图解网络 — IP 篇

其中对于 A、B、C 类主要分为两个部分，分别是网络号和主机号。这很
好理解，好比小林是 A 小区 1 栋 101 号，你是 B 小区 1 栋 101 号。

我们可以用下面这个表格， 就能很清楚的知道 A、B、C 分类对应的地址范围、最大主机个数。

最大主机个数，就是要看主机号的位数，如 C 类地址的主机号占 8 位，那么 C 类地址的最大主机个数：

为什么要减 2 呢？因为在 IP 地址中，有两个 IP 是特殊的，分别是主机号全为 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
• 主机号全为 0 指定某个网络

因此，在分配过程中，应该去掉这两种情况。

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。

当主机号全为 1 时，就表示该网络的广播地址。
例如把 172.20.0.0/16 用二进制表示如下：

• 10101100.00010100.00000000.00000000

将这个地址的主机部分全部改为 1，则形成广播地址：

• 10101100.00010100.11111111.11111111

再将这个地址用十进制表示，则为 172.20.255.255。

广播地址可以分为本地广播和直接广播两种。

• 在本网络内广播的叫做本地广播。例如网络地址为 192.168.0.0/24 的情况下，广播地址是 192.168.0.255 。
  因为这个广播地址的 IP 包会被路由器屏蔽，所以不会到达 192.168.0.0/24 以外的其他链路上。
• 在不同网络之间的广播叫做直接广播。例如网络地址为 192.168.0.0/24 的主机向 192.168.1.255/24 的目标地址
  发送 IP 包。收到这个包的路由器，将数据转发给 192.168.1.0/24，从而使得所有 192.168.1.1~192.168.1.254 
  的主机都能收到这个包（由于直接广播有一定的安全问题，多数情况下会在路由器上设置为不转发） 。

本地广播：

直接广播：

而 D 类和 E 类地址是没有主机号的，所以不可用于主机 IP，D 类常被用于多播，E 类是预留的分类，暂时未使用。

多播用于 将包发送给特定组内的所有主机。

由于 广播无法穿透路由，若想给 其他网段发送同样的包，就可以使用可以穿透路由的多播。
（直接广播是只发给目标地址所在的网络组，而且直接广播有一定的安全问题，多数情况下会在路由器上设置为不转发。）

多播使用的 D 类地址，其前四位是 1110 就表示是多播地址，而剩下的 28 位是多播的组编号。

从 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 都是多播的可用范围，其划分为以下三类：

• 224.0.0.0 ~ 224.0.0.255 为预留的组播地址，只能在局域网中，路由器是不会进行转发的。
• 224.0.1.0 ~ 238.255.255.255 为用户可用的组播地址，可以用于 Internet 上。
• 239.0.0.0 ~ 239.255.255.255 为本地管理组播地址，可供内部网在内部使用，仅在特定的本地范围内有效。

不管是路由器还是主机解析到一个 IP 地址时候，我们判断其 IP 地址的首位
是否为 0，为 0 则为 A 类地址，那么就能很快的找出网络地址和主机地址。

其余分类判断方式参考如下图：

所以，这种分类地址的优点就是 简单明了、选路（基于网络地址）简单。

同一网络下没有地址层次，比如一个公司里用了 B 类地址，但是可能需要根据生产环境、测试环境、
开发环境来划分地址层次，而这种 IP 分类是没有地址层次划分的功能，所以这就缺少地址的灵活性。

A、B、C类有个尴尬处境，就是 不能很好的与现实网络匹配：

• C 类地址能包含的最大主机数量实在太少了，只有 254 个，估计一个网吧都不够用。
• 而 B 类地址能包含的最大主机数量又太多了，6 万多台机器放在一个网络下面，
  一般的企业基本达不到这个规模，闲着的地址就是浪费。

