Linux--网络层IP

IP协议

IP协议，全称Internet Protocol（互联网协议），是TCP/IP协议族中的核心协议之一，用于在互联网络上进行数据的传输。IP协议的主要功能是确保数据从一个网络节点（如计算机、服务器、路由器等）传输到另一个网络节点，并且能够在各种不同的物理网络上工作。

IP协议为每个网络上的设备分配一个唯一的地址，即IP地址。这个地址用于标识设备在网络中的位置，使得数据能够准确地发送到目标设备。

IP协议允许数据包（即IP数据包）在互联网络中从一个网络节点传递到另一个网络节点，直到到达目标地址。这一过程中，数据包可能会经过多个路由器，每个路由器都根据IP地址和网络拓扑来决定数据包的下一跳位置。

IP协议提供的是一种无连接的服务，这意味着发送数据之前不需要在发送方和接收方之间建立连接。这种特性使得IP协议非常灵活，但同时也要求上层协议（如TCP或UDP）来处理数据的可靠传输和顺序问题。

主机: 配有 IP 地址, 但是不进行路由控制的设备;
路由器: 即配有 IP 地址, 又能进行路由控制;
节点: 主机和路由器的统称

IP地址（IPV4）

在TCP/IP网络中，每台计算机除了本身固有的被称为MAC地址的硬件地址，还有一个所谓的”逻
辑地址”（IP地址），该地址通常由管理员设置（静态IP地址），亦可由所使用的网络协议（如
DHCP，动态主机配置协议）自动设置（动态IP地址）。该地址在该网络中具有唯一性。

这是IP地址的形式，是一个32位的数，分4组，每组8位；
通过点分十进制的方法来进行表示；

IP地址的网段划分

像我们身份证一样，IP地址的规定也是有一定规律形式的。
要找到对应的主机，就要先确定所在的网络地址，然后在网络地址上找到对应的主机地址；

故：

网络号用来标识主机所连接的网络
主机号用来标识连接在这个网络中的不同主机

像下面的例子一样：

主机A和主机B网络号均为202.113.27，在路由器可以找到这个对应的网络号，然后再这片区域内找到所要的主机号（这片区域也被称为局域网）；

IP地址的类别

• A 类 0.0.0.0 到 127.255.255.255
• B 类 128.0.0.0 到 191.255.255.255
• C 类 192.0.0.0 到 223.255.255.255
• D 类 224.0.0.0 到 239.255.255.255
• E 类 240.0.0.0 到 247.255.255.255

这样分类是为了更加容易管理和寻址，容易确定网络的大小和范围，也就是能够区分IP地址中网络号和主机号的划分；

子网掩码

后来，随着互联网的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请 B 类
网络地址, 导致 B 类地址很快就分配完了, 而 A 类却浪费了大量地址;

于是，就有了子网掩码，让它来对主机号来进一步细致的划分；

子网掩码也是一个 32 位的正整数. 通常用一串 “0” 来结尾;
其作用是告诉TCP/IP主机，IP地址的哪些位对应于网络地址，哪些位对应于主机地址。
子网中的所有主机必须配置相同的子网掩码。

网络号和主机号的划分与这个 IP 地址是 A 类、B 类还是 C 类无关;

例如

网络地址的运算

将 IP 地址和子网掩码进行 “按位与” 操作, 得到的结果就是网络号;

如

像B类，默认子网掩码255.255.0.0 就是没有划分子网，C类的255.255.255.0都说默认的子网掩码；表示当前网络没有进行子网划分；

特殊的IP地址

• 在网络中，主机号为0，就表示当前IP地址就是网络号了，代表了这个局域网的网络地址；
  

• 如果将主机号设为1，就变为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包；
  例如我们家中所用路由器，所用IP地址主机号都是1；

• 127.*的 IP 地址用于本机环回(loop back)测试,通常是 127.0.0.1

局域网

局域网（Local Area Network，LAN）是一种覆盖有限地理范围（如办公室、学校、工厂等）的计算机网络，它允许该范围内的多台计算机、打印机、服务器等设备相互连接，实现资源共享和通信。

