前言
前段時間，有讀者希望我寫一篇關於 IP 分類地址、子網劃分等的文章，他反饋常常混淆，摸不着頭腦。
那麼，說來就來！而且要盤就盤全一點，順便挑戰下小林的圖解功力，所以就來個 IP 基礎知識全家桶。
吃完這個 IP 基礎知識全家桶全家桶，包你撐着肚子喊出：“真香！”
不多說，直接上菜，共分爲三道菜：
- 首先是前菜 「 IP 基本認識 」
- 其次是主菜 「IP 地址的基礎知識」
- 最後是點心 「IP 協議相關技術」
爲啥要比喻成菜？因爲小林是菜狗（押韻不？）
正文
前菜 —— IP 基本認識
IP 在 TCP/IP 參考模型中處於第三層，也就是網絡層。
網絡層的主要作用是：實現主機與主機之間的通信，也叫點對點（end to end）通信。
網絡層與數據鏈路層有什麼關係呢？
有的小夥伴分不清 IP（網絡層） 和 MAC （數據鏈路層）之間的區別和關係。
其實很容易區分，在上面我們知道 IP 的作用是主機之間通信中的，而 MAC 的作用則是實現「直連」的兩個設備之間通信，而 IP 則負責在「沒有直連」的兩個網絡之間進行通信傳輸。
舉個生活的栗子，小林要去一個很遠的地方旅行，制定了一個行程表，其間需先後乘坐飛機、地鐵、公交車才能抵達目的地，爲此小林需要買飛機票，地鐵票等。
飛機票和地鐵票都是去往特定的地點的，每張票只能夠在某一限定區間內移動，此處的「區間內」就如同通信網絡中數據鏈路。
在區間內移動相當於數據鏈路層，充當區間內兩個節點傳輸的功能，區間內的出發點好比源 MAC 地址，目標地點好比目的 MAC 地址。
整個旅遊行程表就相當於網絡層，充當遠程定位的功能，行程的開始好比源 IP，行程的終點好比目的 IP 地址。
如果小林只有行程表而沒有車票，就無法搭乘交通工具到達目的地。相反，如果除了車票而沒有行程表，恐怕也很難到達目的地。因爲小林不知道該坐什麼車，也不知道該在哪裏換乘。
因此，只有兩者兼備，既有某個區間的車票又有整個旅行的行程表，才能保證到達目的地。與此類似，計算機網絡中也需要「數據鏈路層」和「網絡層」這個分層才能實現向最終目標地址的通信。
還有重要一點，旅行途中我們雖然不斷變化了交通工具，但是旅行行程的起始地址和目的地址始終都沒變。其實，在網絡中數據包傳輸中也是如此，源IP地址和目標IP地址在傳輸過程中是不會變化的，只有源 MAC 地址和目標 MAC 一直在變化。
主菜 —— IP 地址的基礎知識
在 TCP/IP 網絡通信時，爲了保證能正常通信，每個設備都需要配置正確的 IP 地址，否則無法實現正常的通信。
IP 地址（IPv4 地址）由 32 位正整數來表示，IP 地址在計算機是以二進制的方式處理的。
而人類爲了方便記憶採用了點分十進制的標記方式，也就是將 32 位 IP 地址以每 8 位爲組，共分爲 4 組，每組以「.」隔開，再將每組轉換成十進制。
那麼，IP 地址最大值也就是
也就說，最大允許 43 億臺計算機連接到網絡。
實際上，IP 地址並不是根據主機臺數來配置的，而是以網卡。像服務器、路由器等設備都是有 2 個以上的網卡，也就是它們會有 2 個以上的 IP 地址。
因此，讓 43 億臺計算機全部連網其實是不可能的，更何況 IP 地址是由「網絡標識」和「主機標識」這兩個部分組成的，所以實際能夠連接到網絡的計算機個數更是少了很多。
可能有的小夥伴提出了疑問，現在不僅電腦配了 IP， 手機、IPad 等電子設備都配了 IP 呀，照理來說肯定會超過 43 億啦，那是怎麼能夠支持這麼多 IP 的呢？
因爲會根據一種可以更換 IP 地址的技術 NAT，使得可連接計算機數超過 43 億臺。 NAT 技術後續會進一步討論和說明。
IP 地址的分類
互聯網誕生之初，IP 地址顯得很充裕，於是計算機科學家們設計了分類地址。
IP 地址分類成了 5 種類型，分別是 A 類、B 類、C 類、D 類、E 類。
上圖中黃色部分爲分類號，用以區分 IP 地址類別。
什麼是 A、B、C 類地址？
其中對於 A、B、C 類主要分爲兩個部分，分別是網絡號和主機號。這很好理解，好比小林是 A 小區 1 棟 101 號，你是 B 小區 1 棟 101 號。
我們可以用下面這個表格， 就能很清楚的知道 A、B、C 分類對應的地址範圍、最大主機個數。
