IP 地址标准和服务
- 13 分钟
考虑迁移到云时，作为 Azure 开发人员、解决方案架构师或管理员，了解网络工作原理的基础知识至关重要。 了解网络构成的下一步是详细了解网络的互操作性。 无论是是你的组织的网络，还是更广泛的网络（如 Web），此知识都适用。 所有网络都在相同的原则上构建。
在本单元中，我们探讨网络通信的主要方面，以及使用传输控制协议/Internet 协议 (TCP/IP) 构建网络的原因。 然后讨论 Internet 协议地址标准之间的差异。 最后，探讨子网划分、域名系统 (DNS)、端口以及专用 IP 地址的用途和角色。
什么是地址解析协议？
地址解析协议 (ARP) 是 Internet 协议套件中的一种通信协议。 这是一种请求-响应协议，用于解析给定 IP 地址的媒体访问控制 (MAC) 地址。 ARP 支持大量数据链路层技术，如 Internet 协议版本 4 (IPv4)、DECnet 和 PUP。 解析 Internet 协议版本 6 (IPv6) 地址时，将使用邻居发现协议 (NDP) 而不是 ARP。 如果没有 ARP，便无法将 IP 地址解析为物理设备地址。
还有反向地址识别协议 (RARP)，它会基于给定 MAC 地址检索 IP 地址。
什么是 TCP/IP？
传输控制协议/Internet 协议是不同通信协议的集合，这些协议支持和定义启用网络的设备在基于 IP 的网络上的互连方式。 其核心是两个关键协议：TCP 和 IP。 TCP/IP 可实现 Internet，包括专用和公用网络（如 Intranet 和 Extranet）。
TCP/IP 通过定义端到端通信过程来定义在启用网络的设备之间共享数据的方式。 它管理消息如何细分为数据数据包（有时称为数据报）。 TCP/IP 还确定了如何对数据包进行寻址以及传输、路由和接收。 TCP/IP 可以确定网络上最高效的路由。
TCP/IP 模型设计为无状态。 此设计意味着网络堆栈会将每个请求视为新请求，因为它与上一个请求无关。 但是，有一部分 TCP/IP 模型不是无状态的。 传输层在有状态模式下运行，因为它会维护连接，直到收到消息中的所有数据包。
TCP/IP 是一种开放标准。 TCP/IP 受到管理，但不属于任何一个组织，所以适用于所有操作系统、网络和硬件。
TCP/IP 模型层
TCP/IP 模型由四个不同的层组成。 每个层都使用不同类型的协议。 请注意 TCP/IP 模型与之前讨论的 Internet 协议套件的相似程度。
- 应用程序层：应用程序层确定使用的通信协议。 此层包括超文本传输协议 (HTTP)、DNS、文件传输协议 (FTP)、Internet 消息访问协议 (IMAP)、轻型目录访问协议 (LDAP)、邮局协议 (POP)、简单邮件传输协议 (SMTP)、简单网络管理协议 (SNMP)、安全外壳 (SSH)、Telnet 和 TLS/SSL。
- 传输层：此层通过将正确端口用于所使用的应用程序协议，将应用程序数据拆分为可管理的有序区块。 与此层关联的协议是 TCP 和用户数据报协议 (UDP)。
- Internet 层：此层也称为网络层，可确保数据包到达其目的地。 与此层关联的协议包括 IP、IPv4、IPv6、Internet 控制消息协议 (ICMP)，以及 Internet 协议安全性 (IPsec)。
- 网络访问层：此层负责定义跨网络发送数据的方式。 与此层关联的协议包括 ARP、MAC、以太网、数字用户线 (DSL)，以及综合业务数字网 (ISDN)。
什么是 Internet 协议标准？
回忆一下，Internet 协议并不关心数据包的发送或接收顺序。 它也不保证会传递数据包。 Internet 协议仅提供用于将消息路由和转发到目标的逻辑寻址系统。
当前在网络中使用两个 Internet 协议版本：IPv4 和 IPv6。
IPv4
Internet 协议版本 4 于 1983 年发布，是当今使用的所有基于分组交换的网络的标准。 IPv4 使用 32 位地址空间，其上限为 4,294,967,296（43 亿）个唯一逻辑 IP 地址。 这些可用 IP 地址中有很多保留用于特定用途，如专用网络、本地主机、Internet 中继、文档和子网。
IPv4 地址的结构
IPv4 地址的结构是处于 0 到 255 范围内的四个十进制数字，每个数字用点分隔。 此结构也称为用点分隔的十进制数字格式。 IP 地址的一个示例是 192.168.0.1。
IPv4 地址的各个部分
IP 地址有两个部分，即网络和主机。 让我们以地址 192.168.0.1 为例。
IP 地址的网络部分涵盖第一组十进制数字。 在此示例中就是 192.168.0。 此数值在网络中是唯一的，用于指定网络的类别。 可用的网络类别有很多，如以下部分所述。