这两个缺点，都可以在 CIDR 无分类地址解决。

正因为 IP 分类存在许多缺点，所以后面提出了无分类地址的方案，即 CIDR。

这种方式不再有分类地址的概念，32 比特的 IP 地址被划分为两部分，前面是网络号，后面是主机号。

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，这就使得 IP 地址更加具有灵活性。

比如 10.100.122.2/24，这种地址表示形式就是 CIDR，/24 表示前 24 位是网络号，剩余的 8 位是主机号。

还有另一种划分网络号与主机号形式，那就是 子网掩码，掩码的意思就是掩盖掉主机号，剩余的就是网络号。

将子网掩码和 IP 地址按位计算 AND，就可得到网络号。

因为两台计算机要通讯，首先要判断是否处于同一个广播域内，即网络地址是否相同。
如果网络地址相同，表明接受方在本网络上，那么可以把数据包直接发送到目标主机。

路由器寻址工作中，也就是通过这样的方式来找到对应的网络号的，进而把数据包转发给对应的网络内。

在上面我们知道可以通过子 网掩码划分出网络号和主机号，那实际上子网掩码还有一个作用，那就是 划分子网。

子网划分 实际上是将 主机地址 分为两个部分：子网网络地址和子网主机地址。形式如下：

• 未做子网划分的 ip 地址：网络地址＋主机地址
• 做子网划分后的 ip 地址：网络地址＋（子网网络地址＋子网主机地址）

假设对 C 类地址进行子网划分，网络地址 192.168.1.0，使用子网掩码 255.255.255.192 对其进行子网划分。

C 类地址中前 24 位是网络号，最后 8 位是主机号，根据子网掩码可知 从 8 位主机号中借用 2 位作为子网号。
（192 对应的二进制位为 11000000，所以前面两位被借用了）

由于子网网络地址被划分成 2 位，那么子网地址就有 4 个，分别是 00、01、10、11，具体划分如下图：

划分后的 4 个子网如下表格：

IPv4 的地址是 32 位的，大约可以提供 42 亿个地址，但是早在 2011 年 IPv4 地址就已经被分配完了。

但是 IPv6 的地址是 128 位的，这可分配的地址数量是大的惊人，
说个段子 IPv6 可以保证地球上的每粒沙子都能被分配到一个 IP 地址。

但 IPv6 除了有更多的地址之外，还有更好的安全性和扩展性，
说简单点就是 IPv6 相比于 IPv4 能带来更好的网络体验。

但是因为 IPv4 和 IPv6 不能相互兼容，所以不但要我们电脑、手机之类的设备支持，
还需要网络运营商对现有的设备进行升级，所以这可能是 IPv6 普及率比较慢的一个原因。

IPv6 不仅仅只是可分配的地址变多了，它还有非常多的亮点。

• IPv6 可自动配置，即使没有 DHCP 服务器也可以实现自动分配IP地址，真是 便捷到即插即用 啊。
• IPv6 包头包首部长度采用固定的值 40 字节，去掉了包头校验和，
  简化了首部结构，减轻了路由器负荷，大大 提高了传输的性能。
• IPv6 有应对伪造 IP 地址的网络安全功能以及防止线路窃听的功能，大大 提升了安全性。

IPv4 地址长度共 32 位，是以每 8 位作为一组，并用点分十进制的表示方式。

IPv6 地址长度是 128 位，是以每 16 位作为一组，每组用冒号 「:」 隔开。

如果出现连续的 0 时还可以将这些 0 省略，并用两个冒号 「::」隔开。但是，一个 IP 地址中只允许出现一次两个连续的冒号。

IPv6 类似 IPv4，也是通过 IP 地址的前几位标识 IP 地址的种类。

IPv6 的地址主要有以下类型地址：

• 单播地址，用于一对一的通信
• 组播地址，用于一对多的通信
• 任播地址，用于通信最近的节点，最近的节点是由路由协议决定
• 没有广播地址

对于一对一通信的 IPv6 地址，主要划分了三类单播地址，每类地址的有效范围都不同。

• 在同一链路单播通信，不经过路由器，可以使用 链路本地单播地址，IPv4 没有此类型
• 在内网里单播通信，可以使用 唯一本地地址，相当于 IPv4 的私有 IP
• 在互联网通信，可以使用 全局单播地址，相当于 IPv4 的公有 IP

DNS 中的域名都是用 句点 来分隔的，比如 www.server.com，这里的句点代表了不同层次之间的 界限。

在域名中，越靠右 的位置表示其 层级越高。

根域是在最顶层，它的下一层就是 com 顶级域，再下面是 server.com。

所以域名的层级关系类似一个树状结构：

• 根 DNS 服务器
• 顶级域 DNS 服务器（com）
• 权威 DNS 服务器（server.com）

根域的 DNS 服务器信息保存在互联网中所有的 DNS 服务器中。这样
一来，任何 DNS 服务器就都可以找到并访问根域 DNS 服务器了。

因此，客户端只要能够找到任意一台 DNS 服务器，就可以通过它找到根域 
DNS 服务器，然后再一路顺藤摸瓜找到位于下层的某台目标 DNS 服务器。

浏览器 首先看一下 自己的缓存 里有没有，如果没有就向 操作系统的缓存 要，还没有就检查 
本机域名解析文件 hosts，如果还是没有，就会 DNS 服务器进行查询，查询的过程如下：