A、B、C 分類地址最大主機個數是如何計算的呢？
最大主機個數，就是要看主機號的位數，如 C 類地址的主機號佔 8 位，那麼 C 類地址的最大主機個數：
爲什麼要減 2 呢？
因爲在 IP 地址中，有兩個 IP 是特殊的，分別是主機號全爲 1 和 全爲 0 地址。
- 主機號全爲 1 指定某個網絡下的所有主機，用於廣播
- 主機號全爲 0 指定某個網絡
因此，在分配過程中，應該去掉這兩種情況。
廣播地址用於什麼？
廣播地址用於在同一個鏈路中相互連接的主機之間發送數據包。
學校班級中就有廣播的例子，在準備上課的時候，通常班長會喊：“上課， 全體起立！”，班裏的同學聽到這句話是不是全部都站起來了？這個句話就有廣播的含義。
當主機號全爲 1 時，就表示該網絡的廣播地址。例如把 172.20.0.0/16 用二進制表示如下：
10101100.00010100.00000000.00000000
將這個地址的主機部分全部改爲 1，則形成廣播地址：
10101100.00010100.11111111.11111111
再將這個地址用十進制表示，則爲 172.20.255.255。
廣播地址可以分爲本地廣播和直接廣播兩種。
- 在本網絡內廣播的叫做本地廣播。例如網絡地址爲 192.168.0.0/24 的情況下，廣播地址是 192.168.0.255 。因爲這個廣播地址的 IP 包會被路由器屏蔽，所以不會到達 192.168.0.0/24 以外的其他鏈路上。
- 在不同網絡之間的廣播叫做直接廣播。例如網絡地址爲 192.168.0.0/24 的主機向 192.168.1.255/24 的目標地址發送 IP 包。收到這個包的路由器，將數據轉發給 192.168.1.0/24，從而使得所有 192.168.1.1~192.168.1.254 的主機都能收到這個包（由於直接廣播有一定的安全問題，多數情況下會在路由器上設置爲不轉發。） 。
什麼是 D、E 類地址？
而 D 類和 E 類地址是沒有主機號的，所以不可用於主機 IP，D 類常被用於多播，E 類是預留的分類，暫時未使用。
多播地址用於什麼？
多播用於將包發送給特定組內的所有主機。
還是舉班級的栗子，老師說：“最後一排的同學，上來做這道數學題。”，老師是指定的是最後一排的同學，也就是多播的含義了。
由於廣播無法穿透路由，若想給其他網段發送同樣的包，就可以使用可以穿透路由的多播。
多播使用的 D 類地址，其前四位是 1110 就表示是多播地址，而剩下的 28 位是多播的組編號。
從 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 都是多播的可用範圍，其劃分爲以下三類：
- 224.0.0.0 ~ 224.0.0.255 爲預留的組播地址，只能局域網中，路由器是不會進行轉發的。
- 224.0.1.0 ~ 238.255.255.255 爲用戶可用的組播地址，可以用於 Internet 上。
- 239.0.0.0 ~ 239.255.255.255 爲本地管理組播地址，可供內部網在內部使用，僅在特定的本地範圍內有效。
IP 分類的優點
不管是路由器還是主機解析到一個 IP 地址時候，我們判斷其 IP 地址的首位是否爲 0，爲 0 則爲 A 類地址，那麼就能很快的找出網絡地址和主機地址。
其餘分類判斷方式參考如下圖：
所以，這種分類地址的優點就是簡單明瞭、選路（基於網絡地址）簡單。
IP 分類的缺點
缺點一
同一網絡下沒有地址層次，比如一個公司裏用了 B 類地址，但是可能需要根據生產環境、測試環境、開發環境來劃分地址層次，而這種 IP 分類是沒有地址層次劃分的功能，所以這就缺少地址的靈活性。
缺點二
A、B、C類有個尷尬處境，就是不能很好的與現實網絡匹配。
- C 類地址能包含的最大主機數量實在太少了，只有 254 個，估計一個網吧都不夠用。
- 而 B 類地址能包含的最大主機數量又太多了，6 萬多臺機器放在一個網絡下面，一般的企業基本達不到這個規模，閒着的地址就是浪費。
這兩個缺點，都可以在 CIDR 無分類地址解決。
無分類地址 CIDR
正因爲 IP 分類存在許多缺點，所有後面提出了無分類地址的方案，即 CIDR。