IP 地址的主机部分包含下一组十进制数字。 在此示例中就是 1。 此编号表示设备，在网络中必须是唯一的，以避免地址冲突。 网段上的每个设备都必须具有唯一的地址。
IPv4 地址类
Internet 协议的本地地址空间拆分为五个逻辑类或 IP 地址范围（各自使用字母表中的字母进行表示）。
| 类 | 起始地址 | 结束地址 | 网络数 | 每个网络的 IP 地址 | 可用 IP 地址总数 | 子网掩码 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 0.0.0.0 | 127.255.255.255 | 128 | 16,777,216 | 2,147,483,648 | 255.0.0.0 |
| B | 128.0.0.0 | 191.255.255.255 | 16,384 | 65,536 | 1,073,741,824 | 255.255.0.0 |
| C | 192.0.0.0 | 223.255.255.255 | 2,097,152 | 256 | 536,870,912 | 255.255.255.0 |
| D | 224.0.0.0 | 239.255.255.255 | - | - | 268,435,456 | - |
| E | 240.0.0.0 | 255.255.255.255 | - | - | 268,435,456 | - |
对于 A、B 和 C 类，开始和结束 IP 地址是保留的，不应使用。 D 类只保留用于多播流量。 E 类是保留的，不能用于公用网络（如 Internet）。
在上表中，最后一列标记为子网掩码。 子网掩码使用与 IP 地址相同的格式，但其用途是识别 IP 范围内的有效 IP 地址。
例如，假设有一个从 192.168.0.1 开始的 IP 地址范围，并且有一个子网 255.255.255.0。 通过以下方式应用子网掩码。 对于掩码中指定为 255 的各个地址段值，相应的地址段是静态的。 要选择 IP 地址时，必须选择与 192.168.0 匹配的地址。 如果段的值为 0，则可以使用介于 0 到 255 之间的任何值。 子网掩码 255.255.255.0 提供了 IP 地址范围 192.168.0.0 到 192.168.0.255 作为可供选择的有效值。
什么是子网？
子网定义 A、B 或 C 类网络中的一个或多个逻辑网络。 如果没有子网，则 A、B 或 C 类网络各自只能有一个网络。
IP 地址（也称为网络地址或路由前缀）表示要发送数据包的设备或计算机的地址。 子网（或主机地址）表示要使用的网络或子网络。 子网是使用以点分隔的十进制格式表示的 32 位数字。 例如，255.255.255.0 是标准子网掩码。
在 IPv4 网络中，若要将数据包路由到正确的网络和网络设备，需要路由前缀。 路由前缀通过采用子网掩码并向 IP 地址应用按位 AND 来创建。
定义子网和路由前缀的一种更常见方法是使用无类别域际路由选择 (CIDR) 表示法。 CIDR 作为要分配给子网的位数应用于 IP 地址。 使用 CIDR 表示法时，在 IP 地址结尾添加一个 /，然后添加位数。 例如，198.51.100.0/24 与使用用点分隔的十进制格式子网掩码 255.255.255.0 相同。 它提供 198.51.100.0 到 198.51.100.255 的地址范围。
子网允许一个网络中存在多个子网络。 它们可以用于增强路由性能。 子网可以分层排列，以创建路由树。
特殊用途地址
每个类都对可以使用的 IP 地址范围施加限制。 此表显示较常见的限制。
| 地址范围 | Scope | 描述 |
|---|---|---|
| 10.0.0.0–10.255.255.255 | 专用网络 | 用于专用网络中的本地通信 |
| 127.0.0.0–127.255.255.255 | 主机 | 用于环回地址 |
| 172.16.0.0–172.31.255.255 | 专用网络 | 用于专用网络中的本地通信 |
| 192.88.99.0–192.88.99.255 | Internet | 预留 |
| 192.168.0.0–192.168.255.255 | 专用网络 | 用于专用网络中的本地通信 |
| 255.255.255.255 | 子网 | 保留用于“受限广播”目标地址 |
IPv4 地址空间耗尽
引入 IPv4 后不久，可用 IP 地址池的消耗速度显然比预期的要快。 例如，想一想过去几年中发行的移动设备数量。
引入了几种解决方案来缓解 IP 地址用尽的威胁。 这些想法包括网络地址转换 (NAT)、分类网络，以及 CIDR。 在二十世纪九十年代，创建了 IPv6 以将 IP 地址空间的数量增加到 128 位。 IPv6 是于 2006 年推出商用的。
专用 IP 寻址
