网络协议的分层

在聊IP之前，需要先对计算机网络协议的层级进行简单介绍。

TCP/IP模型分为五层：

1. 物理层（Physical Layer）：负责数据的物理传输，包括通过传输介质传输比特流、电压等信号。

2. 数据链路层（Data Link Layer）：提供可靠的点对点数据传输，包括将比特流划分为帧，进行错误检测和纠正，以及进行访问控制。

3. 网络层（Network Layer）：负责不同网络之间的数据包转发和路由选择，包括通过设备间的路径选择将数据包从源主机传输到目标主机。

4. 传输层（Transport Layer）：提供端到端的可靠数据传输，包括分段、流量控制、拥塞控制等功能。

5. 应用层（Application Layer）：提供特定应用程序的服务，包括用户与应用程序之间的交互，如电子邮件、文件传输、远程登录等。

IP位于网络层，负责将数据包从源主机传输到目标主机。

什么是IP地址

IP地址（Internet Protocol Address）是计算机网络中用于唯一标识和定位网络设备（如计算机、服务器、路由器等）的一组数字。它是由32位（IPv4）或128位（IPv6）二进制数字组成。

IPv4地址由四个8位字段组成，每个字段用点分十进制表示。例如，10.100.122.2是一个IPv4地址。

IP地址的作用是在网络中唯一标识一个设备，并通过路由器进行数据包的转发和路由选择，以实现网络通信。每个设备在网络中都需要一个唯一的IP地址，以便其他设备可以向其发送数据包。

查看IP

查看ip地址，windows上使用ipconfig命令；linxu上有ifconfig或ip addr命令，需要通过安装net-tools和iproute2获得。

如10.100.122.2是一个ip地址，地址被分为四个部分，每个部分8个bit（0-255），所以ip地址是32位的。所以现在的ip地址大概有40多亿个，随着互联网的发展，ip地址不够用了，所以出现了ipv6，ipv6是128位的，理论上有3.4*10^38个ip地址。

IP地址是怎么来的

首先需要从根源上来看，全球的IP地址都是由IANA（互联网数字分配机构）来分配的。

互联网地址分配机构（IANA）将网络资源委任区域互联网注册管理机构管理，然后相对的，为了未来能进一步地再委任ISP和最终用户的资源，区域互联网注册管理机构遵循着他们的区域政策。

区域互联网注册机构（Regional Internet Registry，RIR），是管理世界上某特定地区Internet资源的组织。

现在世界上有五个正在运作的区域互联网注册管理机构：

• 美洲互联网号码注册管理机构（American Registry for Internet Numbers，ARIN）管理北美、南极洲和部分加勒比地区事务
• 欧洲IP网络资源协调中心（RIPE Network Coordination Centre，RIPE NCC）管理欧洲、中东和中亚地区事务
• 亚太网络信息中心（Asia-Pacific Network Information Centre，APNIC）管理亚洲和太平洋地区事务
• 拉丁美洲及加勒比地区互联网地址注册管理机构（Latin American and Caribbean Internet Address Registry，LACNIC）管理拉丁美洲和部分加勒比地区事务
• 非洲网络信息中心（African Network Information Centre，AfriNIC）管理非洲事务

以中国大陆为例，中国大陆的IP地址是由APNIC管理的，APNIC将IP地址分配给中国大陆的ISP（Internet Service Provider的缩写，意为互联网服务提供商。比如中国移动、中国联通），然后ISP再将IP地址分配给最终用户。

CIRD

IANA将IP分为了五类，大概是这样的：

不过这种分类方式显示出了诸多弊端，比如地址资源浪费、分配不灵活、路由表规模膨胀等问题。

于是出现了CIDR。

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）是一种用于对IPv4地址进行编址和路由的方法。CIDR取代了传统的分类IP地址（Classful IP Addressing）。

在传统的分类IP地址中，IP地址被分为A类、B类和C类等不同的类别，每个类别有固定的网络前缀长度。这种分类方式限制了IP地址的灵活使用，导致地址资源的浪费。

而CIDR引入了可变长度子网掩码（Variable-Length Subnet Mask，VLSM），通过在IP地址中使用不同的子网掩码来划分网络。CIDR表示法将IP地址和子网掩码写在一起，使用“IP地址/前缀长度”的格式表示。例如，192.168.0.0/24表示前24位是网络标识，剩下的8位是主机标识。

