《IP層協(xié)定和原理》課件

IP層協(xié)定和原理本節(jié)課將深入探討IP協(xié)議的架構(gòu)、功能和工作原理。重點(diǎn)講解IP地址、子網(wǎng)掩碼、路由選擇、IP數(shù)據(jù)報(bào)格式等核心概念。DH投稿人：DingJunHongIP層簡(jiǎn)介網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層最重要的協(xié)議，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和傳輸，并提供網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)。數(shù)據(jù)報(bào)傳輸IP協(xié)議以數(shù)據(jù)報(bào)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)包含源IP地址、目標(biāo)IP地址和數(shù)據(jù)等信息?；ヂ?lián)網(wǎng)核心IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議，它連接了全球范圍內(nèi)的各種網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。IP層主要功能IP地址分配和管理IP層負(fù)責(zé)為網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備分配唯一的IP地址。路由選擇IP層根據(jù)IP地址信息，決定數(shù)據(jù)包的最佳轉(zhuǎn)發(fā)路徑。數(shù)據(jù)報(bào)封裝和分片IP層將來(lái)自上層協(xié)議的數(shù)據(jù)封裝成IP數(shù)據(jù)報(bào)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行分片。網(wǎng)絡(luò)連接IP層提供基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)連接功能，使不同網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備能夠相互通信。IP地址體系互聯(lián)網(wǎng)地址IP地址是互聯(lián)網(wǎng)中每臺(tái)計(jì)算機(jī)或設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)符，類(lèi)似于現(xiàn)實(shí)世界中的門(mén)牌號(hào)碼，用于識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)地址體系IP地址體系是用來(lái)管理和分配互聯(lián)網(wǎng)地址的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，確保每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址都是唯一且可識(shí)別的。層級(jí)結(jié)構(gòu)IP地址體系是一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址的分配、路由選擇和數(shù)據(jù)包傳輸。IPv4地址結(jié)構(gòu)IPv4地址由32位二進(jìn)制數(shù)表示，可以寫(xiě)成點(diǎn)分十進(jìn)制形式，例如192.168.1.100。32位IPv4地址由32位二進(jìn)制數(shù)表示，每個(gè)位可以是0或1。4字節(jié)每個(gè)字節(jié)包含8位，由點(diǎn)號(hào)分隔。255最大值每個(gè)字節(jié)的最大值為255，表示為11111111。4.3B地址數(shù)理論上IPv4地址可以表示43億個(gè)地址，但實(shí)際可用地址少很多。IPv4地址分類(lèi)1A類(lèi)地址A類(lèi)地址用于大型網(wǎng)絡(luò)，通常用于大型組織或服務(wù)提供商。2B類(lèi)地址B類(lèi)地址適用于中型網(wǎng)絡(luò)，例如大學(xué)或企業(yè)。3C類(lèi)地址C類(lèi)地址適用于小型網(wǎng)絡(luò)，例如小型辦公室或家庭網(wǎng)絡(luò)。4D類(lèi)地址D類(lèi)地址用于組播，允許將數(shù)據(jù)包發(fā)送到一組接收者。IP數(shù)據(jù)報(bào)格式IP數(shù)據(jù)報(bào)是IP層傳輸數(shù)據(jù)的基本單位。它包含源地址、目的地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、協(xié)議類(lèi)型等關(guān)鍵信息，以及數(shù)據(jù)部分。IP數(shù)據(jù)報(bào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，并在到達(dá)目的主機(jī)后進(jìn)行處理。IPv4地址分配互聯(lián)網(wǎng)地址分配互聯(lián)網(wǎng)地址分配由InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers(ICANN)負(fù)責(zé)，ICANN將地址空間分配給區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)注冊(cè)管理機(jī)構(gòu)(RIR)。RIR負(fù)責(zé)其管轄區(qū)域內(nèi)IP地址的管理，如分配給企業(yè)、運(yùn)營(yíng)商等。內(nèi)部地址分配企業(yè)或組織內(nèi)部的IP地址分配通常由內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)管理員負(fù)責(zé)，他們會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和需求分配IP地址。