IP协议的地址管理详解

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IP协议的地址管理详解

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CSDN

https://blog.csdn.net/telasi2004/article/details/142996509

IP协议是互联网通信的基础，它定义了数据在网络中传输的规则和格式。本文将详细介绍IP协议的地址管理机制，包括IP协议格式、动态IP分配、NAT机制、网段划分、特殊IP地址以及DNS域名解析系统等内容。

一. IP协议格式

IP协议的格式定义了数据包在网络中传输时的结构。具体来说：

4位版本号(version)：指定IP协议的版本（IPv4），对于IPv4来说，就是4。
4位头部长度(header length)：IP头部的长度，单位是4字节，IP头部最大长度是60字节。
8位服务类型(Type Of Service)：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段，和1位保留字段（必须置为0）。4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。这四者相互冲突，只能选择一个。
16位总长度(total length)：IP数据报整体占多少个字节。（最大64KB，虽然长度小，但是IP地址提供了拆包组包的机制）
16位标识(id)：唯一的标识主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面这个id都是相同的。
3位标志字段：第一位保留（保留的意思是现在不用，但是还没想好说不定以后要用到）。第二位置（DF，Don't Fragment）为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文。第三位表示"更多分片"（MF，More Fragments），如果分片了的话，最后一个分片置为0，其他是1。
13位分片偏移(framegament offset)：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。单位为8个字节。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置。（相对于IP数据报的载荷计算，不包括IP头）
8位生存时间(Time To Live, TTL)：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。
8位协议：表示上层协议的类型。
16位头部校验和：使用 Internet Checksum 进行校验，来鉴别头部是否损坏。
32位源地址和32位目标地址：表示发送端和接收端。

二. 地址管理

IP地址是一个32位的整数，为了方便，将其表示成点分十进制的形式，通过3个点分成4个部分，每个部分1个字节，每个部分取值0-255。32位的整数所能表示的数据范围为大约为42亿9千万。那我们就会发现，全球70亿人，每人分配一个地址都不够用，况且我们很多人不止一台设备。因此地址管理应运而生。

1.动态分配IP地址

考虑到全世界的设备不是在同一时刻上网，采用用时分配、不用时回收的方式更充分地利用现有的IP地址。（权宜之计，并没有解决根本问题）。

2.NAT机制

一个路由器可以配置两个IP地址，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP(子网IP)。

子网内的主机需要和外网进行通信时，路由器将IP首部中的IP地址进行替换(替换成WAN口IP)，这样逐级替换，最终数据包中的IP地址成为一个公网IP。这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地址转换)。

先把IP地址分成两个大类，即私网IP和公网IP。

私网IP/局域网IP：10.、172.16-172.31.、192.168.这三类地址；
公网IP/广域网IP：剩下的IP。

要求公网上的设备，对应公网的IP，都必须是唯一的。但私网上的设备，使用私网IP，只需要保证私网内部的IP不重复即可，不同的局域网之内的IP允许重复，这样就大大提高了IP的复用率。

由于上述规定，就有一个重要的限制：

公网设备访问公网设备，没有任何问题，直接访问即可；
局域网设备访问局域网设备（同一个局域网内），允许访问；
局域网设备访问局域网设备（不同局域网内），不允许访问；
局域网设备访问公网设备，需要对局域网设备的IP地址进行转换；
公网设备访问局域网设备，不允许主动访问；

就比如说，某些校内资源，不使用校园网，就无法访问：此时你如果用的是家里的wifi,那就是不同局域网内，局域网设备不允许访问局域网设备；你如果使用流量，那就是公网设备不允许主动访问局域网设备。

2.1 NAT机制下网络的请求/响应

发送请求的过程其实很简单，只是需要在路由器处转换IP地址为公网地址。但是如何返回响应呢？返回的响应如何找到替换前的IP地址呢？

这就要求路由器在转换IP地址时要进行记录：

替换前的IP 替换后的IP 目的IP 源端口目的端口
192.168.1.10 5.6.7.8 1.2.3.4 10000 9090

如果有多条记录，又该怎么样进行区分呢：

如果局域网内的各个设备访问的是不同的服务器，路由器就可以通过服务器的IP地址来进行区分；
如果局域网的各个设备访问的是同一个服务器，路由器可以通过源端口进行区分；
如果局域网的各个设备访问的是同一个服务器，而且系统分配的端口又恰好一样，此时就要对端口进行映射，通过映射后的端口来进行区分。

替换前的IP 替换后的IP 目的IP 源端口替换后的端口目的端口
192.168.1.10 5.6.7.8 1.2.3.4 10000 10001 9090
192.168.1.20 5.6.7.8 1.2.3.4 10000 10002 9090

3. 网段划分

把一个IP地址，分成两个部分。即网络号+主机号。

网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识;
主机号：同一网段内, 主机之间具有相同的网络号, 但是必须有不同的主机号;
注意：

一个局域网中，网络号和主机号都相同，这个时候是无法上网的；
一个局域网中，网络号和主机号都不相同，也是无法上网的（无法与局域网内的设备通信，也无法通过连接的路由器与公网的设备通信）；
两个相邻的局域网，网络号不能相同。
那在32位IP地址中，网络号和主机号是如何划分的呢？通过子网掩码（subnet mask）来区分：