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1、IPV4 协议
IPV4 地址的组成#xff1a;
IPV4地址的分类#xff1a;
关于多播和组播#xff1a;
常见组播地址分类#xff1a;
特殊的 IPV4 地址#xff1a;
私有地址和公有地址#xff1a;
私有地址的范围#xff1a;
子网划分#xff1a;
子网掩码
IPV4地址的分类
关于多播和组播
常见组播地址分类
特殊的 IPV4 地址
私有地址和公有地址
私有地址的范围
子网划分
子网掩码
可变长子网掩码VLSM
CIDR
路由器中的最佳匹配原则
IPV4 数据报格式
2、ARP协议
广域网中主机进行通信时 IP 与 MAC 的变化
ARP 协议原理
ARP协议的报文类型
Windows 中 ARP 相关的命令
代理ARPProxy-ARP
RARP 协议
3、ICMP 协议网际控制报文协议
ICMP协议的报文类型
ICMP报文的注意事项
ICMP的应用
4、QoS
5、IPV6 协议
IPV6 地址表示
IPV6 的地址类型
链路本地地址
IPV6 多播组播地址
IPV6 任播地址
IPV6报文的格式
IPV4 到 IPV6 的过渡方案 1、IPV4 协议 IP 地址分为两类IPV4 和 IPV6IP地址用于标识网络设备。网络中的设备都有IP地址并通过IP地址进行网络的连接。 IP 地址是逻辑地址可以手动配置和修改。 IPV4 使用32位二进制表示 IP 地址。通常采用点分十进制表示法来进行表示每8位为一组共4组每组之间使用 “.” 进行分隔。 每一组的取整范围都是 0~255 十进制 IPV4 地址的组成 两部分前面的网络部分、后面的主机部分。 如192.168.0.11 设其网络部分是192.168后面的 0.11则为主机部分。 如果几台主机的网络部分是一样的则代表他们在同一个网段在同一网段的主机即在同一局域网下相互通信使用交换机通信不需要使用路由器而不同网段的主机之间相互通信需要使用到路由器。 IPV4地址的分类 A类地址第一组为网络部分限制第一组的范围为 1~126 B类地址第一、二组为网络部分限制第一组的范围为 128~191 C类地址第一、二、三组为网络部分限制第一组的范围为 192~223 D类地址第一组为网络部分取值为224~239其他三组是组播地址IP E类地址保留地址第一组取值为240~255
其中A、B、C类地址是单播地址D类地址是多播地址。单播表示“一对一”之间的通信而多播即“一对多”的通信。 在计算有效的 IP 地址能够分配给用户主机使用的IP个数时要减去2。其中一个是主机部分全为0表示网络地址一个是主机位全取1表示广播地址。如 IPV4 地址 192.168.1.100 中前24位192.168.1为网络部分则有效的 IP 地址为192.168.1.1~192.168.1.254减去网络地址192.168.1.0 和广播地址 192.168.1.255。 关于多播和组播 多播是向一组特定的接收者发送信息只有加入了同一个组的主机才能接收到此组内的所有数据。广播则是向网络中的所有主机发送信息不论这些主机是否属于同一组。 多播有固定的地址段D类地址而广播使用特定的广播地址或特定网络的广播地址如199.123.255.255 不管一个组播组中包含多少个成员当组播服务发送信息时只需要发送一个分组。 在组播中“组”是用IP组播地址进行标识的一个集合。任何用户主机或其他接收设备加入一个组播组就成为该组的成员可以识别并接收发往该组播组的组播数据。一个组播源可以同时向多个组播组发送数据而多个组播源也可以同时向一个组播组发送数据。组播组成员可以动态地加入或离开组播组成员的主机可以广泛分布在网络中的任何地方。 组播和广播只能用于目的地址而不能用于源地址。 常见组播地址分类
224.0.0.0 - 224.0.0.255供路由器协议使用224.0.1.0 - 224.0.1.255公用组播地址用于Internet224.0.2.0 - 238.255.255.255 全网范围内的临时可用组播地址 239.0.0.0 - 239.255.255.255本地管理组播地址仅在特定的本地范围内有效 特殊的 IPV4 地址
