计算机网络---IP（互联网协议）

一、IP协议概述

互联网协议（Internet Protocol，IP）是TCP/IP协议族的核心成员，位于OSI模型的网络层（第三层），负责将数据包从源主机传输到目标主机。它是一种无连接、不可靠的协议，提供“尽力而为”的数据包交付服务，依赖上层协议（如TCP）实现可靠性。

1.1 协议定位

• 核心功能：寻址与路由选择，即根据IP地址确定数据包的路径。
• 协议栈位置：上层承载TCP、UDP等传输层协议，下层依赖以太网、Wi-Fi等链路层协议。
• 版本演进：
  • IPv4（1981年，RFC 791）：目前最广泛使用的版本，32位地址空间。
  • IPv6（1998年，RFC 2460）：为解决IPv4地址耗尽问题设计，128位地址空间。

1.2 关键特性

• 无连接：每个数据包独立路由，无需建立连接（对比TCP的三次握手）。
• 不可靠：不保证数据包按序、完整到达，丢失或出错时不主动通知。
• 尽力而为：仅提供基本传输服务，依赖上层协议（如TCP）实现可靠性。
• 异构网络互联：屏蔽底层网络差异，使不同类型的网络（如以太网、Wi-Fi、广域网）能互联互通。

二、IP协议的工作原理

IP协议的核心功能是寻址和路由，通过IP地址标识主机，并通过路由算法确定数据包的传输路径。

2.1 寻址机制

• IP地址：32位（IPv4）或128位（IPv6）的标识符，用于唯一标识网络中的设备。（数字虚拟地址，就像现实中的地址，可以标识网络中的一个节点，数据就是通过它来找到目的地）
• 分层结构：IPv4地址分为网络号和主机号两部分（如192.168.1.1中，192.168.1为网络号，1为主机号）。
• 子网掩码：用于划分IP地址的网络号和主机号（如255.255.255.0表示前24位为网络号，后8位为主机号）。
  

2.2 路由选择

• 路由器：网络层设备，根据IP地址转发数据包。
• 路由表：存储网络前缀与下一跳地址的映射关系，路由器据此决定数据包的转发路径。
• 路由算法：动态路由协议（如OSPF、BGP）自动更新路由表，适应网络拓扑变化。

2.3 数据包格式

• IPv4数据包：

  • 首部：固定20字节（可选字段最多40字节），包含版本、首部长度、服务类型、总长度、标识、标志位、片偏移、生存时间（TTL）、协议、首部校验和、源IP、目的IP等字段。
  • 数据部分：上层协议数据（如TCP/UDP报文）。
    

• IPv6数据包：

  • 基本首部：固定40字节，简化结构（如取消首部校验和，分片由源主机处理）。
  • 扩展首部：可选，用于支持更多功能（如认证、分片）。
  • 数据部分：同IPv4。

2.4 工作流程

1.电脑

2.交换机

3.路由器

三、IPv4地址

IPv4地址是32位二进制数，通常表示为点分十进制（如192.168.1.1）。

3.1 地址分类（历史分类）

IPv4地址范围0.0.0.0 ~ 255.255.255.255
网络号代表所在的网段，主机号表示同网段下的设备
早期IPv4地址分为五类：

• A类（大规模网络）：0.0.0.0-127.255.255.255，默认子网掩码255.0.0.0（/8），前8位为网络号，后24位为主机号。
• B类（中规模网络）：128.0.0.0-191.255.255.255，默认子网掩码255.255.0.0（/16），前16位为网络号，后16位为主机号。
• C类（小规模网络）：192.0.0.0-223.255.255.255，默认子网掩码255.255.255.0（/24），前24位为网络号，后8位为主机号。
• D类（多路广播网络）：224.0.0.0-239.255.255.255，用于组播。
• E类（保留地址）：240.0.0.0-255.255.255.255，保留用于科学研究。

局限性：地址分配不均（如A类地址浪费严重），已被CIDR取代。

复杂子网掩码示例 255.255.255.252

子网掩码规定换成二进制后前面必须是连续的1，后面是连续的0，不可能出现255.255.255.1这样的子网掩码

3.2 CIDR（无类别域间路由）

• 背景：解决IPv4地址耗尽问题，替代传统分类。
• 原理：使用“/前缀长度”表示子网掩码（如192.168.1.0/24等价于255.255.255.0）。
• 优势：支持更灵活的地址分配（如可分配/26、/27等非标准子网）。

