Internet的主要協議IP的重點敘述

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摘要：介紹了IP協議的地址分配，尋址方式，路由選擇，路由分類及算法，提出了目前使用的IPV4協議的局限性，以及下一代網際協議IPV6的優勢。

關鍵詞：IP協議IP地址分配路由選擇路由分類路由算法IPV6協議

1引言

隨著“信息高速公路”的提出和internet的迅猛發展，人們的交流方式，獲取信息的途徑，工作，學習，生活，娛樂的方式都發生了重大的變革，各種新的信息交流，信息獲取的方式應運而生。如電子郵件，電子商務，VOD視頻點播，網上股票交易，網上購物，遠程教育，遠程醫療，各種公共信息查詢等，都迫切要求我們有志于IT事業的青年，全面的了解Internet的核心協議—IP協議。

2網際協議IP

眾所周知，網絡互連離不開協議。Internet正是依靠TCP/IP協議實現網絡互聯的，可以毫不夸張的說，沒有TCP/IP協議，就沒有如今高速發展的Internet，因此TCP/IP是Internet的基礎和核心。網際協議IP是TCP/IP體系中重要的協議之一，它主要為數據提供打包和編址服務。IP協議能夠識別本地或遠程主機。如果通向目的網絡的通道使用不同大小的分組，ip協議將分組分片，以便能夠無錯的傳輸。分組抵達目的主機后，IP協議再將數據的分組重新組合。[1]最后，IP協議將處理好的分組傳遞給上層的協議。

2.1IP地址

Internet的IP協議使用特定的地址唯一標識網絡上的連接設備。IP的地址遵循IP協議的一種網絡地址的描述方式，Internet上的每一個節點都依靠唯一的IP地址互相區分和相互聯系。他是目前Internet上使用的網絡地址，是最為通用和流行的尋址方式。

2.1.1IP地址表示方法

所謂IP地址就是給每一個連接在Internet上的主機分配一個在全世界范圍是唯一的32bit地址，它包括了網絡地址和主機地址。[2]每個網絡擁有一個唯一的網絡ID(net-id)和主機ID(host-id)。我們可以先按IP地址的網絡號net-id把網絡找到，再按主機號host-id把主機找到。所以IP地址并不只是一個簡單的計算機號，他指出了連接到某個網絡上的某臺計算機。

2.1.2IP地址的分類

IP地址是一種層次地址，通用個視為：M——類的等級號，NET——網絡號，HOST——主機號。按類別的等級號，IP地址分為五類：A,B,C,D,E。[3]常用的A類，B類和C類地址都由兩個字段組成，即網絡號字段和主機號字段，網絡號和主機號隨不同等級在32位中所占的位數不同。表2-1描述了A,B和C類地址的二進制表示形式，其中N表示網絡字段的比特數，H表示主機字段的比特數。A類地址使用第一個8位組表示網絡字段，于3個8位組，即24比特用于表示主機號字段。B類地址使用前兩個8位組表示網絡號字段，其余2個8位組表示主機號字段，各有16比特。C類地址使用前三個8位組，24比特比表示網絡號字段，最后1個8位組，即8比特用于表示主機號字段。如表2.1所示，它給出了標準網絡號字段和主機號字段的長度。D類地址和E類地址并不支持通常意義的主機編址。D類地址是多播地址，主要是留給Internet體系結構委員會IAB(InternetArchitectureBoard)使用。E類地址保留為試驗用途。表2.2給出了IP地址的使用范圍和容量。

表2.1標準網絡號字段和主機號字段的長度

地質類別第一個8位組第二個8位組第三個8位組第四個8位組

ANNNNNNNNHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH

BNNNNNNNNNNNNNNNNHHHHHHHHHHHHHHHH

CNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNHHHHHHHH

表2.2IP地址使用范圍和容量

地址類別第一個8位組最大網絡數每個網絡中的最大主機地址數

A1——12612616777214

B128——1911638465534

C192——2232097152254

D224——239————

E240——254————

2.1.3特殊地址

除了一般的標識一臺主機的IP地之外，還有幾種特殊形式的IP地址。

1.廣播地址

TCP/IP協議規定，主機號全為“1”的網絡地址用于廣播，即同時向網絡上所有主機同時發送報文(必須知道本網的網絡號)，叫做廣播地址，也成直接廣播地址（directedbroadcastingaddress）。

2.有線廣播地址

TCP/IP規定，32比特全為“1”的網間網地址用于本網內部廣播（可不知本網的網絡號），該地址叫做有線廣播地址（limitedbroadcastingaddress）。

