IP协议基本原理IPV4地址划分ARP协议

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• IP协议概述

• • IP协议的核心功能

• • • 标识节点和链路：用唯一的IP地址标识每一个节点；用唯一的IP网络号标识每一个链路。
    • 寻址和转发（路由）：确定节点所在网络的位置，选择适当路径将IP包转发到目的节点。
    • 适应各种数据链路：根据链路的MTU对IP包进行分片和重组；建立IP地址到数据链路层地址的映射（通过ARP）。

• • IP网络构成

• • • IP网络有多个IP网段构成，每个网段对应一个链路
    • 路由器负责将不同链路的网段连接起来，适配链路层协议，在网络之间转发数据包
    • 广播域隔离：路由器默认不转发广播包，防止广播风暴

• • 常见协议号（IP数据包头部字段，用于表示上层协议）

• IP地址

• • IP地址格式：

• • • 长度：32个2进制位，通常使用点分十进制表示
    • 结构：网络号（区分网段）+主机号（区分主机）
    • 分类(有类编址方式)

• • • • 全部IP地址（有类）

      • 特殊IP地址

      • 私有IP地址

• IP子网划分

• • 原因：

• • • 分类IP地址（A/B/C类）导致IP地址资源浪费严重。
    • IP网络数量不敷使用。
    • 业务扩展缺乏灵活性。
    • 无法应对Internet的爆炸式增长。

• • 子网划分的相关计算：

• • • 概念对应公式：

• • VLSM--可变长子网掩码

• • • 允许在同一网络中使用多个不同的子网掩码，划分出不同大小的子网
    • 优势：使得IP地址利用更加有效

• • CIDR---无类域间路由

• ARP协议（地址解析协议）

• • 基本ARP

• • • 定义：在同一个广播域内，将IP地地址解析为MAC地址的协议（0__0）属于网络层协议
    • 工作流程：

• • • • 发送端广播ARP请求（Opcode=1），目标MAC为FF-FF-FF-FF-FF-FF，询问目标IP对应的MAC。
      • 目标主机收到后，单播回复ARP应答（Opcode=2），携带自己的MAC地址。
      • 发送端将解析到的MAC存入ARP缓存表（arp -a可查看）。

• • 无故Arp

• • • 请求型无故arp

• • • • 发送者IP和目标IP都是自己的IP
      • 作用：用于检测IP地址冲突，如果收到应答则说明该IP已经被占用

• • • 应答性无故arp

• • • • 主动广播自己的IP-MAC映射
      • 作用：用于更更新其他主机的ARP缓存表；刷新交换机的MAC地址表

• • • 代理Arp

• • • • 原理：主机A需要解析另一个网段的主机的Mac地址时，路由器使用自己的mac地址回复主机A的arp请求
      • 效果：路由器让主机A以为自己和主机B在同一网段，实际上数据包是先发给了路由器，然后路由器转发，收到回复之后，在有路由器转发回复，但是此时回复报文的源mac已经变成路由器的mac地址了
      • 典型场景：实现在没有配置默认网关的主机也可以跨网段通信

• • Rarp（逆地址解析协议）

• • • 根据一致的Mac地址表获取IP地址的过程。
    • 典型场景：无盘工作站

• • • • 无盘工作站（无硬盘）启动后，发送 RARP请求（广播），内容是其MAC地址。
      • RARP服务器 在映射表中查找该MAC对应的IP地址。
      • 服务器单播回复 RARP应答，把IP告诉工作站。
      • 工作站获得IP后，再通过TFTP等协议从服务器下载操作系统启动。

• IP包的转发

• • 主机转发IP单播包

• • • 若目的IP的网络号与本机网络号相同 → 目的处于直连网段，直接发送。
    • 若目的IP的网络号与本机网络号不同 → 将IP包交给默认网关（路由器）处理。

• • 路由器转发IP单播包

• • • 若目的网络号与路由器任一接口的网络号相同 → 目的在直连网段，直接交付。
    • 否则 → 路由器通过查找路由表，判断下一跳路由器地址，继续转发

• • 主机接受IP包的条件（任选其中1个）

• • • • 目的IP地址等于自己的IP地址（单播）。
      • 目的IP地址是一个广播地址。
      • 目的IP地址是一个组播地址，且本机某个服务属于该组播组
      • 否则就会丢弃

• 其余相关协议

• • ICMP（互联网控制报文协议）

• • • 作用：定义了网络层控制、错误报告和传递消息的功能。
    • 应用：可用于报告IP数据包传递过程中发生的错误、失败等信息。
    • 分类：ICMP差错消息、ICMP查询消息（如Ping和Traceroute基于ICMP实现）。

• • NAT（网络地址转换）

• • • 地址转换（NAT）技术通常用于解决私有IP地址访问公网的问题（讲义典型考题中提及）。