在 A、B 和 C 类中，为专用网络预留了一系列 IP 地址。 这些 IP 范围无法通过 Internet 访问。 所有公共路由器都忽略任何发送给它们的包含此类地址的数据包。
| 名称 | CIDR 块 | 地址范围 | 地址数 | 分类说明 |
|---|---|---|---|---|
| 24 位块 | 10.0.0.0/8 | 10.0.0.0–10.255.255.255 | 16,777,216 | 单一 A 类 |
| 20 位块 | 172.16.0.0/12 | 172.16.0.0–172.31.255.255 | 1,048,576 | 16 个 B 类块的连续范围 |
| 16 位块 | 192.168.0.0/16 | 192.168.0.0–192.168.255.255 | 65,536 | 256 个 C 类块的连续范围 |
专用网络上的网络设备无法与公用网络上的设备进行通信。 只能通过路由网关上的网络地址转换进行通信。
连接不同地理区域中的两个专用网络的唯一方式是使用虚拟专用网 (VPN)。 VPN 封装每个专用网络数据包。 将数据包从一个专用网络发送到另一个专用网络之前，VPN 可以进一步对数据包进行加密。
IPv6
Internet 协议版本6 是最新版本的 IP 标准。 Internet 工程任务组 (IETF) 设计和开发了 IPv6，以解决 IPv4 逻辑地址耗尽的问题。 它旨在最终取代 IPv4 标准。 它于 2017 年 7 月被采纳为公认的 Internet 标准。
IPv6 使用 128 位地址空间，从而可使用 2128 个地址。 这大约比 IPv4 多 7.9x1028 倍。
IPv4 和 IPv6 未设计为可互操作，这减缓了向较新 IPv6 标准的过渡。
IPv6 还引入了几个好处：
- 简化了网络配置：IPv6 在协议中内置了地址自动配置。 例如，路由器会广播网络前缀，网络设备可以附加其 MAC 地址以自行分配唯一的 IPv6 地址。
- 安全性：IPsec 内置在 IPv6 中。
- 新的服务支持：IPv6 消除了对 NAT 的需求，因此可以更轻松地创建对等网络。
- 多播和任意广播功能：多播允许采用一对多方式广播消息。 任意广播允许单个目标具有到两个或更多终结点目标的多个路由路径。
IPv6 地址的结构
IPv6 的结构与 IPv4 不同。 它使用八组四个十六进制数字（称为 hexadectet），而不是四个十进制数字。 每个 hexadectet 都用冒号分隔。 完整 IPv6 地址类似如下：2001:0db8:0000:0000:0000:8a2e:0370:7334。
新标准允许使用以下规则简化地址：
- 可删除任何组中的一个或多个前导零，因此
0042变为42。 - 连续的零部分会替换为双冒号 (
::)，这只能在地址中使用一次。
IPv6 示例的缩短版本是 2001:db8::8a2e:370:7334。 请注意所有 0000 的实例都已删除。
DNS
DNS 是一种分散式查找服务，将用户可读的域名或 URL 转换为承载站点或服务的服务器的 IP 地址。 DNS 的这一全球分布性质是 Internet 的重要组成部分。 DNS 始于 1985 年。
DNS 服务器有两种用途。 第一种是维护最近搜索的域名的缓存，这可提高性能并减少网络流量。 第二种是充当其下所有域的起始授权机构 (SOA)。 当 DNS 服务器要解析未保存在其缓存中的域名时，它会从最高级别（即点）开始。 然后，它会向下查找子域，直到找到充当 SOA 的 DNS 服务器。 找到后，它会将域的 IP 地址存储在其本地缓存中。
DNS 还保存与域相关的特定记录。 这些记录包括 SOA、IP 寻址（A 和 AAAA）、SMTP 电子邮件 (MX)、名称服务器 (NS) 和域名别名 (CNAME) 记录。
Azure 提供什么内容？
尽管此处讨论的许多概念都是技术性的，但 Azure 会使用可以帮助进行网络配置的工具来构建和扩展其中几个方面。
Azure DNS
Azure DNS 是一种服务，用于使用 Azure 基础结构承载已注册域名。 可以使用 Azure DNS 来管理 DNS 记录。 通过使用常规 Azure 登录凭据，可以管理 A、AAAA、CNAME、SOA、NS 和 MX 等记录。
Azure DNS 提供的核心优势之一是别名记录（可以使用 A、AAAA 或 CNAME 记录）。 使用别名可使你将流量路由到 Azure 资源。
Azure DNS 并不会替代你在其中注册和购买域的域注册机构。
Azure 虚拟网络
可以通过 Azure 虚拟网络在云中构建专用网络。 可以使用 Azure 虚拟网络构建可与其他虚拟网络和本地网络进行通信的网络。 它们是将网络扩展到云中的一种高效方式。
借助 Azure 虚拟网络，可以控制所使用的寻址。 大多数虚拟网络被认为是专用网络。 与常规网络一样，可以使用子网划分进行分段，并向这些子网提供 IP 地址范围。