🧠 网际协议-IP地址
💡 作用
🔍 在TCP/IP参考模型的作用
IP协议 在 TCP/IP 参考模型中处于第三层，也就是网络层。
网络层的主要作用是：实现主机与主机之间的通信，也叫点对点（end to end）通信。
- 寻址 ：每个连接到网络的设备都有一个唯一的 IP 地址。IP 协议使用这些地址来标识数据包的源地址和目的地址，确保数据包能够准确地传输到目标设备。
- 路由 ：IP 协议负责决定数据包在网络传输中的路径。比如说路由器使用路由表和 IP 地址信息来确定数据包的最佳传输路径。
- 分片和重组 ：当数据包过大无法在某个网络上传输时，IP 协议会将数据包分成更小的片段进行传输。接收端会根据头部信息将这些片段重新组装成完整的数据包。
⚖️ 与数据链路层的关系
- MAC 的作用则是实现直连的两个设备之间通信，作为网卡硬件的唯一标识符，在 同一局域网（LAN）中用于标识设备
- IP 则负责在没有直连的两个网络之间进行通信传输，作为网络中设备的逻辑标识符，可以唯一标识一个设备在网络中的位置，支持跨网络的寻址与路由
MAC地址
MAC称为物理地址，也叫硬件地址，用来定义网络设备的位置，MAC地址是网卡出厂时设定的，是固定的（但可以通过在设备管理器中或注册表等方式修改，同一网段内的MAC地址必须唯一）。
MAC地址采用十六进制数表示，长度是6个字节（48位），分为前24位和后24位。
📦 IP数据报
📋 IPV4报文格式
- 首部
- 版本号：指定IP协议版本
- 首部长度：确定IP数据报中的载荷的实际开始位置
- 服务类型：指定不同类型的IP数据报
- 数据报长度
- 标识：用于分片后重新组装数据报
- 标志：决定是否进行分片
- 片偏移：较长的IP报文在分片后，某片在原分组中的相对位置
- 生存时间（TTL）：数据报在网络中的寿命。
- 协议：占8位，协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种协议
- 首部检验和：帮助路由器检测收到的IP数据报中的比特错误
- 源IP地址
- 目的IP地址
- 载荷
提示
IPV6的改进
- 取消了首部校验和字段。 因为在数据链路层和传输层都会校验，因此 IPv6 直接取消了 IP 的校验。
- 取消了分片/重新组装相关字段。 分片与重组是耗时的过程，IPv6 不允许在中间路由器进行分片与重组，这种操作只能在源与目标主机，这将大大提高了路由器转发的速度。
- 取消选项字段。 选项字段不再是标准 IP 首部的一部分了，但它并没有消失，而是可能出现在 IPv6 首部中的「下一个首部」指出的位置上。删除该选项字段使的 IPv6 的首部成为固定长度的
40字节。
✂️ 数据报分片
通常将链路层帧可以承载的最大数据量称为MTU。当IP数据报长度大于MTU会进行数据报分片，并使用单独的链路层帧进行封装。然后端系统接收后会进行重新组装
🏷️ IP地址
在 TCP/IP 网络通信时，为了保证能正常通信，每个设备都需要配置正确的 IP 地址，否则无法实现正常的通信。
IP 地址（IPv4 地址）由 32 位正整数来表示，IP 地址在计算机是以二进制的方式处理的。
📊 IP地址的分类
其中要去除两个特殊的IP地址，主机号全为 1 和 全为 0 地址
- 主机号全为 1 指定某个网络下的所有主机，用于广播
- 广播地址用于在 同一个链路中相互连接的主机之间发送数据包 。
- 主机号全为 0 指定某个网络
🔢 无分类IP地址CIDR
IP地址由 网络号和主机号 构成
表示形式 a.b.c.d/x，其中 /x 表示前 x 位属于网络号， x 的范围是 0 ~ 32，
子网掩码用于指示IP地址的网络部分。将子网掩码和 IP 地址按位计算 AND，就可得到网络号。 两台主机要通信，首先要判断是否处于同一网段，即网络地址是否相同。
如果相同，那么可以把数据包直接发送到目标主机，否则就需要路由网关将数据包转发送到目的地。
🧩 子网划分
子网划分实际上是将主机号分为两个部分：子网号和子网主机号。
🛠️ IP协议的相关应用
📡 ARP协议
📌 作用
将 IP 地址转换为 MAC 地址，它工作在 网络层 和 数据链路层 之间，主要用于在局域网中确定一个特定 IP 地址对应的物理地址（MAC 地址）。因为最终需要找到 MAC 地址才能跟具体的设备通信。
工作流程
- ARP 请求：主机 A 需要发送数据包给主机 B，但只有主机 B 的 IP 地址，没有它的 MAC 地址。主机 A 发送一个 ARP 请求广播到网络。
- ARP 响应：当同个链路中的所有设备收到 ARP 请求时，会去拆开 ARP 请求包里的内容，如果 ARP 请求包中的目标 IP 地址与自己的 IP 地址一致，回复一个 ARP 响应，告知主机 A 自己的 MAC 地址。
🌐 NAT协议
网络地址转换协议，将私有IP地址转换为公有IP地址。它允许多个设备通过共享一个公共IP地址来访问外部网络，同时隐藏内部网络的真实IP地址。
NAT将IP地址和端口号一起转换，保证所有离开专有网络的设备具有相同的源IP地址，所有进入专有网络的报文具有相同的目的IP地址。
- **当内部网络中的设备发起对外部网络的连接请求时，NAT会截获该数据包。
- NAT将内部设备的私有IP地址替换为公共IP地址，并记录下这个转换关系（通常是通过维护一张NAT表实现）。
- 在返回的数据包中，NAT会根据记录的转换关系，将公共IP地址还原为私有IP地址，从而确保数据能够正确地传递到原始设备。
两个私有 IP 地址都被路由器转换 IP 地址为公有地址 120.229.175.121，但是以不同的端口号作为区分。
🧭 路由选择协议
- RIP协议：基于距离向量算法，路由选择更新信息在邻居之间通过RIP通过来交换，每个路由器维护一张路由选择表，包括路由器的距离向量和转发表，一条路径的最大成本被限制在15跳
- OSPF协议：基于链路状态算法，每个路由器会先了解周围链路状态，像数据结构里的图一样生成拓扑结构，然后把这些信息发送给网络中其他路由器，然后根据迪杰斯特拉算法计算出最短路径更新路由表，收敛快且适用于更大网络规模