CIDR的优点包括：

1. 提高了IP地址的利用率：CIDR允许将一个网络划分为更小的子网，根据实际需求分配IP地址，避免了资源浪费。

2. 灵活的网络划分：CIDR允许对网络进行更精细的划分，使网络更加灵活和可扩展。

3. 更有效的路由表：CIDR的引入减少了路由表的规模，提高了路由器的路由效率。

CIDR的广泛应用使得IP地址管理更加灵活和高效，为互联网的发展提供了更好的支持。

网络号与主机号

在CIDR（Classless Inter-Domain Routing）中，一个IP地址由两部分组成：网络号和主机号。网络号指示了一个IP地址所属的网络，网络号是用于在局域网中区分不同子网的唯一标识符，而主机号则表示该网络中的具体主机或设备。

CIDR中使用前缀长度（或子网掩码）来确定网络号和主机号的划分。前缀长度表示网络号的位数，剩余的位数则用于表示主机号。

例如，考虑一个CIDR表示为 192.168.0.0/24 的IP地址。这表示前24位是网络号，剩下的8位是主机号。在这个例子中，192.168.0.0 是网络号，而主机号从 0 到 255 都可以用于表示具体的主机。

CIDR的前缀长度可以是任意值，可以根据需要进行灵活的调整，以满足不同网络规模和需求。较小的前缀长度表示更大的网络，而较大的前缀长度表示更小的网络。

子网掩码（前缀长度）

在CIDR（Classless Inter-Domain Routing）中，子网掩码用于确定一个IP地址中哪些位是网络号，哪些位是主机号。子网掩码是一个与IP地址位数相同的二进制数，用于按位与操作以提取网络号。

子网掩码通常使用点分十进制表示法，与IP地址一起表示为CIDR表示法的一部分。例如，对于CIDR表示为 192.168.0.0/24 的IP地址，子网掩码为255.255.255.0。

子网掩码中的连续的1表示网络号的位，连续的0表示主机号的位。在上面的例子中，子网掩码的前24位（从左到右）是1，表示网络号，而最后的8位是0，表示主机号。

子网掩码的作用是将IP地址与子网掩码进行按位与操作，以提取出网络号。例如，对于IP地址 192.168.0.10 和子网掩码 255.255.255.0，进行按位与操作后，得到的网络号是 192.168.0.0。

通过使用不同的子网掩码，可以将一个网络划分为多个子网，实现更细粒度的地址分配和路由控制。子网掩码的长度决定了网络号和主机号的划分方式，较小的子网掩码表示更大的网络，而较大的子网掩码表示更小的网络。

需要注意的是，CIDR中的子网掩码不一定要是连续的1和0。例如，对于CIDR表示为 192.168.0.0/26 的IP地址，子网掩码为255.255.255.192，其中前26位是1，后面的6位是0。这种非连续的子网掩码允许更灵活地划分网络。

一个特殊的CIDR

上面说到：CIDR的前缀长度可以是任意值。常用的前缀长度是8、16和24，你也可以指定一些特殊的CIDR。

来看16.158.165.91/22这个CIDR，求一下这个网络的第一个地址（网关）、子网掩码和广播地址。

/22不是整数，不好办。16.158不会动，中间的165，变成二进制是10100101，变成16.158.<101001><01>.91，

那么第一个地址是16.158.<101001><00>.1（全变0，最后一位是1），即16.158.164.1。

子网掩码255.255.<111111><00>.0（全变0，最后一位是0），即255.255.252.0。

广播地址为16.158.<101001><11>.255（全变1，最后为255），即16.158.167.255。

默认网关

默认网关（Default Gateway）是指当主机要访问的目标主机不在本地网络中时，将数据包转发到的下一跳路由器。默认网关通常是本地网络中的路由器，也可以是其他设备。

当两台主机在同一个网络号的时候，他们可以直接通信。比如192.168.0.1和192.168.0.2，他们的网络号都是192.168.0，那么他们可以直接通信。

如果两台主机不在同一个网络号，比如192.168.0.1和192.168.1.2，那么他们就不能直接通信。A要访问B，会使用默认网关作为下一跳，网关会转发请求到对应的目的IP。

这个默认网关一般指的是路由器。

局域网中IP地址的分配

静态IP地址分配

在Linux中配置静态IP地址的示例可以参考以下步骤：

1. 打开终端并以超级用户身份登录（或使用sudo命令）。

2. 找到要配置的网络接口名称。可以使用ifconfig命令或ip addr命令来查看当前的网络接口列表。例如，假设要配置的网络接口名称为eth0。

3. 编辑网络接口的配置文件。使用文本编辑器（如vi或nano）打开接口配置文件。在大多数Linux发行版中，接口配置文件位于/etc/network/interfaces或/etc/sysconfig/network-scripts/目录下。例如，使用vi编辑器打开配置文件：

   sudo vi /etc/network/interfaces
   

4. 在配置文件中找到要配置的接口，并添加以下行（根据您的网络环境进行相应调整）：

   auto eth0
   iface eth0 inet static
   address 192.168.0.100      # 静态IP地址
   netmask 255.255.255.0     # 子网掩码
   gateway 192.168.0.1       # 默认网关
   dns-nameservers 8.8.8.8   # DNS服务器
   