這種方式不再有分類地址的概念，32 比特的 IP 地址被劃分爲兩部分，前面是網絡號，後面是主機號。
怎麼劃分網絡號和主機號的呢？
表示形式 a.b.c.d/x，其中 /x 表示前 x 位屬於網絡號， x 的範圍是 0 ~ 32，這就使得 IP 地址更加具有靈活性。
比如 10.100.122.2/24，這種地址表示形式就是 CIDR，/24 表示前 24 位是網絡號，剩餘的 8 位是主機號。
還有另一種劃分網絡號與主機號形式，那就是子網掩碼，掩碼的意思就是掩蓋掉主機號，剩餘的就是網絡號。
將子網掩碼和 IP 地址按位計算 AND，就可得到網絡號。
爲什麼要分離網絡號和主機號？
因爲兩臺計算機要通訊，首先要判斷是否處於同一個廣播域內，即網絡地址是否相同。如果網絡地址相同，表明接受方在本網絡上，那麼可以把數據包直接發送到目標主機，
路由器尋址工作中，也就是通過這樣的方式來找到對應的網絡號的，進而把數據包轉發給對應的網絡內。
怎麼進行子網劃分？
在上面我們知道可以通過子網掩碼劃分出網絡號和主機號，那實際上子網掩碼還有一個作用，那就是劃分子網。
子網劃分實際上是將主機地址分爲兩個部分：子網網絡地址和子網主機地址。形式如下：
- 未做子網劃分的 ip 地址：網絡地址＋主機地址
- 做子網劃分後的 ip 地址：網絡地址＋（子網網絡地址＋子網主機地址）
假設對 C 類地址進行子網劃分，網絡地址 192.168.1.0，使用子網掩碼 255.255.255.192 對其進行子網劃分。
C 類地址中前 24 位 是網絡號，最後 8 位是主機號，根據子網掩碼可知從 8 位主機號中借用 2 位作爲子網號。
由於子網網絡地址被劃分成 2 位，那麼子網地址就有 4 個，分別是 00、01、10、11，具體劃分如下圖：
劃分後的 4 個子網如下表格：
公有 IP 地址與私有 IP 地址
在 A、B、C 分類地址，實際上有分公有 IP 地址和 私有 IP 地址。
平時我們辦公室、家裏、學校用的 IP 地址，一般都是私有 IP 地址。因爲這些地址允許組織內部的 IT 人員自己管理、自己分配，而且可以重複。因此，你學校的某個私有 IP 地址和我學校的可以是一樣的。
就像每個小區都有自己的樓編號和門牌號，你小區家可以叫 1 棟 101 號，我小區家也可以叫 1 棟 101，沒有任何問題。但一旦出了小區，就需要帶上中山路 666 號（公網 IP 地址），是國家統一分配的，不能兩個小區都叫中山路 666。
所以，公有 IP 地址是有個組織統一分配的，假設你要開一個博客網站，那麼你就需要去申請購買一個公有 IP，這樣全世界的人才能訪問。並且公有 IP 地址基本上要在整個互聯網範圍內保持唯一。
公有 IP 地址由誰管理呢？
私有 IP 地址通常是內部的 IT 人員值管理，公有 IP 地址是由 ICANN 組織管理，中文叫「互聯網名稱與數字地址分配機構」。
IANA 是 ICANN 的其中一個機構，它負責分配互聯網 IP 地址，是按州的方式層層分配。
- ARIN 北美地區
- LACNIC 拉丁美洲和一些加勒比羣島
- RIPE NCC 歐洲、中東和中亞
- AfriNIC 非洲地區
- APNIC 亞太地區
其中，在中國是由 CNNIC 的機構進行管理，它是中國國內唯一指定的全局 IP 地址管理的組織。
IP 地址與路由控制
IP地址的網絡地址這一部分是用於進行路由控制。
路由控制表中記錄着網絡地址與下一步應該發送至路由器的地址。在主機和路由器上都會有各自的路由器控制表。
在發送 IP 包時，首先要確定 IP 包首部中的目標地址，再從路由控制表中找到與該地址具有相同網絡地址的記錄，根據該記錄將 IP 包轉發給相應的下一個路由器。如果路由控制表中存在多條相同網絡地址的記錄，就選擇相同位數最多的網絡地址，也就是最長匹配。
下面以下圖的網絡鏈路作爲例子說明：
- 主機 A 要發送一個 IP 包，其源地址是
10.1.1.30和目標地址是10.1.2.10，由於沒有在主機 A 的路由表找到與目標地址10.1.2.10的網絡地址，於是把包被轉發到默認路由（路由器1） - 路由器