1. 客户端首先会发出一个 DNS 请求，问 www.server.com 的 IP 是啥，并发给本地 DNS 服务器（也就是客户端的 
   TCP/IP 设置中填写的 DNS 服务器地址）。
2. 本地域名服务器收到客户端的请求后，如果缓存里的表格能找到 www.server.com，则它直接返回 IP 地址。如果没有，
   本地 DNS 会去问它的根域名服务器：“老大， 能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗？” 根域名服务器是最高层次
   的，它不直接用于域名解析，但能指明一条道路。
3. 根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求后，发现后置是 .com，说：“www.server.com 这个域名归 .com 区域管理”，
   我给你 .com 顶级域名服务器地址给你，你去问问它吧。”
4. 本地 DNS 收到顶级域名服务器的地址后，发起请求问“老二， 你能告诉我 www.server.com 的 IP 地址吗？”
5. 顶级域名服务器说：“我给你负责 www.server.com 区域的权威 DNS 服务器的地址，你去问它应该能问到”。
6. 本地 DNS 于是转向问权威 DNS 服务器：“老三，www.server.com对应的IP是啥呀？” server.com 的权威 DNS 
   服务器，它是域名解析结果的原出处。为啥叫权威呢？就是我的域名我做主。
7. 权威 DNS 服务器查询后将对应的 IP 地址 X.X.X.X 告诉本地 DNS。
8. 本地 DNS 再将 IP 地址返回客户端，客户端和目标建立连接。

至此，我们完成了 DNS 的解析过程。现在总结一下，整个过程如下图：

DNS 域名解析的过程蛮有意思的，整个过程就和我们日常生活中找人问路的过程类似，只指路不带路。

简单地说，ARP 是借助 ARP 请求与 ARP 响应 两种类型的包确定 MAC 地址的。

• 主机会通过 广播发送 ARP 请求，这个包中包含了想要知道的 MAC 地址的主机 IP 地址。
• 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，那么这个设备就将自己的 MAC 地址塞入 ARP 响应包 返回给主机。

操作系统通常会把第一次通过 ARP 获取的 MAC 地址缓存起来，以便下次直接从缓存中找到对应 IP 地址的 MAC 地址。

不过，MAC 地址的缓存是有一定期限的，超过这个期限，缓存的内容将被清除。

ARP 协议是已知 IP 地址求 MAC 地址，那 RARP 协议正好相反，它是 已知 MAC 地址
求 IP 地址。例如将打印机服务器等小型嵌入式设备接入到网络时就经常会用得到。

通常这需要架设一台 RARP 服务器，在这个服务器上注册设备的 MAC 地址及其 IP 地址。然后再将这个设备接入到网络，接着：

• 该设备会发送一条「我的 MAC 地址是XXXX，请告诉我，我的IP地址应该是什么」的请求信息。
• RARP 服务器接到这个消息后返回「MAC地址为 XXXX 的设备，IP地址为 XXXX」的信息给这个设备。

最后，设备就根据从 RARP 服务器所收到的应答信息设置自己的 IP 地址。

确实是，普通的 NAT 转换没什么意义。

由于绝大多数的网络应用都是使用传输层协议 TCP 或 UDP 来传输数据的。

因此，可以把 IP 地址 + 端口号一起进行转换。

这样，就用一个全球 IP 地址就可以了，这种转换技术就叫 网络地址与端口转换 NAPT。

图中有两个客户端 192.168.1.10 和 192.168.1.11 同时与服务器 183.232.231.172 进行通信，并且这两个客户端的本地端口都是 1025。

此时，两个私有 IP 地址都转换 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。

于是，生成一个 NAPT 路由器的转换表，就可以正确地转换地址跟端口的组合，令客户端 A、B 能同时与服务器之间进行通信。

这种转换表在 NAT 路由器上自动生成。例如，在 TCP 的情况下，建立 TCP 连接首次握手时的 SYN 
包一经发出，就会生成这个表。而后又随着收到关闭连接时发出 FIN 包的确认应答从表中被删除。

由于 NAT/NAPT 都依赖于自己的转换表，因此会有以下的问题：

• 外部无法主动与 NAT 内部服务器建立连接，因为 NAPT 转换表没有转换记录。
• 转换表的生成与转换操作都会产生性能开销。
• 通信过程中，如果 NAT 路由器重启了，所有的 TCP 连接都将被重置。

改用 IPv6，IPv6 可用范围非常大，以至于每台设备都可以配置一个公有 IP 地址，
就不搞那么多花里胡哨的地址转换了，但是 IPv6 普及速度还需要一些时间。

NAT 穿透技术，它能够让网络应用程序主动发现自己位于 NAT 设备之后，并且会主动获得 NAT 
设备的公有 IP，并为自己建立端口映射条目，注意这些都是 NAT设备后的应用程序自动完成的。

也就是说，在 NAT 穿透技术中，NAT设备后的应用程序处于主动地位，它已经明确地知道 NAT 设备要修改它发
的数据包，于是它主动配合 NAT 设备的操作，主动地建立好映射，这样就不像以前由 NAT 设备来建立映射了。