由于设备间距离较近，局域网通常能够提供较高的数据传输速率（带宽）和较低的数据传输延迟（延迟时间），这使得局域网内的设备能够快速地交换大量数据。

局域网中的设备通常属于同一组织或机构，因此更容易进行统一的管理和控制。

IPv6

由于当今时代的飞速发展，网络中的IP（IPV4）地址最多也就2*32（大约43亿）而已；这对于全球网络中的主机来说，是远远不够的；
为了解决这种问题，就有了IPv6；

IPv6地址有2*128的地址数量，这是一个极其庞大的数字；
每个IPv6地址由8个16位的字段组成，每个字段由4个十六进制数表示，字段由冒号隔开

但在实际分配和管理过程中，会存在地址的囤积和不合理分配的问题，这可能导致资源浪费和分配不均；并且这是一个和IPv4不兼容的协议，要想普及还是有些难度的；

IP私有地址

如果IP 地址只用于局域网内的通信,而不直接连到 互联网 上（范围缩小）, 理论上 使用任意的 IP 地址都可以,但是 RFC 1918 规定了用于组建局域网的私有 IP 地址：

• 10.*,前 8 位是网络号,共 16,777,216 个地址（A类常用私有IP）
• 172.16.到 172.31.,前 12 位是网络号,共 1,048,576 个地址（B类常用私有IP）
• 192.168.*,前 16 位是网络号,共 65,536 个地址（C类常用私有IP）

所以，像现在的公司或者家里路由器，在局域网范围内，都说建立自己的私有IP来进行通信；

NAT技术

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）技术是一种将私有网络地址（如局域网内部地址）转换成公共网络地址（如互联网地址）的技术。它主要用于连接私有网络与公共网络之间的路由器上，以实现多台计算机共用一个公网IP地址上网。

基本原理

NAT技术通过在网络出口设备（如路由器或防火墙）上部署，对IP数据报文中的IP地址进行转换。对于“从内到外”的流量，网络设备通过NAT将数据包的源地址进行转换（转换成特定的公有地址）；而对于“从外到内”的流量，则对数据包的目的地址进行转换。这种转换机制使得内部网络的主机能够访问外部网络，同时外部网络无法直接访问内部网络的私有地址，从而增强了内部网络的安全性。

实现方式

• 静态NAT：内部本地地址一对一转换成内部全局地址，即内部网络的每一台设备都绑定一个全局地址。这种方式适用于内部网络中只有少量设备需要对外进行通信的情况。
• 动态NAT：将内部网络的私有IP地址转换为公用IP地址时，IP地址是不确定的，是随机的。所有被授权访问Internet的私有IP地址可随机转换为任何指定的合法IP地址。这种方式适用于内部网络中有大量设备需要对外进行通信，但公有IP地址数量有限的情况。
• 端口多路复用（PAT/NAPT）：内部网络的所有主机均可共享一个合法外部IP地址实现对Internet的访问。该模式同时对IP地址和传输层端口进行转换，实现不同私有地址（不同的私有地址，不同的源端口）映射到同一个公有地址（相同的公有地址，不同的源端口）。这种方式可以最大限度地节约IP地址资源，并隐藏网络内部的所有主机。

优势

• 节省公有合法IP地址：通过NAT技术，多台内部设备可以共享一个公有IP地址访问外部网络，从而有效缓解了IPv4地址短缺的问题（这也是当前缓解IPv4数量不足的主要手段）。
• 处理地址重叠：在私有网络中，可能存在IP地址冲突的情况。通过NAT技术，可以将这些冲突的IP地址转换为不同的公有IP地址，从而解决地址重叠问题。
• 增强灵活性：NAT技术提供了灵活的地址转换机制，可以根据实际需求选择不同的实现方式。
• 提高安全性：NAT技术隐藏了内部网络的IP地址，使得外部网络无法直接访问内部网络中的设备，从而提高了内部网络的安全性。