   注意：根据您的网络环境，可能还需要设置其他参数，如网络设备的MAC地址（hwaddress）或其他高级网络配置。

5. 保存并关闭配置文件。

6. 重新启动网络服务或重启计算机以使更改生效。可以使用以下命令重启网络服务：

   sudo systemctl restart networking
   

以上步骤中的IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器地址需要根据您的网络环境进行相应的配置。请确保配置的IP地址与您的网络中的其他设备不发生冲突，并确保正确设置子网掩码和默认网关，以便正确路由网络流量。

动态IP地址分配（DHCP）

如果一个笔记本用了就走，那么手动配置IP就太麻烦了。

我们需要一个自动配置的协议，称为动态主机配置协议，也就是DHCP。

第一步：DHCP Discover，本机只知道自己的MAC地址，只能先吼一句。新来的机器使用0.0.0.0发送一个广播包，目标ip为255.255.255.255，封装在UDP里面，UDP封装在BOOTP里面。DHCP是BOOTP的增强版。

广播包里的内容为：我是新来的（Boot request），我的MAC是这个，谁能给我一个IP呢？

如果网络里配置里DHCP Server的话，它就知道来了一个新人。从而租用给他一个IP，被称为DHCP Offer。

DHCP Server使用广播地址作为目的地址，除了IP，还会发送子网掩码、网关、DNS和IP地址租用期等信息。

如果网络中有多个DHCP Server，新机器一般会选择最先到达的那个。它还会发送一个DHCP Request给所有DHCP Server。DHCP Server收到DHCP Request之后会返回个客户机一个DHCP ACK消息包，最终租约达成，需要广播一个，让大家都知道。

IPv6

IPv6（Internet Protocol version 6）是互联网协议的第六个版本，是IPv4的继任者。IPv6采用128位地址长度，相比IPv4的32位地址长度，提供了更多的IP地址空间。IPv6的主要目标是解决IPv4所面临的地址耗尽问题，并提供更好的安全性、可靠性和性能。

以下是一些IPv6的特点和优势：

1. 更大的地址空间：IPv6采用128位地址长度，提供了约340万亿亿亿亿（3.4 x 10^38）个唯一的IP地址，远超过IPv4的可用地址数量。这样可以满足未来互联网中大量设备的需求。

2. 简化的地址分配：IPv6引入了自动地址配置（Autoconfiguration）功能，使得设备可以自动获取全局唯一的IPv6地址。这样可以简化地址分配的管理和配置，减少了对网络管理员的依赖。

3. 改进的安全性：IPv6内置了对IP数据报的加密和认证支持，称为IPSec（Internet Protocol Security）。这提供了更强的数据传输安全性，包括数据的机密性、完整性和身份验证。

4. 增强的移动性支持：IPv6提供了更好的移动性支持，如移动设备接入互联网时的快速地址配置、移动设备的无缝漫游以及更好的网络连接保持。

5. 改进的性能和路由效率：IPv6使用更简化的报头格式，减少了路由器处理的复杂性，提高了路由效率和网络性能。此外，IPv6还引入了多播（Multicast）和任播（Anycast）功能，提供了更高效的数据传输方式。

6. 支持新的应用和服务：IPv6为新的应用和服务提供了更好的支持，如物联网（IoT）、云计算、大规模传感器网络等。这些应用和服务通常需要更大的地址空间和更高的性能。

尽管IPv6在全球范围内的采用进展较慢，但随着IPv4地址耗尽的加速和对新技术的需求增加，IPv6的重要性逐渐凸显。大多数现代操作系统和网络设备都支持IPv6，并且逐渐推动IPv6的部署和采用。

总结

本文主要介绍了计算机网络协议的分层，以及在网络层中的IP地址的概念和作用。IP地址是由32位（IPv4）或128位（IPv6）二进制数字组成，用于在网络中唯一标识和定位设备。全球的IP地址由互联网数字分配机构（IANA）分配，并用CIDR方式对IP地址进行编址和路由，以提高IP地址的利用率和网络划分的灵活性。

IP地址分为静态IP地址和动态IP地址（DHCP）。静态IP地址需要手动配置，而动态IP地址可以通过自动的DHCP协议获取。

最后，文章介绍了IPv6的特点和优点，如更大的地址空间、改进的安全性、增强的移动性支持等，IPv6逐渐成为网络发展的趋势。

希望本文对你有所帮助！

祝你变得更强!