说人话，就是客户端主动从 NAT 设备获取公有 IP 地址，然后自己建立端口映射条目，然后用这个条目对外通信，
就不需要 NAT 设备来进行转换了。

ICMP 主要的功能包括：确认 IP 包是否成功送达目标地址、报告发送过程中 IP 包被废弃的原因和改善网络设置等。

在 IP 通信中如果某个 IP 包因为某种原因 未能达到目标地址，那么这个具体的原因将 由 ICMP 负责通知。

如上图例子，主机 A 向主机 B 发送了数据包，由于某种原因，途中的路由器 2 未能发现主机 B 的存在，
这时，路由器 2 就会向主机 A 发送一个 ICMP 目标不可达数据包，说明发往主机 B 的包未能成功。

ICMP 的这种通知消息会使用 IP 进行发送 。

因此，从路由器 2 返回的 ICMP 包会按照往常的路由控制先经过路由器 1 再转发给主机 A 。
收到该 ICMP 包的主机 A 则分解 ICMP 的首部和数据域以后得知具体发生问题的原因。

ICMP 大致可以分为两大类：

• 一类是用于诊断的查询消息，也就是「查询报文类型」
• 另一类是通知出错原因的错误消息，也就是「差错报文类型」

IGMP 分为了三个版本分别是，IGMPv1、IGMPv2、IGMPv3。

接下来，以 IGMPv2 作为例子，说说 常规查询与响应和离开组播组 这两个工作机制。

常规查询与响应工作机制：

1. 路由器会周期性发送目的地址为 224.0.0.1（表示同一网段内所有主机和路由器） IGMP 常规查询报文。
2. 主机1 和 主机 3 收到这个查询，随后会启动「报告延迟计时器」，计时器的时间是随机的，通常是 0~10 秒，计时器超时后主机就
   会发送 IGMP 成员关系报告报文（源 IP 地址为自己主机的 IP 地址，目的 IP 地址为组播地址）。如果在定时器超时之前，收到同一
   个组内的其他主机发送的成员关系报告报文，则自己不再发送，这样可以减少网络中多余的 IGMP 报文数量。
3. 路由器收到主机的成员关系报文后，就会在 IGMP 路由表中加入该组播组，后续网络中一旦该组播地址的数据到达路由器，它会把数据包转发出去。

离开组播组工作机制

外卖版本：

• 小林第一次送外卖时，小区里只有 A 和 B 区两栋楼，但送餐地址写的是 C 区楼，
  小林表示头上很多问号，压根就没这个地方。

正常版本：

• IP 地址是分为网络号和主机号的，所以当路由器中的路由器表匹配不到接收方 IP 的
  网络号，就通过 ICMP 协议以 网络不可达（Network Unreachable）的原因告知主机。

自从不再有网络分类以后，网络不可达也渐渐不再使用了。

外卖版本：

• 小林第二次送外卖时，这次小区有 5 层楼高的 C 区楼了，找到地方了，但送餐地址写的

     是 C 区楼 601 号房 ，说明找不到这个房间。

正常版本：

• 当路由表中没有该主机的信息，或者该主机没有连接到网络，那么会通过 ICMP 协议以 主机
  不可达（Host Unreachable）的原因告知主机。

外卖版本：

• 小林第三次送外卖时，这次小区有 C 区楼，也有 601 号房，找到地方了，也找到房间了，
  但是一开门人家是外国人说的是英语，我说的是中文！语言不通，外卖送达失败~

正常版本：

• 当主机使用 TCP 协议访问对端主机时，能找到对端的主机了，可是对端主机的防火墙已经禁止 
  TCP 协议访问，那么会通过 ICMP 协议以 协议不可达 的原因告知主机。

外卖版本：

• 小林第四次送外卖时，这次小区有 C 区楼，也有 601 号房，找到地方了，也找到房间了，
  房间里的人也是说中文的人了，但是人家说他要的不是外卖，而是快递。。。

正常版本：

• 当主机访问对端主机 8080 端口时，这次能找到对端主机了，防火墙也没有限制，可是发现
  对端主机没有进程监听 8080 端口，那么会通过 ICMP 协议以 端口不可达 的原因告知主机。

外卖版本：

• 小林第五次送外卖时，这次是个吃播博主点了 100 份外卖，但是吃播博主要求一次性
  要把全部外卖送达，小林的一台电动车装不下呀，这样就没办法送达了。

正常版本：

• 发送端主机发送 IP 数据报时，将 IP 首部的 分片禁止标志位 设置为1。根据这个标志位，
  途中的路由器遇到 超过 MTU 大小的数据包时，不会进行分片，而是直接抛弃。
• 随后，通过一个 ICMP 的不可达消息类型，代码为 4 的报文，告知发送端主机。