TCP/IP协议-2

运维

IPv4

网络中的所有设备都需要唯一表示，才能全球通信

引言

IPv4地址的长度是32位的，它唯一的且全球地定义了一台主机或路由器与因特网之间的连接，也就是IP地址是该接口的地址。

分类编址

IP地址诞生之初就使用了分类的概念，这种体系称为分类编址，20世纪90年代中期，无分类编址体系出现，并且比原来的分类编址更有优势。下面先介绍分类编址，也是为了给无非类编址的理解打下基础。

分类

分为A,B,C,D,E五类。
A类：0..........；|0-127||||
B类：10.........；|128-191||||
C类：110........；|192-223||||
D类：1110.......；|224-239||||
E类：11110......；|240-255||||
A,B,C类都可以划分为网络标识（net-id）和主机表示（host-id），网络id分别占一个字节，两个自己，三个字节，D，E不划分网络号和主机号。后面会说原因。

地址类和地址块

A类地址，使用一个字节来定义网络id，可以有2的7次方个地址块，可以给128个机构使用，实际数目会少，因为有很多地址是被保留的，每个机构却拥有16777216个地址。这类地址一般会给很庞大的机构。同时，大量地址被浪费了。
B类地址，使用两个字节来定义网络id，最左两位是10，还有14位可以利用。2的14次方个机构组织，实际数目会比这个少，因为某些地址是被保留的，每个组织可疑使用65536个地址。这样的机构也不多见。
C类，网络id很多，但是每个网络id只值可以分配256个主机，这个太少了。
D类，只有一个网络表示块，用来多播，以后再说这个。
E类地址仅有一个地址块，为将来使用而保留。

两级编址

因特网是多个网络组成的网络。因特网权威机构分配网络是A,B,C类

三级编址：子网划分

上图，用的是B类地址，后面的/16表示的是网络标识的长度。可以有2的16次方的主机，却只有一个网络，整个网络通过一个路由器与因特网连接。

上图，网络使用了专用路由器将它划分为四个子网，其他因特网看到的知识一个网络，但是这个网络内部实际上是由四个子网组成的。此时每个子网拥有2的14次方个主机，注意，/16和/18分辨表示的是网络标识长度和子网标识长度。
子网掩码

当一个网络没有子网的时候，使用的是网络掩码，而当我们将一个网络划分为若干个子网后，要为每个子网创建一个子网掩码。一个子网由子网标识和主机标识两部分组成。计算子网标识的长度比较简单，就看划分了多少个子网，就可以算出扩展了几位。
子网地址
IP地址：141.14.120.77
掩码： 255.255.192.0 第三个字节为（11000000），也就是延长了两位作为子网地址，120的二进制是01111000，强两位有效，所以子网地址：141.14.64.0

构造超网

把若干个C类地址合并成一个更大的地址
超网掩码

无分类编址

IPv6没有普及，所以涉及出一个临时的解决方案，原来的地址空间不变，但是改变了地址的分配方法，就是在分配地址时，类别的特权被取消，以此补偿地址耗尽问题
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特殊地址

保留用作特殊用途的。
全0地址
地址块0.0.0.0/32仅含有一个地址。主机想发送一个ipv4分组，但是又不知道自己的地址的情况下。例如机器刚启动，不知道自己的ipv4地址，需要向引导服务器（DHCP）发送请求，全0作为源地址，受限广播地址作为目的地址
全1地址：受限广播地址
地址块 255.255.255.255/32仅包含一个地址，一个主机，如果想把报文发送给网络中的其他所有主机，就可用这个地址作为报文发送的目的地址。
环回地址
地址块127.0.0.0/8被作为换回地址，这个地址一般用来测试机器上的软件，使用这个地址，分组从来没有离开过机器，知识简单地从协议软件返回，测试ipv4软件，可以用ping 172.0.0.1。另一个用途是利用这个地址，向本机的进程发送报文。
专用地址
不会被全球识别，隔绝与其他网络，或者用于网络地址转换技术的连接（NAT方面的内容会用到）
多播地址
在多播和多播路由器选择协议章节会讲到。todo
直接广播地址，一个地址块的末地址全为1，可作为直接广播地址。

NAT

如上图，具有NAT功能的路由器受用了一个专用地址和一个全球地址。

地址转换

所有出去的分组的源地址，被替换为NAT的出口地址，进来的分组的目的地址被替换为内部的专用地址。
出去很容易理解，那进来的分组如何替换呢？因为在这个NAT设备背后有很多的专用地址。
静态NAT，配置好，一个内网对一个外网。
动态NAT，动态的，内网的ip并不是始终对应同一个外网ip，始终是变化的，但是始终也是一对一的
复用端口，因为外部地址有限，如果内部主机过多，则两个主机无法同时访问同一个网站，因为回来的分组无法转换，这时候就用到了端口号，对每一个出去的分组，在转换表中增加端口一项，这样即使访问同一个网站，在转换表中对应的表项也不一样，因为分配的端口号不一样。