形式是否能作为源地址使用是否能作为目的地址使用备注0.0.0.0是否在本网络上代表本主机255.255.255.255否是在本网络上进行广播127.0.0.1是是用作本地软件环回地址测试使用169.254.x.y (主机号非全0或全1)是是Windows主机DHCP服务器故障时操作系统分配的私有 IP 地址APIPA自动专用IP地址 私有地址和公有地址 公有地址由因特网信息中心复杂分配可以通过公有地址直接访问因特网。公有地址是全网唯一的不能重复使用。 私有地址是非注册地址专门为组织机构内部使用不能直接访问因特网。私有地址在同一内网中唯一使用不同内网中可以重复使用。 私有地址要访问因特网需要使用 NAT网络地址转换协议将私有的 IP 转换为公有 IP。内网的主机使用NAT协议可以通过一个公共的网关来访问因特网。 私有地址的范围
地址类别地址范围网络号A10.0.0.0 - 10.255.255.25510B 172.16.0.0 - 172.31.255.255 172.16 ~ 172.31C192.168.0.0 - 192.168.255.255192.168.0 ~ 192.168.255 子网划分 目的 —— 解决地址浪费问题。 作用 —— 将一个大的网络划分成多个不同的小网络进而解决 IP 地址空间利用率低、两级IP地址不够灵活的问题。 实现过程 —— 借用 IP 地址的若干主机位来充当子网位进而生成多个不同的子网网络。 通过子网划分后IP地址变成了三级的结构网络位子网位主机位 由子网号取不同的值得到不同的子网网络。 某公司想把原来使用的172.16.0.0/16标准网络划分为12个子网其中最大的子网节点数在4000个左右。求每个子网的范围。 172.16.0.0/16最后的16表示网络号位数为16位则主机号位数为32-1616位最后两组为主机号可以用来做子网划分。 需要12个子网使用4个二进制位可以表示12则第 17-20 位用作子网位可以任意选择12个数16选12剩余的12位用作主机位12位主机位可以表示的主机数量为 2^12-24094 个满足题目的要求。 每个子网的范围可以是 172.16.0000 0000.1/20 ~ 172.16.0000 0000.254/20; 172.16.0001 0000.1/20 ~ 172.16.0001 0000.254/20; …… 172.16.1011 0000.1/20 ~ 172.16.1011 0000.254/20 172.16.1100 0000.1/20 ~ 172.16.1100 0000.254/20 子网掩码 作用用于指明 IP 地址的网络位和主机位规定网络位取1主机位取0 设某IP地址的网络位有19位主机位有13位则子网掩码为 由 IP 地址的表示方式192.168.128.100/19 可以看出 1子网掩码255.255.224.0子网掩码长度19位 2网络部分192.168.100 00000.100 3主机部分192.168.100 00000.100 4该地址为C类的私有 IP 地址 可变长子网掩码VLSM 在子网的基础上继续划分子网。计算方法也是类似的。 CIDR 无类别域间路由。是一个用于给用户分配IP地址以及在互联网上有效地路由IP数据包的对IP地址进行归类的方法。 CIDR使用斜线记法又称为 CIDR 记法即在 IP 地址后面加一个斜线“/”然后写上网络前缀所占的位数子网掩码中1的个数如192.168.32.10/20 CIDR路由汇聚将网络地址中连续相同的位进行汇聚不同的位则归为汇聚之后的主机位从而实现多个网段汇聚成一个新的超网网段。 如有四个网段 192.168.129.0/24 —— 192.168.1000 0001.0/24 192.168.130.0/24 —— 192.168.1000 0010.0/24 192.168.132.0/24 —— 192.168.1000 0100.0/24 192.168.133.0/24 —— 192.168.1000 0101.0/24 则可知在第三组取得最长公共前缀 1000 0则新的网络位为 2 * 8 5 21 位。