面试题：网络编程之IP协议基础原理

IP协议在网络层的寻址和路由功能实现

IP地址：IP协议为每个网络设备分配一个唯一的IP地址，用于标识设备在网络中的位置。IP地址由网络部分和主机部分组成，不同的IP地址分类（如A类、B类、C类等）决定了网络部分和主机部分的长度划分。
子网掩码：与IP地址配合使用，用于确定IP地址中的网络部分和主机部分。通过将IP地址与子网掩码进行按位与运算，可得到网络地址，从而确定设备所属的网络。例如，对于IP地址192.168.1.1和子网掩码255.255.255.0，按位与运算后得到192.168.1.0，即网络地址。

路由表：每个路由器都维护一个路由表，其中包含了目的网络地址、下一跳地址和度量值等信息。目的网络地址标识了数据包要到达的目标网络；下一跳地址指的是数据包转发的下一个路由器接口地址；度量值用于衡量到达目的网络的代价，常见的度量值有跳数、带宽、延迟等。
转发决策：当路由器接收到一个数据包时，它会提取数据包中的目的IP地址，并在路由表中查找与之匹配的目的网络地址。如果找到匹配项，路由器就根据下一跳地址将数据包转发到相应的接口；如果没有找到匹配项，路由器可能会将数据包转发到默认路由（如果配置了默认路由），或者丢弃该数据包，并向源设备发送一个ICMP（Internet控制报文协议）消息，告知目的网络不可达。
动态路由协议：为了自动更新路由表，网络中常使用动态路由协议，如RIP（路由信息协议）、OSPF（开放最短路径优先协议）、BGP（边界网关协议）等。这些协议通过路由器之间交换路由信息，来自动发现网络拓扑变化，并相应地更新路由表，使得路由器能够适应网络的动态变化。

长度：
- IPv4：地址长度为32位，通常以点分十进制形式表示，如192.168.1.1。
- IPv6：地址长度扩展到128位，以冒号十六进制形式表示，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334，为了书写方便，可省略前导零，如2001:db8:85a3::8a2e:370:7334 。
地址空间：
- IPv4：理论上可提供的地址数量为2^32个，约43亿个。但由于地址分配不合理等原因，实际可用地址数量有限。
- IPv6：提供了2^128个地址，几乎可以为地球上的每一粒沙子分配一个IP地址，有效解决了IPv4地址枯竭的问题。
地址类型：
- IPv4：有A类、B类、C类、D类（组播地址）、E类（保留地址）等分类地址，同时还有私有地址（如10.0.0.0/8、172.16.0.0 - 172.31.0.0、192.168.0.0/16）用于内部网络。
- IPv6：主要有单播地址、组播地址和任播地址。单播地址用于标识单个网络接口；组播地址用于向一组网络接口发送数据；任播地址则是一组网络接口的地址，数据包会发送到距离源最近的一个拥有该任播地址的接口。IPv6没有专门的广播地址，其功能由组播地址替代。

路由表大小：
- IPv4：随着网络规模的扩大，路由表不断增大，因为IPv4地址分配不够灵活，导致路由聚合困难，增加了路由器的负担。
- IPv6：由于地址分配采用了层次化的结构，有利于路由聚合，可有效减少路由表的大小，提高路由效率。例如，IPv6地址前缀分配使得一个地区或组织可以获得连续的地址块，在路由表中可以用一条路由条目来表示，而IPv4可能需要多条路由条目。
路由协议：
- IPv4：常用的路由协议如RIP、OSPF、BGP等在IPv4网络中广泛应用。
- IPv6：虽然一些IPv4的路由协议经过改进后可以支持IPv6，如RIPng（RIP下一代）、OSPFv3等，但在路由机制的具体实现上有所不同。例如，OSPFv3与OSPFv2相比，对IPv6地址的支持更为直接，并且对链路本地地址的使用等方面做了改进，以适应IPv6网络的特点。
邻居发现：
- IPv4：使用ARP（地址解析协议）来发现同一网络内的设备MAC地址，以实现数据链路层的寻址。
- IPv6：采用邻居发现协议（NDP），它不仅包含了类似ARP的功能，还能实现路由器发现、前缀发现、地址自动配置等功能，更加适应IPv6网络的需求。