1收到 IP 包後，也在路由器1的路由表匹配與目標地址相同的網絡地址記錄，發現匹配到了，於是就把 IP 數據包轉發到了10.1.0.2這臺路由器2 - 路由器
2收到後，同樣對比自身的路由表，發現匹配到了，於是把 IP 包從路由器2的10.1.2.1這個接口出去，最終經過交換機把 IP 數據包轉發到了目標主機
環回地址是不會流向網絡
環回地址是在同一臺計算機上的程序之間進行網絡通信時所使用的一個默認地址。
計算機使用一個特殊的 IP 地址 127.0.0.1 作爲環回地址。與該地址具有相同意義的是一個叫做 localhost 的主機名。使用這個 IP 或主機名時，數據包不會流向網絡。
IP 分片與重組
每種數據鏈路的最大傳輸單元 MTU 都是不相同的，如 FDDI 數據鏈路 MTU 4352、以太網的 MTU 是 1500 字節等。
每種數據鏈路的 MTU 之所以不同，是因爲每個不同類型的數據鏈路的使用目的不同。使用目的不同，可承載的 MTU 也就不同。
其中，我們最常見數據鏈路是以太網，它的 MTU 是 1500 字節。
那麼當 IP 數據包大小大於 MTU 時， IP 數據包就會被分片。
經過分片之後的 IP 數據報在被重組的時候，只能由目標主機進行，路由器是不會進行重組的。
假設發送方發送一個 4000 字節的大數據報，若要傳輸在以太網鏈路，則需要把數據報分片成 3 個小數據報進行傳輸，再交由接收方重組成大數據報。
在分片傳輸中，一旦某個分片丟失，則會造成整個 IP 數據報作廢，所以 TCP 引入了 MSS 也就是在 TCP 層進行分片不由 IP 層分片，那麼對於 UDP 我們儘量不要發送一個大於 MTU 的數據報文。
IPv6 基本認識
IPv4 的地址是 32 位的，大約可以提供 42 億個地址，但是早在 2011 年 IPv4 地址就已經被分配完了。
但是 IPv6 的地址是 128 位的，這可分配的地址數量是大的驚人，說個段子 IPv6 可以保證地球上的每粒沙子都能被分配到一個 IP 地址。
但 IPv6 除了有更多的地址之外，還有更好的安全性和擴展性，說簡單點就是 IPv6 相比於 IPv4 能帶來更好的網絡體驗。
但是因爲 IPv4 和 IPv6 不能相互兼容，所以不但要我們電腦、手機之類的設備支持，還需要網絡運營商對現有的設備進行升級，所以這可能是 IPv6 普及率比較慢的一個原因。
IPv6 的亮點
IPv6 不僅僅只是可分配的地址變多了，他還有非常多的亮點。
- IPv6 可自動配置，即使沒有 DHCP 服務器也可以實現自動分配IP地址，真是便捷到即插即用啊。
- IPv6 包頭包首部長度採用固定的值
40字節，去掉了包頭校驗和，簡化了首部結構，減輕了路由器負荷，大大提高了傳輸的性能。 - IPv6 有應對僞造 IP 地址的網絡安全功能以及防止線路竊聽的功能，大大提升了安全性。
- … （由你發現更多的亮點）
IPv6 地址的標識方法
IPv4 地址長度共 32 位，是以每 8 位作爲一組，並用點分十進制的表示方式。
IPv6 地址長度是 128 位，是以每 16 位作爲一組，每組用冒號 「:」 隔開。
如果出現連續的 0 時還可以將這些 0 省略，並用兩個冒號 「::」隔開。但是，一個 IP 地址中只允許出現一次兩個連續的冒號。
IPv6 地址的結構
IPv6 類似 IPv4，也是通過 IP 地址的前幾位標識 IP 地址的種類。
IPv6 的地址主要有一下類型地址：
- 單播地址，用於一對一的通信
- 組播地址，用於一對多的通信
- 任播地址，用於通信最近的節點，最近的節點是由路由協議決定
- 沒有廣播地址
IPv6 單播地址類型
對於一對一通信的 IPv6 地址，主要劃分了三類單播地址，每類地址的有效範圍都不同。
- 在同一鏈路單播通信，不經過路由器，可以使用鏈路本地單播地址，IPv4 沒有此類型
- 在內網裏單播通信，可以使用唯一本地地址，相當於 IPv4 的私有 IP
- 在互聯網通信，可以使用全局單播地址，相當於 IPv4 的公有 IP
IPv4 首部與 IPv6 首部
IPv4 首部與 IPv6 首部的差異如下圖：
IPv6 相比 IPv4 的首部改進：
- 取消了首部校驗和字段。 因爲在數據鏈路層和傳輸層都會校驗，因此 IPv6 直接取消了 IP 的校驗。
