────────────────────┘

二、IPv4地址分类（经典分类）

类别	首字节范围	结构	适用场景	有效网络数	每网络主机数
A类	1-126	0+网络号(7b)+主机号(24b)	超大型机构	126	16,777,214
B类	128-191	10+网络号(14b)+主机号(16b)	中型企业	16,384	65,534
C类	192-223	110+网络号(21b)+主机号(8b)	小型网络	2,097,151	254
D类	224-239	1110+多播地址	组播通信	-	-
E类	240-255	1111+保留	实验用途	-	-

三、特殊IP地址

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四、子网划分与CIDR

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子网掩码示例：

IP地址：192.168.1.100  
子网掩码：255.255.255.0 → /24  
网络地址：192.168.1.0  
可用主机范围：192.168.1.1 ~ 192.168.1.254  
广播地址：192.168.1.255

五、私有地址范围

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六、IP地址分类图（结构）

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七、IPv6简介（对比IPv4）

+-----------------+---------------------+
| 特征             | IPv4      | IPv6      |
+-----------------+---------------------+
| 地址长度         | 32位      | 128位     |
| 地址表示         | 点分十进制 | 冒分十六进制|
| 示例            | 192.168.1.1 | 2001:db8::1 |
| 是否支持自动配置 | 需要DHCP   | 原生支持   |
+-----------------+---------------------+

4.2.3 IP地址与MAC地址

一、基础概念

IP地址：
- 定义：网络层标识符（逻辑地址），用于跨网络通信
- 版本：IPv4（32位）、IPv6（128位）
- 结构：网络号.主机号（可分层寻址）
- 示例：192.168.1.100/24
MAC地址：
- 定义：数据链路层标识符（物理地址），用于局域网通信
- 长度：48位（6字节）
- 结构：厂商OUI（24位） + 设备编号（24位）
- 示例：00:1A:2B:3C:4D:5E

二、核心区别

特征	IP地址	MAC地址
层次性	分层结构（网络/主机）	平面结构
作用范围	全局唯一	局域网唯一
修改性	动态分配（DHCP/NAT）	固化在硬件中
协议层	网络层	数据链路层

三、ARP协议工作流程

场景：当主机A（IP 192.168.1.2）需要与主机B（IP 192.168.1.3）通信：

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过程解析：

ARP请求：广播查询目标IP的MAC地址
ARP响应：目标主机单播响应携带MAC地址
缓存机制：维护ARP表（有效期15-20分钟）

四、典型案例分析

某路由器转发IP数据包时的地址变化：

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关键要点：

IP地址：全程保持不变（端到端）
MAC地址：每经过一个数据链路层就改变
路由器作用：修改帧头MAC地址，转发至下一跳

五、关键问答

Q：为何需要同时使用IP与MAC地址？

A：

网络分层：IP解决跨网络路由，MAC解决链路层直连通信
地址分配：IP可动态管理，MAC永久硬件标识
工作范围：IP实现全球寻址，MAC限定本地网络通信

典型场景：访问www.example.com时先DNS解析IP地址，再通过ARP获取网关MAC地址。

六、RARP协议拓展

作用：通过MAC地址反向查询IP地址（适于无盘工作站）
流程：广播MAC地址→ RARP服务器分配对应IP

4.2.4 地址解析协议ARP

一、ARP 的作用

ARP 是网络层协议（工作在网络层与数据链路层之间），将已知的 IP 地址解析为对应的 MAC 地址，解决同一局域网内设备通信时的地址映射问题。

二、为什么需要 ARP？

IP 与 MAC 的分工
- IP 地址：逻辑地址（网络层），负责跨网络的端到端寻址
- MAC 地址：物理地址（数据链路层），负责同一局域网内的直接通信
- ARP 的价值：在网络中传输数据时，直接通信需基于 MAC 地址，而应用程序使用的是 IP 地址。
典型案例
当主机 A 向同一子网的主机 B 发送数据时，数据链路层需要封装目标 MAC 地址，但 A 只知道 B 的 IP 地址，此时需 ARP 查询。