為了避免地址沖突，內(nèi)部地址分配通常使用私有IP地址范圍，這些地址在互聯(lián)網(wǎng)上無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)。子網(wǎng)劃分1網(wǎng)絡(luò)地址空間IP地址有限資源2子網(wǎng)劃分將網(wǎng)絡(luò)地址空間劃分成更小的子網(wǎng)絡(luò)3子網(wǎng)掩碼區(qū)分主機(jī)地址和網(wǎng)絡(luò)地址4網(wǎng)絡(luò)管理提升網(wǎng)絡(luò)效率和安全性子網(wǎng)劃分是一種將單個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)較小子網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)都有自己的網(wǎng)絡(luò)地址范圍，并使用子網(wǎng)掩碼來(lái)標(biāo)識(shí)。這種方法可以提高網(wǎng)絡(luò)效率，增強(qiáng)安全性，并簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理。它允許更好地管理網(wǎng)絡(luò)資源，并根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建子網(wǎng)。子網(wǎng)劃分示例例如，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的IP地址范圍是192.168.1.0到192.168.1.255，可以使用子網(wǎng)劃分將該網(wǎng)絡(luò)分成兩個(gè)子網(wǎng)，例如192.168.1.0到192.168.1.127和192.168.1.128到192.168.1.255。每個(gè)子網(wǎng)都有自己的子網(wǎng)掩碼，用于識(shí)別屬于該子網(wǎng)的IP地址。子網(wǎng)劃分可以提高網(wǎng)絡(luò)效率，減少?gòu)V播域，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性。子網(wǎng)掩碼概念11.識(shí)別網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)子網(wǎng)掩碼用來(lái)區(qū)分IP地址中的網(wǎng)絡(luò)部分和主機(jī)部分。22.網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)子網(wǎng)掩碼可以標(biāo)識(shí)不同的子網(wǎng)，在同一網(wǎng)絡(luò)中區(qū)分不同的子網(wǎng)。33.提高效率子網(wǎng)掩碼可以將一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)子網(wǎng)，從而提高網(wǎng)絡(luò)效率。44.安全性子網(wǎng)掩碼可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性，通過(guò)限制訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限來(lái)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)資源。子網(wǎng)掩碼使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)子網(wǎng)掩碼用于識(shí)別網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)地址之間的界限，將網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址區(qū)分開(kāi)來(lái)。網(wǎng)絡(luò)地址子網(wǎng)掩碼與IP地址進(jìn)行位運(yùn)算，得到網(wǎng)絡(luò)地址部分，用于區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)地址子網(wǎng)掩碼與IP地址進(jìn)行位運(yùn)算，得到主機(jī)地址部分，用于區(qū)分同一網(wǎng)絡(luò)中的不同主機(jī)。網(wǎng)絡(luò)路由子網(wǎng)掩碼幫助路由器識(shí)別目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，確定數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。路由選擇概述網(wǎng)絡(luò)路徑網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包需要找到到達(dá)目的地的最佳路徑。路徑選擇路由器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、流量情況等因素選擇最佳路徑。數(shù)據(jù)傳輸路由選擇確保數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中高效地傳輸。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由器根據(jù)路由表中的信息將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。路由選擇算法最短路徑算法算法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中兩點(diǎn)間的最短路徑，例如Dijkstra算法。洪泛算法算法將路由信息廣播到所有連接的網(wǎng)絡(luò)，適用于小型網(wǎng)絡(luò)。距離向量算法每個(gè)路由器維護(hù)一個(gè)距離向量表，記錄到達(dá)其他路由器的距離和下一跳路由器。