- 取消了分片/重新組裝相關字段。 分片與重組是耗時的過程，IPv6 不允許在中間路由器進行分片與重組，這種操作只能在源與目標主機，這將大大提高了路由器轉發的速度。
- 取消選項字段。 選項字段不再是標準 IP 首部的一部分了，但它並沒有消失，而是可能出現在 IPv6 首部中的「下一個首部」指出的位置上。刪除該選項字段是的 IPv6 的首部成爲固定長度的
40字節。
點心 —— IP 協議相關技術
跟 IP 協議相關的技術也不少，接下來說說與 IP 協議相關的重要且常見的技術。
- DNS 域名解析
- ARP 與 RARP 協議
- DHCP 動態獲取 IP 地址
- NAT 網絡地址轉換
- ICMP 互聯網控制報文協議
- IGMP 因特網組管理協
DNS
我們在上網的時候，通常使用的方式域名，而不是 IP 地址，因爲域名方便人類記憶。
那麼實現這一技術的就是 DNS 域名解析，DNS 可以將域名網址自動轉換爲具體的 IP 地址。
域名的層級關係
DNS 中的域名都是用句點來分隔的，比如 www.server.com，這裏的句點代表了不同層次之間的界限。
在域名中，越靠右的位置表示其層級越高。
畢竟域名是外國人發明，所以思維和中國人相反，比如說一個城市地點的時候，外國喜歡從小到大的方式順序說起（如 XX 街道 XX 區 XX 市 XX 省），而中國則喜歡從大到小的順序（如 XX 省 XX 市 XX 區 XX 街道）。
根域是在最頂層，它的下一層就是 com 頂級域，再下面是 server.com。
所以域名的層級關係類似一個樹狀結構：
- 根 DNS 服務器
- 頂級域 DNS 服務器（com）
- 權威 DNS 服務器（server.com）
根域的 DNS 服務器信息保存在互聯網中所有的 DNS 服務器中。這樣一來，任何 DNS 服務器就都可以找到並訪問根域 DNS 服務器了。
因此，客戶端只要能夠找到任意一臺 DNS 服務器，就可以通過它找到根域 DNS 服務器，然後再一路順藤摸瓜找到位於下層的某臺目標 DNS 服務器。
域名解析的工作流程
瀏覽器首先看一下自己的緩存裏有沒有，如果沒有就向操作系統的緩存要，還沒有就檢查本機域名解析文件 hosts，如果還是沒有，就會 DNS 服務器進行查詢，查詢的過程如下：
- 客戶端首先會發出一個 DNS 請求，問 www.server.com 的 IP 是啥，併發給本地 DNS 服務器（也就是客戶端的 TCP/IP 設置中填寫的 DNS 服務器地址）。
- 本地域名服務器收到客戶端的請求後，如果緩存裏的表格能找到 www.server.com，則它直接返回 IP 地址。如果沒有，本地 DNS 會去問它的根域名服務器：“老大， 能告訴我 www.server.com 的 IP 地址嗎？” 根域名服務器是最高層次的，它不直接用於域名解析，但能指明一條道路。
- 根 DNS 收到來自本地 DNS 的請求後，發現後置是 .com，說：“www.server.com 這個域名歸 .com 區域管理”，我給你 .com 頂級域名服務器地址給你，你去問問它吧。”
- 本地 DNS 收到頂級域名服務器的地址後，發起請求問“老二， 你能告訴我 www.server.com 的 IP 地址嗎？”
- 頂級域名服務器說：“我給你負責 www.server.com 區域的權威 DNS 服務器的地址，你去問它應該能問到”。
- 本地 DNS 於是轉向問權威 DNS 服務器：“老三，www.server.com對應的IP是啥呀？” server.com 的權威 DNS 服務器，它是域名解析結果的原出處。爲啥叫權威呢？就是我的域名我做主。
- 權威 DNS 服務器查詢後將對應的 IP 地址 X.X.X.X 告訴本地 DNS。
- 本地 DNS 再將 IP 地址返回客戶端，客戶端和目標建立連接。
至此，我們完成了 DNS 的解析過程。現在總結一下，整個過程我畫成了一個圖。
DNS 域名解析的過程蠻有意思的，整個過程就和我們日常生活中找人問路的過程類似，只指路不帶路。
ARP
在傳輸一個 IP 數據報的時候，確定了源 IP 地址和目標 IP 地址後，就會通過主機「路由表」確定 IP 數據包下一跳。然而，網絡層的下一層是數據鏈路層，所以我們還要知道「下一跳」的 MAC 地址。