IP分组的交付和转发

交付

直接交付
直接交付，就是分组的终点是以太与交付者连接在同一个网络上的主机，或者最后一个路由器与目的主机进行交互。判断是否要直接交付也比较简单，用掩码获取网络地址，如果和目的地址的掩码地址一致，交付就是直接交付，不用查询路由表
间接交付
没在一个物理网络，通过一个个的路由器，最终到达目的地，所以一个分组的交付肯定包括直接交付和最少0次的间接交付

转发

基于目的地址的转发
是一种传统的方式，主机或者路由器要有一张路由表才能进行转发。当主机有分组发送，或者路由器有分组要转发，要用到路由表，但是如果表项过多，效率就会很低。
转发技术：使用一些方法控制管理路由表的规模，以及处理一些安全性的问题。
第一种方法：下一跳方法，传统的方法是在路由表中记录整个路径，下一跳方法仅仅记录下一跳。表中都是目的主机和路由的对应，注意，是目的主机。
特定网络方法：假如目的主机A,B,C,D.按照上一方法，则一个表要有4个表项，如果他们属于同一个网络呢？所以就现在要网络地址对应这个路由，这时候就仅仅需要1个表项了。目的网络与路由的对应，而不是目的主机。这样节省了很多空间。如下图：

特定主机方法：差不多是上两种方法的混合，因为有时候管理员想对路由选择多出更多的控制，显示指定到达目的主机的路径。如下图：

默认方法：一台主机连接了两个路由器，访问目的网络A时候，只从R1出去，访问其他网络才能用到R2，所以使用默认的R1就行了，每必要把所有的都列出来。
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路由器的结构

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网际协议版本4（ipv4）

IP是一种不可靠的无连接数据报协议-一种尽最大努力交付的服务。也就是途中可能丢失，损坏，失序或者延迟到达，并且可能给网络带来瘫痪。必须和TCP配合才能说有可靠性。

数据报格式

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分片

每个链路层协议都有自己的帧格式，里面有一个字段，MTU(最大字段长度)，不同的物理网络协议，MTU不同，以太网是1500字节，FDDI是4352字节，PPP是296字节。
为了使IP协议与物理网络无关，协议设计者让ip数据报最大长度等于65535.超过MTU，直接分片就行了。
时间戳选项，用来记录路由器处理数据报的时间。
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地址解析协议（ARP）

每台计算机要有一张表，记录这本地物理网络的逻辑地址和逻辑地址的对应关系。

静态映射

时时需要更新，因为有些机器重启会变化ip地址，或者电脑更换了网卡，这样，静态映射都会改变。定时更新，次开销会影响网络的性能

动态映射

通过发送ARP分组到广播地址，和自己相符的主机会返回一个ARP响应分组。维护一个高速缓存表，效率会更高。
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网际控制报文协议

IPv4为了高效，没有差错控制和辅助机制，所以ICMP协议是一个不错的补偿。
ICMP是网络层的协议，但是他的报文并不是直接发送给数据链路层，而是先封装成IP数据报。
ICMP总是把差错报文报告给最初的数据源
主要处理5种类型的错误

• 终点不可达，路由器无法为一个数据报找到路由，或者主机无法交付一个数据报，该数据报被丢弃，然后路由器或者主机向源主机发送一个终点不可达的报文。，其中回复的代码指明了原因。
• 源点抑制，因为IP协议是无连接，且没有流量控制和拥塞控制的，所以如果因为拥塞而丢弃数据，会通知源点。还会警告源点前方发生了拥塞，请放慢发送速度，知道拥塞缓解为止。
• 超时，每个数据报都有成为生存时间的字段，当数据报通过路由器时，这个字段值减1.如果发现再减1后变为0，就丢弃，因为很有可能在哪个路由器之间绕圈圈了，然后发送超时给源。还有就是组装分片的时间超时，当第一个分片到达之后，主机就启动一个计时器，如果在一定时间内没有全部到达，则直接全部丢弃。然后发送ICMP
• 参数问题，数据报首部如果发生任何二义性都可能造成严重的问题，丢弃他。路由器或目的主机都可以产生参数问题。可以查看ICMP的错误代码。
• 改变路由，主机的路由表更新不及时，路由器的路由表在一直更新，如果主机发送一个数据报给R1，R1发现这个数据报应该发送给R2才是更好的选择，这时候，R1会给主机发送ICMP，主机的路由表就更新了。

查询

除差错报告外，ICMP还能对某些问题进行诊断。
回送请求与回答，检测两个系统之间是否通。
时间戳请求和回答，测试ip数据报在两个机器之间的来回所需要的往返时间。也可疑同步两个机器的时钟。

排错工具

ping

如上图所示，ICMP报文内容是56个字节，加上8个字节的首部，就是64个字节（icmp发送一般还要加上20字节的ip首部），icmp_seq是序列号，ttl是生存时间，表示不能超过62跳。time即使往返时间RTT

traceroute
可以跟踪一个分组从源点到终点的路径。