3.“0”地址

TCP/IP協議規定，各位全為“0”的網絡號被解釋為“本”網絡。

4.回送地址

A類網絡地址127是一個保留地址，用于網絡軟件以及本地機間通信，叫做回送地址（loopbackaddress）.不管是什么程序，一旦使用回送地址發送數據，協議軟件立即返回，不進行任何網絡傳輸。

主機號全為“0”和全為“1”的地址，不能用作一臺計算主機的有效地址。

2.1.4子網掩碼

子網掩碼——IP地址的屏蔽碼，它使用一連串的二進制1來識別或屏蔽出IP地之中的網絡地址，使用子網掩碼的目的是識別網絡的長度和數值。IP協議使用本地的子網掩碼和本地主機IP地址來識別本地網絡。

TCP/IP體系結構用一個32位的子網掩碼來表示子網號字段的長度。具體做法是：子網掩碼由一連串的“1”和一連串的“0”組成。“1”對應于網絡號和子網號字段，而“0”對應與主機號字段。例如：子網掩碼為0XFFFFFFE0,她的二進制表示形式為11111111111111111111111111100000可見子網號有11位，而主機號有5位。子網掩碼的意義如圖2-1示。根據IP地址可以判斷它是A,B或C類地址中的哪一類，而根據子網掩碼可以劃分子網號和主機號的界限。不過，多劃分出一個子網號字段浪費了大量的IP地址。

10net-idhost-id

B類地址

10net-idsubnet-idhost-id

增加了子網掩碼

11111111111111111111111111100000

子網掩碼

圖2-1子網掩碼的意義

3路由的選擇

路由就是基于網絡層的選擇傳送數據包路徑的過程。路由器則是執行路由功能的設備。它的主要工作是為經過路由器的每個數據幀尋找一條最佳的傳輸路徑，并將數據有效的傳送到目的站點。可見，路由器的關鍵所在就是選擇最佳路徑的策略，即路由算法。為了完成這項工作，路由器中保存了各種傳輸路徑的相關數據——路由表（RoutingTable）,供路由選擇時使用。

3.1路由器的功能

路由器是所有大型TCP/IP網絡的重要組件，沒有路由器，因特網就無法運行。眾所周知，IP地址用網絡號來描述本地目標主機或遠程目標主機，而路由器是通過網絡號來識別目的網絡。下面來進一步說明路由器的功能：

a)路由器用來連接不同的網絡，接受來自它連接的某個網絡的數據；

b)路由器是專門用來轉發分組的，將數據向上傳遞到協議棧的Internet層，即路由器舍棄網絡訪問層的首標信息，并且（必要時）重新組合IP數據包；

c)路由器檢查IP首標中的目的地址；

d)傳送數據到另一個網絡，路由器自動查詢路由表，確保數據轉發到目的地址；

e)路由器確定哪個適配器負責接收數據后，它就通過相應網絡訪問層軟件傳遞數據，以便通過網絡來傳送數據。

3.2路由選擇分類

路由選擇的兩個主要類形式根據他們從何處獲得路由表信息而得名的：

靜態路由選擇——要求網絡管理員人工輸入路由信息。

動態路由選擇——根據使用路由選擇協議獲得的路由信息動態的建立路由表。

3.2.1靜態路由

當網絡的拓撲結構或鏈路的狀態發生變化時，網絡管理員需要手工去修改路由表中相關的靜態路由信息。靜態路由信息在缺省的情況下是私有的，不會傳遞個其他路由器。靜態路由一般適用于比較簡單的網絡環境，在這樣的環境中，網絡管理員易于了解本地網絡的拓撲結構，便于設計正確的路由信息，而且網絡安全保密性高。

3.2.2動態路由

動態路由是址路由器能夠自動的建立自己的路由表，并且能夠根據實際情況的變化適時的進行調整。動態路由機制的運作依賴路由器的兩個基本功能：對路由表的保護；路由器之間適時的路由信息交換。[3]交換路由信息的最終目的在于通過路由表找到一條數據交換的“最佳”路徑。

