IP寻址
发布于 • 作者: Ethan
全局网络寻址的需求
一、为什么需要“全局唯一”的地址？
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在互联网中，每一个主机、路由器等设备都必须可被唯一标识，否则：
- 数据报无法被正确送达目标；
- 路由器无法建立正确的转发表（Forwarding Table/FIB）。
二、路由器与交换机的区别（在地址层面）
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路由器（Router）
- 在 网络层（IP 层） 转发数据包；
- 需要有唯一的 IP 地址（通常每个接口一个 IP）。
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交换机（Switch）
- 在 链路层（以太网/MAC 层） 转发帧；
- 依赖以太网地址（MAC address）转发，而不是 IP 地址；
- 讲义中强调：路由器有唯一地址，而“为什么不是交换机？”是思考点，原因就是交换机更多依赖 MAC 学习表，而不是把自己当作“端主机”被寻址。
以太网地址（Ethernet Address）
一、基本概念与表示形式
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每一块以太网网卡（Network Interface / Adapter）都有一个全球唯一的以太网地址（MAC 地址）。
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地址是属于网卡适配器，而不是主机本身，一台主机多块网卡就有多个 MAC 地址。
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通常写成 6 个字节，用十六进制表示，中间用冒号“:”分隔，例如：
8:0:2b:e4:b1:2
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每个字节由两位十六进制表示（每位对应 4 bit），因此总共 6 × 8 = 48 bit。
示例：
-
讲义中的示例：
8:0:2b:e4:b1:2- 转为二进制：
00001000 00000000 00101011 11100100 10110001 00000010 - 实际书写时可以写成
08:00:2b:e4:b1:02，前导 0 可以省略，所以幻灯片写得更简略。
- 转为二进制：
二、唯一性如何保证：厂商前缀（OUI）
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为了保证全球唯一性，IEEE 给每个网卡厂商分配一个固定前缀（前 24 位）。
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例如：
- AMD 被分配的前缀是
8:0:20（即前三个字节）。
- AMD 被分配的前缀是
-
厂商在生产网卡时，只能在后 24 位范围内自行分配，避免和其他厂商冲突。
具体例子：
-
某块 AMD 网卡 MAC 地址：
8:0:20:12:34:568:0:20→ 固定厂商前缀（AMD）；12:34:56→ 由 AMD 自己在其分配空间内保证不重复。
三、以太网地址的三种类型
以太网帧在一个广播域中是“一发所有人都能收到”，但是否“接受”要看 MAC 地址匹配。
一、单播地址（Unicast）
- 帧头中的目的 MAC 地址是某个具体网卡的地址；
- 只有该网卡会把这个帧“交给上层（IP 层）”。
二、广播地址（Broadcast）
- MAC 地址全为 1：
FF:FF:FF:FF:FF:FF； - 所有网卡都会接收并上传该帧。
三、多播地址（Multicast）
- 第一位为 1，但不是全 1，即不是广播地址；
- 网卡可以被“编程”成接收某些特定多播地址，以支持一对多通信。
适配器的接受规则总结：
网卡会接收并上传以下几类帧：
- 本机单播 MAC 地址的帧；
- 广播地址的帧；
- 被配置为感兴趣的多播地址的帧。
以太网地址的挑战：平面地址空间（Flat Addressing）
虽然以太网地址全球唯一，但其在路由与管理上存在问题：
一、没有层次结构（Flat）
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MAC 地址只是一个 48 位的编号，并不携带“网络位置”的信息：
- 看不出来这个主机在哪个子网、哪个机构；
- 所以路由器无法通过 MAC 地址“猜”出路由方向。
二、对路由器与交换设备的压力
-
如果用 MAC 地址来做广域网络路由：
- 路由器需要对每一个主机地址保存一条转发规则；
- 导致 FIB（Forwarding Information Base，转发表）极其庞大，无法扩展。
比喻理解：
- MAC 地址好比“身份证号”，非常精确，但看不出你在哪个城市、哪个小区；
- IP 地址更像“省-市-区-街道-门牌号”的结构化地址，可以按“前缀”聚合，方便导航和路由。
IP 地址：分层的全局地址（Hierarchical Addressing）
一、基本性质与格式
一、属性
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全局唯一（Globally Unique）；
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层次化结构：由“网络号（network）+ 主机号（host）”两部分构成；
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IPv4 地址总共约 2³² ≈ 4×10⁹ 个。讲义中提到传统 classful：
- 约一半为 A 类地址；
- 约 1/4 为 B 类；
- 约 1/8 为 C 类。
二、表示方式（点分十进制）
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典型示例：
10.3.2.4128.96.33.81192.12.69.77
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每一段是 0–255 的十进制数，实际是一个字节。
层次结构的好处：
- 前缀代表“网络位置”（类似城市/小区）；
- 同一个网络号下的主机可以在路由表中聚合成一条规则，大幅减少路由表项数量。
二、IP 地址空间的浪费问题（Classful 的局限）
讲义指出：如果给每个物理网络都分配一个完整的“网络号”，IP 地址会很快耗尽：
一、B 类地址的例子
- 只需要 2¹⁴ ≈ 16,000 个 B 类网络号，就可以支持约 4×10⁹ 个主机；
- 但现实中，很多机构拿到一个 B 类网段（最大可容纳 65,534 个主机），实际只用了几百、几千台主机；