由於主機的路由表中可以找到下一條的 IP 地址，所以可以通過 ARP 協議，求得下一跳的 MAC 地址。
那麼 ARP 又是如何知道對方 MAC 地址的呢？
簡單地說，ARP 是藉助 ARP 請求與 ARP 響應兩種類型的包確定 MAC 地址的。
- 主機會通過廣播發送 ARP 請求，這個包中包含了想要知道的 MAC 地址的主機 IP 地址。
- 當同個鏈路中的所有設備收到 ARP 請求時，會去拆開 ARP 請求包裏的內容，如果 ARP 請求包中的目標 IP 地址與自己的 IP 地址一致，那麼這個設備就將自己的 MAC 地址塞入 ARP 響應包返回給主機。
操作系統通常會把第一次通過 ARP 獲取的 MAC 地址緩存起來，以便下次直接從緩存中找到對應 IP 地址的 MAC 地址。
不過，MAC 地址的緩存是有一定期限的，超過這個期限，緩存的內容將被清除。
RARP 協議你知道是什麼嗎？
ARP 協議是已知 IP 地址 求 MAC 地址，那 RARP 協議正好相反，它是已知 MAC 地址求 IP 地址。例如將打印機服務器等小型嵌入式設備接入到網絡時就經常會用得到。
通常這需要架設一臺 RARP 服務器，在這個服務器上註冊設備的 MAC 地址及其 IP 地址。然後再將這個設備接入到網絡，接着：
- 該設備會發送一條「我的 MAC 地址是XXXX，請告訴我，我的IP地址應該是什麼」的請求信息。
- RARP 服務器接到這個消息後返回「MAC地址爲 XXXX 的設備，IP地址爲 XXXX」的信息給這個設備。
最後，設備就根據從 RARP 服務器所收到的應答信息設置自己的 IP 地址。
DHCP
DHCP 在生活中我們是很常見的了，我們的電腦通常都是通過 DHCP 動態獲取 IP 地址，大大省去了配 IP 信息繁瑣的過程。
接下來，我們來看看我們的電腦是如何通過 4 個步驟的過程，獲取到 IP 的。
先說明一點，DHCP 客戶端進程監聽的是 68 端口號，DHCP 服務端進程監聽的是 67 端口號。
這 4 個步驟：
- 客戶端首先發起 DHCP 發現報文（DHCP DISCOVER） 的 IP 數據報，由於客戶端沒有 IP 地址，也不知道 DHCP 服務器的地址，所以使用的是 UDP 廣播通信，其使用的廣播目的地址是 255.255.255.255（端口 67） 並且使用 0.0.0.0（端口 68） 作爲源 IP 地址。DHCP 客戶端將該 IP 數據報傳遞給鏈路層，鏈路層然後將幀廣播到所有的網絡中設備。
- DHCP 服務器收到 DHCP 發現報文時，用 DHCP 提供報文（DHCP OFFER） 向客戶端做出響應。該報文仍然使用 IP 廣播地址 255.255.255.255，該報文信息攜帶服務器提供可租約的 IP 地址、子網掩碼、默認網關、DNS 服務器以及 IP 地址租用期。
- 客戶端收到一個或多個服務器的 DHCP 提供報文後，從中選擇一個服務器，並向選中的服務器發送 DHCP 請求報文（DHCP REQUEST進行響應，回顯配置的參數。
- 最後，服務端用 DHCP ACK 報文對 DHCP 請求報文進行響應，應答所要求的參數。
一旦客戶端收到 DHCP ACK 後，交互便完成了，並且客戶端能夠在租用期內使用 DHCP 服務器分配的 IP 地址。
如果租約的 DHCP IP 地址快期後，客戶端會向服務器發送 DHCP 請求報文：
- 服務器如果同意繼續租用，則用 DHCP ACK 報文進行應答，客戶端就會延長租期。
- 服務器如果不同意繼續租用，則用 DHCP NACK 報文，客戶端就要停止使用租約的 IP 地址。
可以發現，DHCP 交互中，全程都是使用 UDP 廣播通信。
咦，用的是廣播，那如果 DHCP 服務器和客戶端不是在同一個局域網內，路由器又不會轉發廣播包，那不是每個網絡都要配一個 DHCP 服務器？
所以，爲了解決這一問題，就出現了 DHCP 中繼代理。有了 DHCP 中繼代理以後，對不同網段的 IP 地址分配也可以由一個 DHCP 服務器統一進行管理。
-