鏈路狀態(tài)算法算法構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，每個(gè)路由器維護(hù)一個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和鏈路狀態(tài)信息。靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由靜態(tài)路由管理員手動(dòng)配置路由表。適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。維護(hù)成本低，但靈活性較差。動(dòng)態(tài)路由路由器之間自動(dòng)交換路由信息，更新路由表。適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)。維護(hù)成本高，但靈活性高。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議分類(lèi)距離矢量路由協(xié)議基于節(jié)點(diǎn)間的距離進(jìn)行路由選擇，距離可以是跳數(shù)或成本。鏈路狀態(tài)路由協(xié)議維護(hù)全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，?jì)算最優(yōu)路徑并進(jìn)行路由選擇?；旌下酚蓞f(xié)議結(jié)合距離矢量和鏈路狀態(tài)協(xié)議的特點(diǎn)，提供更靈活的路由選擇方案。RIP路由協(xié)議RIP簡(jiǎn)介RIP是一種距離矢量路由協(xié)議，使用跳數(shù)作為度量。它通過(guò)廣播的方式將路由信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)中的其他路由器。RIP協(xié)議簡(jiǎn)單易用，但其最大跳數(shù)限制為15跳，不利于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)使用。RIP工作原理RIP協(xié)議通過(guò)定期發(fā)送路由更新報(bào)文來(lái)更新路由信息，每個(gè)路由器都將自己的路由信息廣播給網(wǎng)絡(luò)中的其他路由器。其他路由器會(huì)根據(jù)收到的路由更新報(bào)文來(lái)更新自己的路由表。OSPF路由協(xié)議鏈路狀態(tài)路由協(xié)議OSPF使用鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，基于迪杰斯特拉算法。區(qū)域劃分OSPF支持區(qū)域劃分，提高網(wǎng)絡(luò)效率。安全認(rèn)證OSPF支持認(rèn)證機(jī)制，確保路由信息安全。層次化結(jié)構(gòu)OSPF支持層次化結(jié)構(gòu)，方便管理大型網(wǎng)絡(luò)。BGP路由協(xié)議路徑矢量路由協(xié)議BGP使用路徑矢量算法，基于AS號(hào)和路徑長(zhǎng)度選擇最佳路由。自治系統(tǒng)間路由BGP用于在不同自治系統(tǒng)之間交換路由信息，確?？缭讲煌W(wǎng)絡(luò)的連接。路由表維護(hù)BGP維護(hù)路由表，包含網(wǎng)絡(luò)地址、路徑、AS號(hào)等信息，用于選擇最佳路由路徑。IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程1接收IP數(shù)據(jù)報(bào)路由器接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)上的IP數(shù)據(jù)報(bào)，并檢查其目的IP地址。2查找路由表路由器根據(jù)目的IP地址，在路由表中查找與該地址匹配的路由條目。3選擇最佳路徑路由表中可能存在多個(gè)匹配的路由條目，路由器根據(jù)策略選擇最佳路徑。4封裝數(shù)據(jù)報(bào)路由器將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝到新的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)中，并發(fā)送到下一跳路由器。5重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中不斷轉(zhuǎn)發(fā)，直到到達(dá)最終目的地。TTL機(jī)制1生存時(shí)間TTL(TimetoLive)指的是數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中可以存活的時(shí)間，以秒為單位。2防止循環(huán)每個(gè)數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中TTL值會(huì)遞減，當(dāng)TTL值為0時(shí)，數(shù)據(jù)包會(huì)被丟棄，避免數(shù)據(jù)包無(wú)限循環(huán)。3網(wǎng)絡(luò)管理TTL可用于網(wǎng)絡(luò)管理，例如跟蹤數(shù)據(jù)包的路徑和識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的循環(huán)問(wèn)題。分片與重組1數(shù)據(jù)報(bào)過(guò)大數(shù)據(jù)報(bào)超出MTU2分片將數(shù)據(jù)報(bào)分成多個(gè)片段3發(fā)送逐個(gè)發(fā)送片段4接收接收所有片段5重組將片段重新組裝成完整數(shù)據(jù)報(bào)當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)過(guò)大時(shí)，需要將數(shù)據(jù)報(bào)分成多個(gè)片段，以便通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸。接收方收到所有片段后，需要將它們重新組裝成完整的數(shù)據(jù)報(bào)。