一个网段可用的地址数量为$2^n$-2（n为主机部分的比特位数）

3.3 特殊IP地址

• 回环地址：127.0.0.1（localhost），用于本地主机通信。
• 广播地址：
  • 直接广播：特定网络的广播地址（如192.168.1.255/24）。
  • 有限广播：255.255.255.255，用于本网段内广播。
• 私有IP地址：
  • A类：10.0.0.0-10.255.255.255（/8）
  • B类：172.16.0.0-172.31.255.255（/12）
  • C类：192.168.0.0-192.168.255.255（/16）
• 0.0.0.0：表示“任意地址”，用于路由表中的默认路由或主机启动时。

3.4 子网划分

• 目的：提高地址利用率，隔离网络流量。
• 方法：借用主机位作为子网位（如将/24划分为两个/25子网）。
• 计算示例：
  • 原网络：192.168.1.0/24（256地址，可用254，除去了第一个和最后一个）。
  • 划分为两个子网：
    • 子网1：192.168.1.0/25（128地址，可用126），广播地址192.168.1.127。
    • 子网2：192.168.1.128/25（128地址，可用126），广播地址192.168.1.255。

四、IPv6地址详解

IPv6为解决IPv4地址耗尽问题而设计，采用128位地址空间，提供约3.4×10³⁸个地址。

4.1 地址表示

• 冒分十六进制：每16位用冒号分隔，如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。
• 零压缩：连续的零可简化为双冒号（::），但只能出现一次。
  • 示例：2001:0db8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab → 2001:db8::1428:57ab。
• 内嵌IPv4地址：兼容IPv4的地址，如::ffff:192.168.1.1。

4.2 地址类型

• 单播地址：唯一标识一个接口，数据包传至该地址。
  • 全球单播地址：2000::/3，全球可路由的公网地址。
  • 链路本地地址：fe80::/10，仅在本地链路内通信（如同一交换机下的设备）。
  • 唯一本地地址：fc00::/7，私有地址，类似IPv4的私有地址。
• 组播地址：ff00::/8，数据包传至所有加入该组的接口。
• 任播地址：从一组接口中选择最近的一个（路由意义上的最近）。

4.3 关键特性

• 无广播地址：用全节点组播地址（ff02::1）替代。
• 自动配置：支持无状态自动配置（通过RA消息获取前缀）和有状态配置（DHCPv6）。
• 简化首部：固定40字节，取消分片、首部校验和等字段。
• 安全性增强：强制支持IPsec（IP安全协议），提供加密和认证。

五、IP地址分配与管理

IP地址的分配需遵循全球统一的规则，确保唯一性和高效利用。

5.1 分配机构

• IANA（互联网号码分配局）：全球最高管理机构，分配地址块给RIR。
• RIR（区域互联网注册管理机构）：
  • ARIN（北美）
  • RIPE NCC（欧洲、中东、中亚）
  • APNIC（亚太地区）
  • LACNIC（拉丁美洲）
  • AfriNIC（非洲）
• ISP（互联网服务提供商，如移动，电信，联通）：从RIR获取地址块，分配给用户。

5.2 动态分配（DHCP）

• DHCP（动态主机配置协议）：自动分配IP地址、子网掩码、网关等配置。
• 工作流程：
• DHCP Discover：客户端广播请求。
• DHCP Offer：服务器响应可用IP。
• DHCP Request：客户端请求特定IP。
• DHCP ACK：服务器确认分配。
• 租期管理：IP地址有租用期限，到期需续租或重新分配。

5.3 静态分配

• 手动配置：管理员为设备手动分配固定IP地址。
• 适用场景：服务器、网络设备（如路由器）等需固定IP的设备。

5.4 NAT（网络地址转换）

• 背景：缓解IPv4地址耗尽问题，允许多台内网设备共享一个公网IP。
• 工作原理：
  • SNAT（源NAT）：修改数据包的源IP地址（如将内网192.168.1.1转换为公网203.0.113.1）。
  • DNAT（目的NAT）：修改数据包的目的IP地址（如将公网流量转发至内网服务器）。
• 实现方式：
  • 静态NAT：一对一映射。
  • 动态NAT：多对多映射。
  • NAPT（网络地址端口转换）：最常见，多对一映射，通过端口号区分不同连接。

六、IP协议的高级特性

IP协议不仅提供基础传输功能，还支持多种高级特性以适应复杂网络环境。

6.1 IP分片与重组

• 原因：链路层MTU（如以太网1500字节）可能小于IP数据包长度，需分片。
• 分片字段：
  • 标识（Identification）：同一数据包的所有分片使用相同标识。
  • 标志（Flags）：MF（More Fragments）指示是否有后续分片，DF（Don’t Fragment）禁止分片。
  • 片偏移（Fragment Offset）：该片在原数据包中的相对位置（以8字节为单位）。
• 重组：目标主机根据标识、标志和片偏移重组数据包。