DHCP 客戶端會向 DHCP 中繼代理髮送 DHCP 請求包，而 DHCP 中繼代理在收到這個廣播包以後，再以單播的形式發給 DHCP 服務器。
-
服務器端收到該包以後再向 DHCP 中繼代理返回應答，並由 DHCP 中繼代理將此包轉發給 DHCP 客戶端 。
因此，DHCP 服務器即使不在同一個鏈路上也可以實現統一分配和管理IP地址。
NAT
IPv4 的地址是非常緊缺的，在前面我們也提到可以通過無分類地址來減緩 IPv4 地址耗盡的速度，但是互聯網的用戶增速是非常驚人的，所以 IPv4 地址依然有被耗盡的危險。
於是，提出了一個種網絡地址轉換 NAT 的方法，再次緩解了 IPv4 地址耗盡的問題。
簡單的來說 NAT 就是同個公司、家庭、教室內的主機對外部通信時，把私有 IP 地址轉換成公有 IP 地址。
那不是 N 個 私有 IP 地址，你就要 N 個公有 IP 地址？這怎麼就緩解了 IPv4 地址耗盡的問題？這不瞎扯嗎？
確實是，普通的 NAT 轉換沒什麼意義。
由於絕大多數的網絡應用都是使用傳輸層協議 TCP 或 UDP 來傳輸數據的。
因此，可以把 IP 地址 + 端口號一起進行轉換。
這樣，就用一個全球 IP 地址就可以了，這種轉換技術就叫網絡地址與端口轉換 NAPT。
很抽象？來，看下面的圖解就能瞬間明白了。
圖中有兩個客戶端 192.168.1.10 和 192.168.1.11 同時與服務器 183.232.231.172 進行通信，並且這兩個客戶端的本地端口都是 1025。
此時，兩個私有 IP 地址都轉換 IP 地址爲公有地址 120.229.175.121，但是以不同的端口號作爲區分。
於是，生成一個 NAPT 路由器的轉換表，就可以正確地轉換地址跟端口的組合，令客戶端 A、B 能同時與服務器之間進行通信。
這種轉換表在 NAT 路由器上自動生成。例如，在 TCP 的情況下，建立 TCP 連接首次握手時的 SYN 包一經發出，就會生成這個表。而後又隨着收到關閉連接時發出 FIN 包的確認應答從表中被刪除。
NAT 那麼牛逼，難道就沒缺點了嗎？
當然有缺陷，肯定沒有十全十美的方案。
由於 NAT/NAPT 都依賴於自己的轉換表，因此會有以下的問題：
- 外部無法主動與 NAT 內部服務器建立連接，因爲 NAPT 轉換表沒有轉換記錄。
- 轉換表的生產與轉換操作都會產生性能開銷。
- 通信過程中，如果 NAT 路由器重啓了，所有的 TCP 連接都將被重置。
如何解決 NAT 潛在的問題呢？
解決的方法主要兩種方法。
第一種就是改用 IPv6
IPv6 可用範圍非常大，以至於每臺設備都可以配置一個公有 IP 地址，就不搞那麼多花裏胡哨的地址轉換了，但是 IPv6 普及速度還需要一些時間。
第二種 NAT 穿透技術
NAT 穿越技術擁有這樣的功能，它能夠讓網絡應用程序主動發現自己位於 NAT 設備之後，並且會主動獲得 NAT 設備的公有 IP，併爲自己建立端口映射條目，注意這些都是 NAT設備後的應用程序自動完成的。
也就是說，在 NAT 穿越技術中，NAT設備後的應用程序處於主動地位，它已經明確地知道 NAT 設備要修改它外發的數據包，於是它主動配合 NAT 設備的操作，主動地建立好映射，這樣就不像以前由 NAT 設備來建立映射了。
說人話，就是客戶端主動從 NAT 設備獲取公有 IP 地址，然後自己建立端口映射條目，然後用這個
條目對外通信，就不需要 NAT 設備來進行轉換了。
ICMP
ICMP 全稱是 Internet Control Message Protocol，也就是互聯網控制報文協議。
裏面有個關鍵詞 —— 控制，如何控制的呢？
網絡包在複雜的網絡傳輸環境裏，常常會遇到各種問題。
當遇到問題的時候，總不能死個不明不白，沒頭沒腦的作風不是計算機網絡的風格。所以需要傳出消息，報告遇到了什麼問題，這樣纔可以調整傳輸策略，以此來控制整個局面。
ICMP 功能都有啥？
ICMP 主要的功能包括：確認 IP 包是否成功送達目標地址、報告發送過程中 IP 包被廢棄的原因和改善網絡設置等。
在 IP 通信中如果某個 IP 包因爲某種原因未能達到目標地址，那麼這個具體的原因將由 ICMP 負責通知。