- 于是造成大量“主机号”空间浪费。
二、路由表变大问题
- 使用的网络号越多，路由器需要的前缀越多；
- 转发表越大，存储成本越高，查表越慢，路由器性能下降。
子网 Subnetting：在站点内部再加一层
一、子网设计的目标
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减少对 全球网络号（network number） 的需求；
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在一个机构内部，再加一层“子网（subnet）”层次：
- 整体对外表现为一个网络号；
- 内部可以划分多个子网。
二、子网掩码（Subnet Mask）的作用
一、基本思想
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对于 A/B 类地址，在“原有主机号”字段中，再切一部分出来当“子网号”；
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通过子网掩码来指定：
- 哪些位是 网络号 + 子网号；
- 哪些位是 主机号。
二、形式
-
子网掩码也是 32 位，用 1 表示“网络/子网部分”，0 表示“主机部分”；
-
常见写法：
- 传统掩码：
255.255.255.0； - CIDR 写法：
/24表示前 24 位为 1。
- 传统掩码：
三、讲义中的要点
- 可以有“默认路由”（default route），当没有更精确匹配时采用默认；
- 子网掩码的 1 理论上不要求必须连续（虽然实际部署中几乎都用连续掩码）；
- 多个子网可以映射到同一物理网络（逻辑子网）；
- 子网结构只在站点内可见，对外仍然表现为一个统一网络前缀。
三、示例：子网划分
例子：一个公司申请到一个 B 类地址 172.16.0.0/16
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原始（不子网）的结构：
- 网络号：
172.16（16 位） - 主机号：后 16 位，可容纳约 65,534 台主机
- 网络号：
公司想把内部划分成多个部门子网，比如：
- 部门 1：
172.16.1.0/24 - 部门 2：
172.16.2.0/24 - 部门 3：
172.16.3.0/24 - ……
此时：
-
整个机构对外仍然是
172.16.0.0/16； -
内部路由器根据
/24前缀区分不同部门子网； -
对全球路由表而言，只需要一条：
172.16.0.0/16 -> 该机构的边界路由器
主机网络配置方式
一、以太网地址的配置
- MAC 地址由厂商写入网卡 ROM，通常不可修改（或不建议修改）；
- 在网络中默认视为“给定且唯一”的。
二、IP 地址的配置要求
- 必须在整个“互联网络（internetwork）”中唯一；
- 还必须能反映网络的层次结构（网络/子网划分）。
三、手动配置的缺点
大多数操作系统都支持手动设置：IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 等。缺点包括：
-
一、工作量大
- 大型网络中有成百上千台主机，逐台配置非常费时。
-
二、易出错（error-prone）
- 容易填错 IP、掩码或网关，导致冲突或无法上网。
因此需要一种自动配置机制 → DHCP。
DHCP：动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol）
一、DHCP 的角色与基本思想
- 在每个管理域（administrative domain）中至少有一个DHCP 服务器；
- DHCP 服务器维护一个可分配地址池，负责给新接入的主机分配 IP 配置。
二、基本工作流程（讲义视角）
一、主机发现服务器
- 新启动或刚接入网络的主机，并不知道自己在哪个网络、也不知道 DHCP 服务器的 IP；
- 它会向广播地址
255.255.255.255发送DHCPDISCOVER报文；
二、DHCP 中继（Relay Agent）
- 在跨网段场景下，DHCP 中继代理会将广播请求转发（单播）到真正的 DHCP 服务器；
- 服务器处理后，再通过中继将响应回主机。
三、典型 DORA 流程（扩展说明）
在实践中，一个完整的 DHCP 获取地址过程通常包括 4 个步骤（DORA）：
- 一、Discover：主机广播
DHCPDISCOVER寻找服务器； - 二、Offer：一个或多个服务器给出
DHCPOFFER，提供可用 IP、租期等信息； - 三、Request：主机选择其中一个 Offer，并发送
DHCPREQUEST确认； - 四、ACK：服务器发送
DHCPACK，确认租约生效。
举例场景：
-
Han 的笔记本接入学校 Wi-Fi：
- 笔记本发出
DHCPDISCOVER； - 校园 DHCP 服务器返回一个如
10.0.42.13/24的地址，默认网关10.0.42.1，DNS 指向学校 DNS； - 从此 Han 的电脑在一段时间内（租期）使用这个 IP 上网。
- 笔记本发出
ICMP：Internet Control Message Protocol
一、ICMP 的作用
- ICMP 定义了一组控制与错误报告报文，用于在 IP 层出现问题时向源主机报告。
- 注意：ICMP 本身是承载在 IP 上的协议，但通常被视作 IP 层的一部分辅助机制。
二、典型错误类型（讲义列举）
当路由器或主机无法成功处理某个 IP 数据报时，会向源主机发送 ICMP 错误消息，包括：
一、目的不可达（Destination Unreachable）
- 可能由于链路/节点失败，或者没有到达目的地的路由。
二、重组失败（Reassembly Failed）
- IP 分片在目的端重组时失败，可能缺片或超时。
三、TTL 到 0
- 为避免数据报无限循环转发，每经过一个路由器，TTL 减 1；
- 减到 0 时丢弃并回送 ICMP “Time Exceeded”。
四、IP 头部校验和错误（Header Checksum Failed）
- 表示数据报在传输过程中损坏。
五、ICMP Redirect（重定向）
- 路由器发现源主机选择的下一跳不是最优路径时，可以发 ICMP Redirect 告诉源主机“下次发给某个更好的路由器”；
- 这可以帮助主机更新自己的默认路由选择。
小结与整体脉络
一、本节核心线索
- 从 以太网地址（平面、仅局部可见） 出发，说明其在全球路由上的不足；
- 引入 IP 地址（层次化、可聚合） 作为全局寻址方案；
- 说明传统 Classful 分配的浪费问题；
- 使用 子网（Subnetting） 在机构内部引入更多层级，减少全局网络号需求；
- 讨论主机 IP 配置方式，从手动转向DHCP 自动配置；
- 最后由 ICMP 负责在 IP 层出现问题时向源主机进行反馈。