6.2 服务质量（QoS）

• IPv4中的TOS字段：8位，前3位为DSCP（差分服务代码点），后2位为ECN（显式拥塞通知）。
• IPv6中的Traffic Class字段：类似IPv4的TOS，提供流量分类和优先级。
• 应用：区分语音、视频等实时流量与普通数据流量，优先保障高优先级流量。

6.3 生存时间（TTL）

• 作用：防止数据包在网络中无限循环（每经过一个路由器，TTL减1，为0时丢弃）。
• 典型值：Linux默认64，Windows默认128。
• 应用：ping命令通过TTL判断目标主机操作系统类型。

6.4 IPsec（IP安全协议）

• 功能：提供IP层的加密和认证，保障数据完整性和机密性。
• 主要协议：
  • AH（认证头部）：提供数据完整性和源认证，不加密数据。
  • ESP（封装安全载荷）：提供加密和可选认证。
• 工作模式：
  • 传输模式：仅加密数据部分，适用于端到端通信。
  • 隧道模式：加密整个IP数据包，适用于VPN等网络到网络通信。

七、IP协议相关工具与应用

7.1 ping命令

• 作用：测试两台主机间的连通性。
• 原理：发送ICMP Echo Request包，接收ICMP Echo Reply包。
• 常用参数：
  • -c：指定发送次数。
  • -i：指定间隔时间。
  • -t：设置TTL值。

7.2 traceroute（Linux）/tracert（Windows）

• 作用：显示数据包从源到目标所经过的路由器路径。
• 原理：通过逐步增加TTL值，迫使路由器返回ICMP Time Exceeded消息。
• 典型输出：显示路由器IP、响应时间。

7.3 ifconfig/ip addr（Linux）、ipconfig（Windows）

• 作用：查看和配置网络接口信息。
• 典型输出：IP地址、子网掩码、MAC地址、状态等。

7.4 netstat（网络统计）

• 作用：显示网络连接、路由表、网络接口等信息。
• 常用参数：
  • -a：显示所有连接和监听端口。
  • -n：以数字形式显示地址和端口。
  • -p：显示进程信息。

7.5 nslookup/dig

• 作用：查询域名对应的IP地址（DNS解析）。
• 示例：nslookup www.baidu.com 返回百度服务器的IP地址。

八、IP协议的安全问题与防护

IP协议的设计注重通用性，也带来了一些安全隐患。

8.1 常见安全威胁

• IP欺骗（Spoofing）：伪造源IP地址发送数据包，常用于DoS攻击或绕过访问控制。
• IP分片攻击：利用分片机制构造异常数据包（如重叠分片），导致目标系统崩溃。
• ICMP Flood：通过大量ICMP包耗尽目标带宽或系统资源。
• IPsec漏洞：如密钥管理不当导致加密失效。

8.2 防护措施

• 防火墙规则：
  • 过滤源IP为私有地址的外网流量（防止IP欺骗）。
  • 限制ICMP流量速率，防止ICMP Flood。
• 网络分段：将网络划分为多个安全区域，限制IP包的传播范围。
• IPsec配置：正确配置IPsec加密和认证，保护敏感流量。
• 安全审计：监控异常IP流量（如大量分片数据包），及时发现攻击迹象。

九、IPv4与IPv6的过渡技术

由于IPv6无法完全兼容IPv4，需采用过渡技术实现平滑迁移。

9.1 双栈技术

• 原理：设备同时支持IPv4和IPv6协议栈，根据目标地址选择使用。
• 优势：实现简单，兼容性好。
• 局限性：需全网设备支持，部署成本高。

9.2 隧道技术

• 原理：将IPv6数据包封装在IPv4数据包中，通过IPv4网络传输。
• 常见隧道协议：
  • 6to4：自动创建隧道，使用特殊IPv6地址前缀2002::/16。
  • GRE隧道：通用路由封装，支持多种协议封装。
  • ISATAP：站内自动隧道寻址协议，用于IPv6孤岛间通信。

9.3 翻译技术（NAT-PT）

• 原理：在IPv4和IPv6之间进行地址和协议转换。
• 典型方案：
  • NAT64：将IPv6地址映射到IPv4地址，实现IPv6客户端访问IPv4服务。
  • DNS64：配合NAT64，将域名解析为合成的IPv6地址（如IPv4地址嵌入到64:ff9b::/96前缀）。

IP协议作为TCP/IP协议族的核心，是现代互联网的基石。它通过IP地址实现全球寻址，通过路由机制实现数据包转发，支撑了各种上层应用的运行。IPv4的32位地址空间虽面临耗尽问题，但通过NAT、CIDR等技术仍在广泛使用；IPv6的128位地址空间则为未来网络发展提供了充足的地址资源。