如上圖例子，主機 A 向主機 B 發送了數據包，由於某種原因，途中的路由器 2 未能發現主機 B 的存在，這時，路由器 2 就會向主機 A 發送一個 ICMP 目標不可達數據包，說明發往主機 B 的包未能成功。
ICMP 的這種通知消息會使用 IP 進行發送 。
因此，從路由器 2 返回的 ICMP 包會按照往常的路由控制先經過路由器 1 再轉發給主機 A 。收到該 ICMP 包的主機 A 則分解 ICMP 的首部和數據域以後得知具體發生問題的原因。
ICMP 類型
ICMP 大致可以分爲兩大類：
- 一類是用於診斷的查詢消息，也就是「查詢報文類型」
- 另一類是通知出錯原因的錯誤消息，也就是「差錯報文類型」
IGMP
ICMP 跟 IGMP 是一點關係都沒有的，就好像周杰與周杰倫的區別，大家不要混淆了。
在前面我們知道了組播地址，也就是 D 類地址，既然是組播，那就說明是隻有一組的主機能收到數據包，不在一組的主機不能收到數組包，怎麼管理是否是在一組呢？那麼，就需要 IGMP 協議了。
IGMP 是因特網組管理協議，工作在主機（組播成員）和最後一跳路由之間，如上圖中的藍色部分。
- IGMP 報文向路由器申請加入和退出組播組，默認情況下路由器是不會轉發組播包到連接中的主機，除非主機通過 IGMP 加入到組播組，主機申請加入到組播組時，路由器就會記錄 IGMP 路由器表，路由器後續就會轉發組播包到對應的主機了。
- IGMP 報文采用 IP 封裝，IP 頭部的協議號爲 2，而且 TTL 字段值通常 爲 1，因爲 IGMP 是工作在主機與連接的路由器之間。
IGMP 工作機制
IGMP 分爲了三個版本分別是，IGMPv1、IGMPv2、IGMPv3。
接下來，以 IGMPv2 作爲例子，說說常規查詢與響應和離開組播組這兩個工作機制。
常規查詢與響應工作機制
- 路由器會週期性發送目的地址爲
224.0.0.1（表示同一網段內所有主機和路由器） IGMP 常規查詢報文。 - 主機1 和 主機 3 收到這個查詢，隨後會啓動「報告延遲計時器」，計時器的時間是隨機的，通常是 0~10 秒，計時器超時後主機就會發送 IGMP 成員關係報告報文（源 IP 地址爲自己主機的 IP 地址，目的 IP 地址爲組播地址）。如果在定時器超時之前，收到同一個組內的其他主機發送的成員關係報告報文，則自己不再發送，這樣可以減少網絡中多餘的 IGMP 報文數量。
- 路由器收到主機的成員關係報告報文後，就會在 IGMP 路由表中加入該組播組，後續網絡中一旦該組播地址的數據到達路由器，它會把數據包轉發出去。
離開組播組工作機制
離開組播組的情況一，網段中仍有該組播組：
- 主機 1 要離開組 224.1.1.1，發送 IGMPv2 離組報文，報文的目的地址是 224.0.0.2（表示發向網段內的所有路由器）
- 路由器 收到該報文後，以 1 秒爲間隔連續發送 IGMP 特定組查詢報文（共計發送 2 個），以便確認該網絡是否還有 224.1.1.1 組的其他成員。
- 主機 3 仍然是組 224.1.1.1 的成員，因此它立即響應這個特定組查詢。路由器知道該網絡中仍然存在該組播組的成員，於是繼續向該網絡轉發 224.1.1.1 的組播數據包。
離開組播組的情況二，網段中沒有該組播組：
- 主機 1 要離開組播組 224.1.1.1，發送 IGMP 離組報文。
- 路由器收到該報文後，以 1 秒爲間隔連續發送 IGMP 特定組查詢報文（共計發送 2 個）。此時在該網段內，組 224.1.1.1 已經沒有其他成員了，因此沒有主機響應這個查詢。
- 一定時間後，路由器認爲該網段中已經沒有 224.1.1.1 組播組成員了，將不會再向這個網段轉發該組播地址的數據包。
參考文獻
[1] 計算機網絡-自頂向下方法.陳鳴 譯.機械工業出版社
[2] TCP/IP詳解 卷1：協議.範建華 譯.機械工業出版社
[3] 圖解TCP/IP.竹下隆史.人民郵電出版社
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這一頓花樣圖解菜，做起來也不容易。
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