192.168.128.0/21 为汇聚后的超网 ID。 路由汇聚的好处是可以精简路由器的路由表的数量路由汇聚的特点是将多个小的网络汇聚成一个大的网络。 路由器中的最佳匹配原则 使用路由汇聚时路由表的项目主要由 “网络前缀” 和 “下一跳” 地址组成。 查找路由表匹配报文中的目标IP地址时可能会得到不止一个匹配项应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由最长前缀匹配。 网络前缀越长其块地址就越小因而路由就越具体即该网络下的主机数量越少。 IPV4 数据报格式 字段占位大小位备注取值版本4ip协议的版本号IPV4为40100首部长度4IP报文的长度单位为4字节。最小取值为50101即IP报文的报头长度最小是20个字节总长度16IP报文的总长度单位为字节。IP报文最长为 65535 B。标识16对IP分片做表示同一报文中的不同分片有相同的标识用于对分片的重组标志3 DF占一位表示是否不允许分片 MF占一位表示是否还有更多的分片 还有一位是保留位。 若分片则DF为0否则DF1 若该片为最后的一片没有更多的分片则MF0否则MF1 片偏移13指出分片中的数据在报文中的相对位置单位为8B可以按片偏移字段的值从小到大进行排序和重组。生存时间TTL8也叫“跳数”用来预防IP报文无限制地在网络中转发每经过一个路由器报文中的TTL值会相应减1当TTL值为0时路由器将丢弃该报文。协议8用来标识上层使用了什么协议首部校验和16在网络中转发时对IP头部做校验源地址32发送方方IP地址目的地址32接收方的IP地址选项可变长填充可变长用于确保IP报文首部的长度为4B的整数倍 例IP数据报经过 MTU 较小的网络时需要分片。假设一个大小为1500的报文分为两个较小的报文其中一个报文的大小为800字节则另一个报文的大小至少为多少字节2017年下半年网工上午试题 1500的报文IP 报头占 20 字节则数据只有 1480 字节 要分成两个小的报文来发送第一个报文的数据是800-20780字节那么第二个报文的数据是 1480-780700加上首部 20个字节则为 720 字节。 2、ARP协议 ARP协议只在局域网中使用。 当一台主机要和另一台主机通信时必须要知道目的主机的MAC地址而这个MAC地址就是通过ARP协议获得的。 ARP 协议即地址解析协议用于实现 IP 地址到 MAC 地址的映射。 当主机A想要与主机 B 通信但不知道其 MAC 地址时它会发送一个 ARP 请求广播报文到局域网中询问主机 B 的 MAC 地址。这个 ARP 请求广播报文会包含主机 B 的 IP 地址由于尚未知道主机 B 的 MAC 地址此时的目的 MAC 地址为 0 当封装成帧时目的 MAC 地址会被设置为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF以便局域网中的所有主机都能接收到这个报文。 若主机 hostA 的 MAC 地址为 aa-aa-aa-aa-aa-aa主机 hostB 的 MAC 地址为 bb-bb-bb-bb-bb-bb。由 hostA 发出的查询 hostB 的 MAC 地址的帧格式如下图所示则此帧中的目标MAC地址为多少ARP报文中的目标MAC地址为多少2018年上半年网工上午题 帧中的目标MAC地址为ff-ff-ff-ff-ff-ff 报文中的目标MAC地址为00-00-00-00-00-00 当主机 B 收到这个 ARP 请求广播报文后它会检查报文中的 IP 地址是否与自己的IP地址匹配。如果匹配主机 B 就会回复一个ARP响应报文给主机 A将自己的 MAC 地址提供给主机A。广播发送 ARP 请求单播回应 ARP 响应。 网络层及以上使用 IP 地址数据链路层及以下使用硬件地址MAC地址。 广域网中主机进行通信时 IP 与 MAC 的变化 设主机 H1 和主机 H2 在不同的局域网中主机 H1 要发送消息给主机 H2通信中间要经过路由器 R1。 数据离开 H1 时源IP为IP1目的IP为IP2源MAC地址为 HA1目的MAC地址是HA3。