3.3IP選路算法

3.3.1傳統分類IP路由算法

盡管絕大多數路由器和許多主機都可以在無分類IP網絡中實現路由，但是仍有一些路由器和主機依賴目的的網絡分類進行路由。分類路由算法如下：

DatagramRoutingTable

從數據報中提取目的地址D，并計算網絡前綴N（即目的站的網絡號）

ifN與任何直接相接的地址匹配

then通過該網絡把數據報交付澳目的地D（其中涉及到把D轉換成一個

物理地址，轉裝數據報并發送該幀）

elseif表中包含特定于具體主機的一個到D的路由

then把數據報發送到表中指定的下一跳

elseif表中包含到網絡N的一個路由

then把數據報發送到表中指定的下一跳

elseif網絡包含一個默認路由

then把數據報發送到表中指定的默認路由器

else宣布選路出錯

3.3.2無分類路由

無分類路由的IP路由算法不斷更新以適應對任意大小IP網絡地址空間尋徑的支持。[5]路由表的每一項必須包括目的地址與下一跳地址，以及附加的掩碼以限定該項所描述的地址空間。路由表中引入掩碼，實現算法中路由表查詢的部分要比原分類路由算法復雜，但整體的算法反而簡化了。無分類IP路由算法如下：

對于任何給定的目的地IP地址

搜索路由表，尋找與改地址匹配的前綴最長的目的地址

析取該項的下一跳地址

發送分組包至下一跳

if尋找匹配項失敗

報告目的地地址不可達

Endif

4下一代網絡IP協議

當前，給予Internet的各種應用正如火如荼的迅猛發展著，而與此熱鬧場面截然不同的是Internet當前使用的IP協議版本IPV4正因為自身的缺陷而舉步維艱。因此，IPV6應運而生了。

4.1IPV4的缺陷

現在互聯網上普遍采用IPV4的標準，它是目前Internet中正在運行的非常成功的協議，有著廣泛的應用基礎，但它自身也有很多不足。

IPV4使用的是32位的尋址方式，理論上IPV4可以支持40億個地址。然而，由于先前的低效地址分配，由將近一半的地址已被之皮，剩余地址也僅有一小部分可利用。由預測表明，以目前Internet發展速度計算，所有IP地址將在2005——2010年間完全耗盡完畢。因此，IPV4協議所能夠提供的域名最終將全部耗盡，從而阻礙了整個互聯網的向前發展。

IPV4不僅存在存儲空間的局限信，還存在性能上的問題。IPV4制定之初，主要目的在于為在一種網絡間進行數據的可靠和高效傳輸探索最佳機制，從而實現不同計算機的互操作。在很大程度上，IPV4實現了此目標，但這并不意味著IPV4可以繼續保持這種實力，它在設計方面需要進一步完善。再次是安全性，人們認為安全性議題在網絡協議棧的低層并不重要，應用安全性的責任仍交給應用層。在許多情況下IPV4設計只具備最少的安全性選項，但安全性已經成為IP的下一版本可以發揮作用的地方。最后是自己配置對于IPV4的節點的配置非常復雜，而用戶跟喜歡即插即用。IP主機移動性的增強和使用不同網絡接入點時能提供更好的配置支持。

4.2IPV6協議

4.2.1較IPV4的變更之處

IPV6對IPV4做了多處改進，這些改進使該協議更為靈活，可靠，而且提供了幾乎無限的地址空間。一下列出由IPV4到IPV6的改進：

1)擴大了選路和編址容量：IPV6把IP地址所占比特數由32比特增加到128比特。該方案能夠支持的編制層次更多，而且可編址的節點數也大為增加。

2)增加了多播地址：IPV6創建了一種新的地址類型——任意播地址（anycastaddress）,以表示一系列節點，發任意播的數據包可以遞交給這組節點中的任意一個。

3)簡化了首部格式：IPV4首部中的某些子段被丟棄不用或改為可選，減少了處理數據包的開銷，是帶寬額外開銷盡可能低。

4)改良了對選項的支持：新的IP首部隊選項的編碼方式進行了改良，提高了轉發效率，對選項長度的限制更少，也增加新選項的靈活性。

5)增加了對服務質量的支持能力：IPV6可以對屬于某種特定通信流的數據報加標號，表明發送方要求對這些數據加以的特殊處理。

6)增加了鑒別和保密能力:IPV6還包括擴展定義，能支持鑒別數據完整性以及機密性等功能。

5結束語

了更好的適應Internet的不斷發展，IP協議應不斷的更新其設計上的技術。IPV6是下一代的IP協議，IPV4向IPV6的轉變不可能一夜之間完成，它們之間的過渡需要很長的時間，是一個逐步完善的過程。

參考文獻

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2謝希仁著《計算機網絡》[M]電子工業出版社2003年1月

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