09 我想有个家 - 什么是IP地址

09 我想有个家 - 什么是IP地址

今天开始我们来看一下你可能听过的最多的一个概念，即使你不是工程师，你可能也听过这个词IP，当然可能IP的意思不一样。所以为了澄清，首先我们要来说一下我们的IP是什么？这里的IP不是Intellectual
property，不是指的disney的Star wars。而是网络里面的IP即Internet
Protocol。IP是一个很有用而且很复杂的概念。这也是为什么我要用一整章来讲解。

什么是IP?

那什么是IP或者说什么是IP地址呢？IP地址用由句点分隔的四组数字组成。我们前面的二进制里面也讲了这一点对不对。IP地址被分配给网络上设备的网络接口卡，并且我们的IP地址被分为两部分。它具有网络部分，另一部分是主机部分。网络部分标识联网设备。主机部分标识的是特定网络上的单个设备。这与我们的地址没有太大的区别。这与将特定的街道地址作为识别为个人的方式非常相似。将你房子周围的空气和邮政编码标识为区域，在一个区域里有很多房屋，但地址和门牌号都是不同的，你可能是住在一门，我是二门等等。但是它们都属于相同的邮政编码。我们的邮政编码，有点像我们的网络部分，还有我们的主机部分，有点像我们的地址。我们在邮编中具有唯一标识或邮政编码，并且在邮编中具有通用标识。

IP地址以四个十进制数字的格式写入。这些十进制数字中的每一个我们称为八位字节。因此203.0.113.10那里有四个八位字节。它包含八个二进制位。因此，我们的IPv4地址始终为32位长。我们将其分为四组，每组八位，然后将它们转换回十进制，以便将它们编程到计算机中并进行讨论。你想一下，那在每一组里的数字最大是多少？

1982年提出Ipv4时犯了一个巨大的错误，这也是我们需要克服的一个大障碍，这是将二进制转换成十进制而不是其他更有效的方式。（这像不像是你写的代码，会为后面的扩展产生影响和阻碍？其实很正常，你想想IP虽然有问题，但是也使用了将近30年。现在有了IPV6但是还需要一段时间来全面使用或者一起使用。）这里我们来思考一下或者是发散一下你的思维，现在这种形式如何识别地址的网络和主机部分呢？我们的地址始终包含网络部分和主机部分。但是应该如何确定哪个是网络部分哪个是主机部分呢？

地址类型

我们来看一下地址类型。我们可以从功能上来分类地址类型。基本上可以分为三类。

  • 网络地址-它是系统中一组设备或一组IP地址的标识符。网络地址有点像我们的邮政编码，而没有与之关联的街道地址。邮政编码代表一个地理区域。我们的网络地址代表IP地址范围。网络地址有时称为网络前缀，或简称为前缀。
  • 广播地址是第二种地址。广播地址是网络上所有设备的标识符。举个例子来说，在美国的话，纸质的邮件还是非常普及的。所以每家都会经常收到纸质的广告，比如说某某超市商品促销了之类的。这个就是广播，你会发现住在某一个区域的住户都会收到相同的广告促销。这个就有点像是广播地址。如果我有一个小公司想要发类似的广告，只需要去邮局然后说，我想把这个广告发给邮政编码xxxxx的住户，然后邮局就会帮我去投放了。广播地址的目的是可以一次将消息发送到网络上所有设备的地址。
  • 主机地址是第三种。主机地址是确认在网络中的独一的设备。比如一台电脑，打印机或者是一个路由器。如果我们有一台设备比如说电脑想有一个IP地址。那么该计算机必须具有主机地址，并且不能为其分配网络地址或广播地址。前两种地址主要用于描述我们的网络，但是主机地址才是我们需要显示的应用到我们的设备上。

我们现在来深度剖析每一种地址类型，让你有一个更深层次的认识。

网络地址

先看一下这个例子

203.0.113.0
11001011 00000000 01110001 00000000（下面讲解的是这部分）
11111111 11111111 11111111 00000000 （子网掩码）
255.255.255.0 子网掩码
相信前面认真学习的同学可以看出以上IP地址的端倪吧。
网络部分是203.0.113  主机部分是0

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你在这里如果对子网掩码陌生，先忽略，我们后面会讲到。

如果你的地址的主机部分全部为零，就好像上面的例子那样，那么这个是网络地址。你永远不能将其分配给任何网卡。我下图标记出来了。如果全0或者全1。那就注定这不是一个普通的地址。