注意这里是广域网通信不清楚目标主机的MAC所以目标MAC是中转的路由器MAC地址让路由器帮忙处理如果是局域网中则目标MAC地址就一定是目标主机的MAC地址 从 H1 到 R1 和从 R1 到 H2 时IP数据报中的源地址和目的地址都是 IP1 、IP2两个IP地址始终保持不变。 但是从H1 到 R1 后数据帧中的目的 MAC 地址由 R1 的 MAC 地址变成 H2 的 MAC 地址HA2源MAC地址由 HA1 变成 HA4。 总而言之在不同的局域网中进行通信IP地址始终不变每经过一次路由器MAC地址都源、目的会发生改变在同一个局域网中进行通信IP地址和MAC地址都不会变。 ARP 协议原理 ARP 协议在 IP 协议之下通过广播发送 ARP 请求报文来获取 IP 与 MAC 的映射关系。 ARP协议的报文类型 ARP 报文包括 ARP 请求分组报文和 ARP 响应分组报文。报文内容都包括以下部分 发送方MAC地址 发送方IP地址 目标方MAC地址如果是请求分组报文该项未知时为0 目标方IP地址 路由器不会转发 ARP 请求ARP请求只会在本地进行广播直接封装在帧中进行传输。 Windows 中 ARP 相关的命令
arp -a查看ARP缓存表arp -d清除ARP缓存arp -s ip地址 mac地址 用于静态绑定 如arp -s 192.168.1.123 a0-1a-64-aa-aa-aa arp 192.168.1.2获取 192.168.1.2 这台主机对应的MAC地址 代理ARPProxy-ARP 当出现跨网段的 ARP 请求时由离源主机最近的路由器将自己的 MAC 地址返回给发送 MAC广播请求的主机实现 MAC 地址代理最终使主机能够正常通信。 RARP 协议 逆向地址解析协议实现 MAC 地址到 IP 地址的映射。 3、ICMP 协议网际控制报文协议 背景IP 协议采用无连接的数据报转发方式网络中的节点尽最大努力交付IP报文整个过程并不保证可靠交付。 ICMP 协议的作用可以传送 IP 通信过程中出现的错误信息进而帮助提升 IP 报文成功交付的概率。 ICMP 协议封装在 IP 数据报中进行传输。 ICMP协议的报文类型 ICMP报文的注意事项
对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文对具有特俗地址如127.0.0.1、0.0.0.0等的数据报不发生 ICMP 差错报告报文对具有多播地址的数据报都不发送 ICMP 差错报告报文对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送 ICMP 差错报告报文 ICMP的应用 路由追踪的过程 通过向目标发送一连串TTL值依次加1且端口不可达的数据报从而实现对到达目标地址的路径跟踪。 H1发送一个 TTL1 数据包根据返回的超时消息可获得第一跳路由器的地址 RA
H1发送一个 TTL2 数据包根据返回的超时消息可获得第二跳路由器的地址 RB ……
H1发送一个 TTL 4 数据包数据包成功到达目标主机返回一个端口不可达的错误此时路由跟踪结束。 4、QoS IPV4 网络存在以下几个问题延迟、丢包、延迟抖动 QoS —— 服务质量是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一项技术。使用QOS的目的是为了区分流量保证重要流量及时被转发。 5、IPV6 协议 解决的问题从根本上解决 IPV4 地址资源不足的问题 相较于 IPV4 的改进
更大的地址空间128位拓展的地址层次结构灵活的首部格式改进的选项允许协议继续扩充支持手动配置支持资源的预分配 IPV6 地址表示 IPv6地址由128位组成分为前缀和后缀两部分。前缀部分用于标识网络由IPv6地址分配机构分配后缀部分用于标识主机由网络接口ID生成
使用冒号十六进制记法把每一个16位的二进制值使用十六进制值表示各值之间用冒号分隔。允许把数字前面的 0 省略支持将一组连续的 0 压缩成一对冒号代替零压缩但是双冒号的形式只能出现一次
如 IPV6 的初始地址为0000:0000:0000:0db8:0000:0000:0042:8329
