秋招Day12 - 计算机网络 - IP

IP协议的定义和作用?

IP协议用于在计算机网络中传递数据包,定义了数据包的格式和处理规则,确保数据能够从一个设备传递到另一个设备,中间可能经过多个不同的设备(路由器)。

IP协议有哪些作用?

  • 寻址标识网络中的目标位置,确保数据准确地传送到目标设备。
  • 路由:IP协议负责数据包在网络中传输的路径,比如路由器可以目标IP地址信息匹配路由表中的下一跳
  • 分片和重组:数据包在传输的过程中可能被分为多个小片,接收端会根据头部信息将这些片段重组为完整的数据包。

举一个实际例子来说明

假设有两个设备 A 和 B 通过互联网通信,A 的 IP 地址是 192.168.1.1,B 的 IP 地址是 203.0.113.5。数据包的传输过程如下:

①、设备 A 发送数据包:

  • 设备 A 创建一个 IP 数据包,设置源地址为 192.168.1.1(本地地址),目的地址为 203.0.113.5,将要传输的数据放入数据部分。
  • 数据包封装后,通过本地网络发送到路由器

②、路由器转发数据包:

  • 路由器根据路由表查找目的地址 203.0.113.5,确定数据包的传输路径。
  • 数据包可能经过多个中间路由器,每个路由器都根据路由表选择下一跳,最终到达目标设备的网络。

③、设备 B 接收数据包:

  • 设备 B 接收数据包,读取 IP 头部信息,验证数据包的完整性
  • 并数据部分取出,交给上层协议处理(如 TCP 或 UDP)。

IP地址有哪些分类?

公网IP地址在互联网范围内是唯一的,IP 地址 = {<网络号>,<主机号>}。

网络号表示主机连接的网络地址在互联网中属于哪个网络,主机号用于唯一标识该网络中的设备

IP地址分为A、B、C、D、E五类

域名和IP地址的关系?IP可以对应多个域名吗?

IP 地址在同一个网络中是惟一的,用于在该网络中的设备;域名在同一个网络中也是唯一的。

IP和域名的关系是多对多

一个IP多个域名(域名别名)

bash 复制代码
203.0.113.10 ← example.com
203.0.113.10 ← www.example.com  
203.0.113.10 ← shop.example.com

一个域名多个IP(负载均衡)

复制代码
google.com → 142.250.191.14
google.com → 142.250.191.46
google.com → 172.217.164.110

IPv4地址不够是如何解决的?

  • DHCP:只给接入网络的设备动态地分配IP地址,使得空闲的 IP 地址可以得到充分利用。
  • CIDR:无类别域间路由,消除了传统的固定类别边界,使子网划分变得更加灵活,不再受A、B、C类固定长度的限制。
  • NAT:网络地址转换协议,不同的局域网中设备的IP地址可以相同,一定程度上解决了IP地址耗尽的问题,而NAT又将局域网中的私有IP地址转换为公网地址
  • IPv6:使用128位的网络地址,可以从根本上解决网络地址不够用的问题,但还没有被广泛使用。

说一下ARP协议的工作流程

ARP是数据链路层的协议,将上一层(网络层)的IP地址解析为数据链路层MAC地址

  1. ARP请求:当主机A要发送数据包给主机B时,首先判断B是否在同一网络。然后在ARP缓存中查找下一跳IP地址(同网络时是B的IP,跨网络时是网关IP对应的MAC地址。如果没有找到,就会广播一个独立的ARP数据包,请求下一跳IP地址对应的MAC地址
  2. ARP应答:同一个网段内的设备收到广播,只有对应IP地址的那个设备才会应答自己的MAC地址,其他设备会忽略,并且所有收到广播的设备会将发起ARP请求的设备的IP与MAC映射缓存
  3. 更新ARP缓存:发起请求的设备收到对应IP-MAC映射后,会更新自己的ARP缓存。

为什么既有IP地址,又有MAC地址?

MAC地址和IP地址各自有什么作用?

MAC地址是数据链路层使用的地址,是写在网卡上的物理地址,用来定义网络中的设备位置,是唯一的。

IP地址是网络层之上使用的地址,是一个逻辑地址,有可能变更,用来区别同一个网络内的计算机,也可以用来跨网络寻址路由

为什么有了MAC地址还需要IP地址?

为了节省路由器的存储空间。如果只使用MAC地址来寻址,我们需要知道每个MAC地址所属的子网,路由器中需要存储2^48条MAC地址-子网映射,显然不现实。

然而我们可以直接通过IP地址的前缀得到设备属于哪个子网,剩下的寻址交给子网内部去实现,范围逐渐缩小,最终找到目标。

为什么有了IP地址还需要MAC地址?

因为设备在联入网络之前没有IP地址,这时需要用MAC地址来区分不同的设备。

而且IP地址是端到端的,一开始就知道最终目标设备的IP地址,逐步缩小网段范围,负责逻辑寻址;MAC地址是点到点的,负责物理传输,用于标识在同一个网段内的物理设备,只有最后一跳才知道最终目标设备的MAC地址。

ICMP协议的功能?

网络控制报文协议,作用在网络层

是一个无连接的,用于网络设备之间交互信息,包括错误报告网络诊断网络控制

当遇到无法访问IP地址对应的目标时,或者无法以期望的速率转发数据包时,会自动发送ICMP消息,根据得到的报告定位错误并进行网络控制优化

ping命令的原理?

ping用来测试网络的可达性延迟,基于ICMP协议。

首先DNS解析出IP地址,然后向目标IP发送一个ICMP Echo Requst信息。

目标IP收到一个ICMP Echo Request信息后,会响应一个ICMP Echo Reply

发起ping命令的设备收到这个ICMP Echo Reply信息后,计算平均响应时间丢包率等信息,告诉我们网络连接的质量

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