计算机网络 —— 网络层

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IP

- 1. 基本介绍
- 2. IP地址定义
- 3. IP地址分类
- 4. 子网掩码
- 5. 全局地址与私有地址
  1. 基本介绍
  
  TCP/IP 协议的心脏是网络层，主要“实现节点之间的通信”，即“点对点(end-to-end)通信”。
  
  网络层包含IP(Internet Protocol)及DNS（Domain Name System）、ARP（Address Resolution Protocol）ICMP(Internet Control Message Protocol)等协议。
  
  网络层与数据链路层的关系
  
  数据链路层提供两个直连设备间的通信，网络层通过IP实现不同数据链路上节点间的通信。
  
  为了从A地到达B地需要制定行程表，并且购买相应的机票与火车票。
  
  行程表的作用就相当于网络层。机票与火车票用于在某一限定“区间内”移动，“区间内”就相当于通信网络上的数据链路，“区间内”的出发地点和目的地点就如同某一个数据链路的源地址（源 MAC）和目标地址（目的MAC）等首部信息。
  
  2. IP地址定义
  
  IP 地址用于在“连接到网络中的所有主机中识别出进行通信的目标地址”。
  
  （1）IPv4
  
  IPv4 地址由 32 位正整数来表示，在计算机内部以二进制方式被处理。 2 32 = 4 , 294 , 967 , 296 2^{32}=4,294,967,296 232=4,294,967,296理论上可将43亿台计算机设备同时连接到网络。
  
  一般将32 位的IP地址以每8位为一组，分成4组，每组以“.”隔开，再将每组数转换为十进制数。 10101100. 00010100. 00000001. 00000001 10101100. \; \;00010100. \; \;00000001. \; \;00000001 10101100.00010100.00000001.00000001 172. 20. 1. 1 172.\; \;\; \;\; \; \;\;\; \; \;20.\; \;\; \;\; \; \;\;\; \; \;1.\; \;\; \;\; \;\; \; \;\;\; \; \;\; \;1\; \;\; \;\; \; \;\;\;\; \;\; 172.20.1.1
  
  （2）IPv6
  
  IPv6地址由128位正整数表示 2 128 ≈ 3.4 × 1 0 28 2^{128}\approx 3.4 \times 10 ^{28} 2128≈3.4×1028
  
  一般将128位比特的IPv6地址每16bit为一组，每组用冒号（:）分割标记。如果出现连续的0，可以将0省略，并用两个冒个（::）隔开。
  
  e.g.
  
  二进制： 1111111011011100 : 1011101010011000 : 0111011001010100 : 0011001000010000 : 1111111011011100 : 1011101010011000 : 0111011001010100 : 0011001000010000 1111111011011100:1011101010011000:\\0111011001010100:0011001000010000:\\1111111011011100:1011101010011000:\\0111011001010100:0011001000010000 1111111011011100:1011101010011000:0111011001010100:0011001000010000:1111111011011100:1011101010011000:0111011001010100:0011001000010000十六进制: F E D C : B A 98 : 7654 : 3210 : F E D C : B A 98 : 7654 : 3210 FEDC:BA98:7654:3210:\\FEDC:BA98:7654:3210 FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210二进制： 0001000010000000 : 0000000000000000 : 0000000000000000 : 0000000000000000 : 0000000000000100 : 0000100000000000 : 0010000000001100 : 0100000101111010 0001000010000000:0000000000000000:\\0000000000000000:0000000000000000:\\0000000000000100:0000100000000000:\\0010000000001100:0100000101111010 0001000010000000:0000000000000000:0000000000000000:0000000000000000:0000000000000100:0000100000000000:0010000000001100:0100000101111010十六进制（省略后）： 1080 : : 8 : 800 : 200 C : 417 A 1080::8:800:200C:417A 1080::8:800:200C:417A
  
  3. IP地址分类
  
  IP地址由“网络标识（网络地址）+主机标识（主机地址）”组成，根据IP地址第1位到第四位的值，分为A、B、C、D四类地址。
  
  （1）A类地址
  
  A类地址以0开头，第1至8位为网络地址，后面24位为主机地址。网络地址范围为： 0.0.0.0 ∼ 127.0.0.0 0.0.0.0\sim127.0.0.0 0.0.0.0∼127.0.0.0由于全0和全1的地址为保留地址，因此一个A类网段可以分配 2 24 − 2 = 16777214 2^{24}-2=16777214 224−2=16777214个主机。
  
  （2）B类地址
  
  B类地址以10开头，第1至16位为网络地址，后面16位为主机地址。网络地址范围为： 128.0.0.0 ∼ 191.0.0.0 128.0.0.0\sim191.0.0.0 128.0.0.0∼191.0.0.0由于全0和全1的地址为保留地址，因此一个B类网段可以分配 2 16 − 2 = 65534 2^{16}-2=65534 216−2=65534个主机。
  （3）C类地址
  
  C类地址以110开头，第1至24位为网络地址，后面8位为主机地址。网络地址范围为： 192.0.0.0 ∼ 223.255.255.0 192.0.0.0\sim223.255.255.0 192.0.0.0∼223.255.255.0由于全0和全1的地址为保留地址，因此一个C类网段可以分配 2 8 − 2 = 254 2^{8}-2=254 28−2=254个主机。
  （4）D类地址
  
  D类地址以1110开头，第1至32位为网络地址，后面8位为主机地址。网络地址范围为： 224.0.0.0 ∼ 239.255.255.255 224.0.0.0\sim239.255.255.255 224.0.0.0∼239.255.255.255
  
  D类地址没有主机标识，常被用于多播（将包发送给特定组内的所有主机）。
  
  4. 子网掩码
  
  子网掩码(subnet mask)用来标识网络地址与主机地址，实现网络地址长度的灵活标识。
  
  子网掩码也是一个32位的数字，对应IP地址网络标识部分的位全部为1，对应IP主机标识部分的位全部为0。
  
  e.g.
  
  IP地址：172.20.100.52
  子网掩码：255.255.255.192
  
  由于192的二进制表示为：11000000，因此172.20.100.52的前26位是网络地址，有时也表示为 172.20.100.52/24
  
  5. 全局地址与私有地址
  
  互联网中任何一台主机或路由器必须有一个唯一的IP地址，这个全局IP地址由互联网名称与数字地址分配机构（ICANN，Internet Corporation for Assigned Names and Numbers）进行管理。
  
  ICANN是一个非营利性的国际组织，成立于1998年10月，负责全球IP地址的分配等工作。
  
  随着互联网的迅速普及，IP地址不足的问题日趋显著，于是又出现了私有网络的IP地址，只要保证在这个网络内地址唯一即可，其地址范围如下:
  - A类：10. 0. 0. 0 ~10. 255.255.255 (10/8)
  - B类：172.16.0. 0 ~ 172.31. 255. 255 (172.16/12)
  - C类：192.168.0.0 ~192.168.255.255((192.168/16)
    在上述范围内的IP地址都属于私有IP或内网IP，而在此之外的IP地址称为全局 IP或公网IP。