在这里插入图片描述

广播地址

先看一下这个例子

203.0.113.255
11001011 00000000 01110001 11111111（下面讲解的是这部分）
11111111 11111111 11111111 00000000 （子网掩码）
255.255.255.0 子网掩码

网络部分是203.0.113  主机部分是255

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如果你的地址的主机部分为全部为1，就好像上面的例子那样，那么这个是广播地址。同理，你也永远不能将其分配给任何网卡。就好像上面说的，全0和全1都是特殊的。全0是网络地址。全1是广播地址。

在这里插入图片描述

主机地址

先看一下这个例子

203.0.113.10
11001011 00000000 01110001 00001010（下面讲解的是这部分）
11111111 11111111 11111111 00000000（子网掩码）
255.255.255.0 子网掩码

网络部分是203.0.10  主机部分是10

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我们上面讲的主机部分全是0的时候叫做网络地址，全是1的时候叫做广播地址，那其他的呢是不是就是我们需要的主机地址了。既然这个是主机地址了，是不是你就可以把它赋值给网卡了。可以赋给打印机，路由器等等。比如在这里，主机部分就是10。

所以，在这里子网掩码是一个不变量，那你的主机地址范围是不是就是在00000000 到 11111111之间的值。也就是1 到254。

私有和公有地址

私有地址只允许在一个公司内部使用，你仔细想一下，这说明什么，说明你在A公司的内部可以使用10.0.0.1，我在B公司也可以同样使用10.0.0.1对不对。这样会冲突吗？不会，因为是内部使用，互相是看不到的，为什么需要这样呢？开动你的小脑瓜想一下（下一小节会讲到）。当然不可能所有的IP地址都可以作为私有的，下面是所有私有地址的范围

10.0.0.0 -- 10.255.255.255
172.16.0.0 -- 172.31.255.255
192.168.0.0 -- 192.168.255.255

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看透IP

我们之前说过数据的传输是靠Header来确定这是要传到哪里的数据。那我们来看一下IP的header是什么样子的？我懒得画了，就直接从网上找了一个。

在这里插入图片描述

我们还是一个一个的字段来讲解。

  • Version（版本号）4bits：用来暗示版本号，我们一直说IPV4，那这里就是4对不对，那IPV6呢？
  • IHL（Internet Header Length头部长度） 4bits：头部的长度
  • Type of Service（服务类型）8 bits：因为是8 bits，所以可以分成下面的8个值。用于定义包的优先级，值越大，数据越重要，我就不翻译下面的意思了。感兴趣的自己查一下。
    • 000 Routine
    • 001 Priority
    • 010 Immediate
    • 011 Flash
    • 100 Flash Override
    • 101 CRI/TIC/ECP
    • 110 Internet Control
    • 111 Network Control
  • Total Length（总长度）16 bits：总长度，包括头和数据
  • Identification（标识） 16 bits: 一个序列号，与源地址，目标地址和用户协议一起，旨在唯一地标识一个数据报(Datagram)
  • Flags（标志）3 bits: 当前仅定义了两个位。更多的位用于分段和重组。第二位是DF（Don’t Fragment）位。如果已知目标没有重组片段的功能，则此位可能很有用。但是，如果设置了此位，数据报一旦超过路由网络的最大大小，则该数据报将被丢弃。
  • Fragment Offset（片偏移）(13 bits)：此片段在原始数据报中的位置（以64位为单位）。这意味着除最后一个片段以外的其他片段必须包含长度为64位倍数的数据字段。
  • Time to Live（生存时间）(8 bits):定义一个电报允许在网络中存活的时间，以S来计算。
  • Protocol（协议）8 bits: 指示在目的地接收数据字段的下一个更高级别的协议，此字段标识ip头之后的数据包中下一个头的类型，举个例子。TCP的值是6，UDP的值是17。
  • Header Checksum（首部校验）16 bits: 仅应用于头部的错误检测。
  • Source Address（源地址）32 bits: 源IP地址
  • Destination Address（目标地址）32 bits: 目标IP地址
  • Options（选项）variable：编码发送用户请求的选项
  • Padding（填充）variable：用于确保数据报头是32位长度的倍数
  • Data（数据）variable：数据

下面来看一个具体的例子。不知道你有没有听过wireshark，这是一个用于包裹分析的工具，感兴趣的可以下载来试一下。

在这里插入图片描述

从上图你可以看出，你们包含着我们上面讲的header里面的内容，上面的是理论概念，这个图是在实际发送中的具体数据包里面有什么。比如你可以看到version：4也就是IPV4。然后就是Header
length，TotalLength。。。等，你可以对着上面的理论模型来找到一一对应。