前导零进行省略0000:0000:0000:db8:0000:0000:42:8329
压缩连续的零::db8:0000:0000:42:8329 或 0000:0000:0000:db8::42:8329
因为连续的零只能出现一次因此不能变成::db8::42:8329 特殊的地址
环回地址 0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001可以通过规则缩写为 ::1
未分配地址(全为0)不能分配给任何节点也不能用作目的地址 0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000即 ::/128 在 IPV6 中CIDR斜线表示方法仍然适用如 60 位前缀12AB00000000CD30可以记为
12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60或 12AB::CD30:0:0:0:0/60或 12AB:0:0:CD30::/60 IPV6 的地址类型
1单播传统的点对点通信
2多播一点对多点的通信
3任播任播是IPV6 新增加的一个类型数据报在交付时只交付其中的一个通常是距离最近的一个。 地址类型地址前缀IPV6前缀标识全球单播地址全球路由选择前缀48位前三位固定为001链路本地单播地址1111111010FE80::/10站点本地单播地址1111111011FEC0::/10多播地址11111111FF00::/8任播地址从单播地址空间中进行分配使用单播地址格式
全球单播地址的等级结构 链路本地地址
每个设备的接口在启动 IPV6 时都会自动配置一个链路本地地址IPV6 的 “邻居发现” ND机制要用到 IPV6 的链路本地地址IPV6 中没有广播也不需要使用ARP协议“邻居发现” 是 IPV6 中与 IPV4 的 ARP 对应的寻址机制链路本地地址以 “FE80” 开头接口ID接口表示符由 EUI-64 算法生成将 MAC 地址和其他的一些信息转换为 IPv6 地址的后 64 位路由器不会转发链路本地地址 IPV6 多播组播地址
任何一个节点都可以是一个组播组的成员一个源节点可以发送数据包到组播组组播组的所有成员都能收到发往该组播组的数据包组播地址在 IPV6 中不能用作源地址使用也不能出现在任何选择路由中 IPV6 任播地址
任播地址是 IPV6 特有的地址类型他用来标识一组网络接口主机、路由器、交换机等路由器会将目的地址是任播地址的数据包发送给距离本地路由器最近的一个网络接口一对一组中的一个 IPV6报文的格式 首部长度固定40字节 通过选项字段来扩充首部并封装于有效载荷。 IPV6 和 IPV4 二者是不兼容的报文格式不同。 在 IPV6 网络中除了逐跳选项拓展首部外路由器都不处理其他的拓展首部这样大大提高了路由器的处理效率。 在 RFC 2460 中定义了六种拓展首部
逐跳选项路由选项目的站选项分片鉴别封装安全有效载荷 IPV4 到 IPV6 的过渡方案 IPV6 的隧道技术有多种分为手动隧道和自动隧道
隧道技术特殊地址自动隧道ISATAP隧道::0000:5EFE:w.x.y.zIPV4 兼容 IPV6 自动隧道::w.x.y.z0:0:0:0:0:0:w.x.y.zIPV6 to IPV4 隧道完整的IPV6 to IPV4 主机地址由 IPV6 to IPV4地址的48位格式前缀2002:A.B.C.D::/48和后面的子网标识符ID以及64位的接口ID组成手动隧道IPV6-OVER-IPV4 GRE隧道手动指定IPV4地址
三种过渡方案的对比
特点双协议栈技术是实现其他IPV6过渡方案的基础技术隧道技术通常应用于IPV6孤网通过现有的IPV4网络通信通过再次封装形成通信隧道网络地址转换技术通过地址转换协议进行 IPV6 to IPV4 或IPV4 to IPV6 访问转换可满足IPV4纯节点于IPV6纯节点之间的双向访问请求 参考
[1] IPv4地址分类A类 B类 C类 D类 E类_ipv4分类-CSDN博客
[2] 一文读懂ARP协议从IP获取对方MAC实操 - 知乎