ICMP協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議ICMP是互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議，用于在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳遞控制信息。錯(cuò)誤報(bào)告ICMP用于報(bào)告錯(cuò)誤，例如目標(biāo)主機(jī)不可達(dá)或數(shù)據(jù)包丟失。網(wǎng)絡(luò)診斷ICMP可用于診斷網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，例如路由器故障或網(wǎng)絡(luò)擁塞。ICMP報(bào)文類(lèi)型差錯(cuò)報(bào)告ICMP協(xié)議用于在網(wǎng)絡(luò)中傳遞差錯(cuò)信息，報(bào)告數(shù)據(jù)包傳輸中的異常情況，例如目標(biāo)主機(jī)不可達(dá)或數(shù)據(jù)包丟失等。詢(xún)問(wèn)報(bào)文ICMP協(xié)議用于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)探測(cè)，查詢(xún)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，例如ping命令就是使用ICMP協(xié)議發(fā)送回聲請(qǐng)求報(bào)文，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連通性。ICMPv4差錯(cuò)報(bào)告目的不可達(dá)目標(biāo)主機(jī)或網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)，IP數(shù)據(jù)報(bào)無(wú)法傳送到目的地。時(shí)間超過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r(shí)間超過(guò)TTL限制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)報(bào)被丟棄。協(xié)議錯(cuò)誤數(shù)據(jù)報(bào)包含錯(cuò)誤的協(xié)議信息，例如協(xié)議號(hào)無(wú)效。端口不可達(dá)數(shù)據(jù)報(bào)嘗試訪(fǎng)問(wèn)的目標(biāo)端口被關(guān)閉，無(wú)法接收數(shù)據(jù)。ICMPv4詢(xún)問(wèn)報(bào)文ICMPv4詢(xún)問(wèn)報(bào)文用于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接，檢查目標(biāo)主機(jī)是否在線(xiàn)，并確定往返時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮剿魍ㄟ^(guò)發(fā)送ICMP報(bào)文，可以獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的連接信息。IPv6地址體系IPv6是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本6，是互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）設(shè)計(jì)的下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，旨在取代現(xiàn)有的IPv4協(xié)議。IPv6采用128位地址，相比于IPv4的32位地址空間，它可以提供更大的地址空間，滿(mǎn)足未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要。IPv6采用新的地址結(jié)構(gòu)和地址分配機(jī)制，更安全，更靈活，更易于管理。IPv6地址格式IPv6地址使用128位二進(jìn)制數(shù)表示，通常用8個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字，每組數(shù)字之間用冒號(hào)分隔。例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IPv6地址可以分為全局唯一地址和本地地址，全局唯一地址用于在互聯(lián)網(wǎng)上識(shí)別不同的設(shè)備，本地地址用于在本地網(wǎng)絡(luò)中識(shí)別不同的設(shè)備。IPv6地址分類(lèi)單播地址用于唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的單個(gè)設(shè)備。每個(gè)單播地址對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)接口。組播地址用于向一組設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。組播地址允許將數(shù)據(jù)發(fā)送到多個(gè)設(shè)備，而無(wú)需單獨(dú)發(fā)送到每個(gè)設(shè)備。任播地址用于向某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)只發(fā)送到其中一個(gè)設(shè)備。任何播地址用于向網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。任何播地址通常用于廣播數(shù)據(jù)包。IPv6報(bào)文格式IPv6報(bào)文格式與IPv4報(bào)文格式有較大區(qū)別。IPv6報(bào)文格式包括報(bào)文頭和報(bào)文數(shù)據(jù)兩部分。報(bào)文頭包含版本號(hào)、優(yōu)先級(jí)、流量標(biāo)簽、有效載荷長(zhǎng)度、下一層協(xié)議、跳數(shù)限制、源地址、目的地址等字段。報(bào)文數(shù)據(jù)部分則包含應(yīng)用層數(shù)據(jù)。IPv6報(bào)文格式更簡(jiǎn)潔，去除了部分IPv4中