三、ARP 工作原理

流程图

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分步说明

ARP 请求（广播）
- 主机 A 的 ARP 缓存表中没有 IP_B 的映射时，广播发送 ARP 请求包。
- 请求包内容：
```
发送方IP: IP_A  
发送方MAC: MAC_A  
目标IP: IP_B  
目标MAC: FF-FF-FF-FF-FF-FF（广播地址）
```
ARP 响应（单播）
- 主机 B 收到请求，识别目标 IP 与自己一致，单播回复 ARP 响应。
- 响应包内容：
```
发送方IP: IP_B  
发送方MAC: MAC_B  
目标IP: IP_A  
目标MAC: MAC_A
```
缓存更新
- 主机 A 收到响应后，将 IP_B → MAC_B 的映射存入 ARP 缓存表（有效期通常为 15–20 分钟）。

四、关键机制解析

ARP 缓存表（ARP Cache）
- 作用：避免重复广播，提升效率。
- 查看命令（Linux/Windows）：
```
arp -a        # 显示所有 ARP 缓存条目
arp -d <IP>   # 删除指定条目
```
代理 ARP（Proxy ARP）
- 场景：当目标主机位于不同子网时，路由器代替目标主机回应 ARP 请求。
- 流程：
  1. 主机 A 广播查询网关的 MAC 地址。
  2. 网关回应自己的 MAC 地址。
  3. 数据包的下一跳由网关转发。
免费 ARP（Gratuitous ARP）
- 作用：检测 IP 地址冲突或更新其他主机的 ARP 缓存。
- 特征：发送方的 IP 与目标 IP 字段相同。

五、ARP 报文格式

|  硬件类型  |  协议类型  | 硬件地址长度 | 协议地址长度 |   操作类型   |
|------------|------------|-------------|-------------|-------------|
|       发送方MAC地址        |        发送方IP地址         |
|       目标MAC地址          |        目标IP地址           |

操作类型：1（请求）、2（响应）
MAC 地址字段：全0表示待解析。

六、常见攻击与防御

ARP 欺骗（ARP Spoofing）
- 攻击者伪造虚假的 IP-MAC 映射，劫持流量。
防御方法：
- 静态 ARP 绑定（手动设置关键设备的 ARP 条目）。
- 动态 ARP 检测（DAI，网络设备自动监测异常 ARP 包）。

七、总结

ARP 通过广播查询和单播响应的方式解决 IP 到 MAC 的映射问题，是局域网通信的基础。理解 ARP 后，学习 ICMP、DHCP 等协议会更顺畅。

4.2.5 IP数据报的格式

IPv4数据报的格式由固定首部（20字节）和可变选项部分（最多40字节）组成

IPv4数据报格式

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各字段详解

版本（Version - 4bit）
表示IP协议版本号，IPv4固定为0100（二进制），对应十进制4。
首部长度（IHL - 4bit）
以4字节为单位标识IP首部长度，取值范围5~15（对应实际长度20~60字节）。
区分服务（TOS - 8bit）
用于QoS（服务质量），包含优先级（3bit）、延迟、吞吐量、可靠性、代价等标记。
总长度（Total Length - 16bit）
整个数据报的最大长度为65535字节，包含首部和数据部分。
标识（Identification - 16bit）
分片时唯一标识同一原始数据报的分片，接收端通过此值重组报文。
标志（Flags - 3bit）
- 第1位（保留未用）
- 第2位（DF - Don’t Fragment）：设置时禁止分片，若MTU不足则丢弃并返回ICMP错误。
- 第3位（MF - More Fragments）：除最后一个分片外，其他分片此位均置1。
片偏移（Fragment Offset - 13bit）
以8字节为单位，标识分片在原始数据报中的位置。例如偏移值为185表示分片起始位置为185*8=1480字节。
生存时间（TTL - 8bit）
每经过一次路由减1，TTL=0时丢弃报文，防止循环。
协议（Protocol - 8bit）
上层协议类型：
- TCP=6，UDP=17，ICMP=1。
首部校验和（Checksum - 16bit）
仅计算首部的错误校验，转发时每跳路由器重新计算。
源/目的IP地址（各32bit）
32位IPv4地址。
选项和填充（Options + Padding - 可变长度）
- 可选功能（如路由记录、时间戳）。
- 填充确保首部长度为4字节的倍数。
数据部分（Data）
包含上层协议数据（如TCP段或UDP数据报）。