В чем разница между 127.0.0.1 и адресами, не относящимися к локальному хосту?

У меня есть пробел в понимании сетевых технологий, который мне всегда было трудно преодолеть.

На протяжении многих лет я писал различные небольшие проекты отправителей/приемников TCP/UDP — в основном простые примеры “привет, мир”, чтобы изучить механизмы отправки/приема данных по TCP или UDP.

Но почти все примеры, на которые я ориентировался, обычно используют 127.0.0.x как адрес приемника. То есть TCP-сервер выполняет bind() на адрес 127.0.0.x.

Аналогично, в моем курсе Udemy по Docker и Kubernetes инструктор создает веб-сервер на Node.js, который слушает на 127.0.0.1 порту 3000.

У меня есть неуверенное понимание того, что эти “адреса обратной связи” представляют собой какую-то функцию ОС, которая создает эти “виртуальные адреса” и позволяет им действовать так, как будто они настоящие сетевые адреса. (Это объяснение, вероятно, было действительно плохим, раскрывая мое неуверенное понимание)

Мои вопросы (я знаю, что несколько вопросов в одном посте могут быть неприветствуемы, но надеюсь, что эти вопросы логически сгруппированы достаточно, чтобы было оправданным задать их вместе):

• В чем разница между этими адресами обратной связи (я предполагаю, что это 127.0.0.1 – 127.0.0.255?) и “настоящими” (возможно, более правильным словом будет не обратная связь?) IP-адресами?
• На данном ПК что определяет, доступен ли IP-адрес для C bind()?
  Например, в следующем фрагменте кода (адаптированном здесь):

  struct sockaddr_in sin;
  int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  sin.sin_family = AF_INET;
  sin.sin_addr.s_addr = htonl(1221908521); // 72.212.216.41 согласно http://www.aboutmyip.com/AboutMyXApp/IP2Integer.jsp?ipAddress=72.212.216.41
  sin.sin_port = htons(3000);
  bind(s, (struct sockaddr *) &sin, sizeof sin);
  

  …что определяет, доступен ли IP-адрес 72.212.216.41 на этом конкретном ПК, чтобы код C работал корректно?

• Кто присвоил моей сетевой карте адрес 72.212.216.41?
• Является ли 72.212.216.41 чем-то, что тесно связано с моей сетевой картой и неизменно? Или может какой-то программный процесс изменить его?
• Может ли одна сетевая карта иметь только один IP-адрес?
• Почему так много учебных пособий по сетевым технологиям используют 127.0.0.1 вместо “необратных” адресов? (Я не хочу обобщать, но, как я нашел, это в значительной степени правда)

Я думаю, суть моих вопросов в том, что я пытаюсь понять, как работает присвоение/доступность IP-адресов в контексте одного ПК.
Какое программное обеспечение/аппаратное обеспечение говорит: “ПК StoneThrow, тебе присвоен 72.212.216.41, так что твоим программам на C разрешено вызывать bind() с этим адресом”?

• IP-адреса присваиваются интерфейсам, а не компьютерам и т.д.

• Интерфейсы не обязательно должны быть основаны на физическом оборудовании, операционная система может предоставить драйвер, который выглядит как сетевой интерфейс для приложения, но на самом деле является чем-то еще.

• Таким образом, операционные системы могут представлять “интерфейс обратной связи” приложением, который внутренне будет принимать входящий трафик и просто копировать его в выходной буфер интерфейса, не передавая его драйверу устройства, который общается с физической сетевой картой – отсюда и “обратная связь”.

• Некоторые операционные системы имеют интерфейс обратной связи в качестве интефейса, который вы можете видеть и с которым можете работать, как и с любым другим интерфейсом (Linux и общие lo интерфейсы по сравнению с такими, как eth0 и т.д.), а некоторые делают интерфейс обратной связи невидимым (Windows).

В чем разница между этими адресами обратной связи (я предполагаю, что это 127.0.0.1 – 127.0.0.255?) и “настоящими” (возможно, более правильным словом будет не обратная связь?) IP-адресами?

Все IP-адреса “настоящие”. Основные правила в сетевых технологиях таковы:

Вы можете сделать все, что хотите, если обе стороны согласны, но обычно вы не контролируете другую сторону, поэтому стандарты и соглашения определяют, что вы можете делать, если не создадите условия, при которых это больше не применяется.

127.0.0.0/16 зарезервирован IANA для целей адаптера обратной связи, и всё. Это соглашение, но соглашение, которому следуют все провайдеры интернет-услуг и операционные системы.

Технически вы могли бы назначить 127.0.0.1 физическому сетевому интерфейсу, но, я думаю, только Linux действительно позволит вам это сделать. Однако ни один роутер провайдера интернет-услуг не будет ничего делать с 127.0.0.0/16, кроме как отбрасывать его, так что, как только 127.0.0.1 покинет ваш роутер (при условии, что ваш роутер правильно настроен для маршрутизации его к вашему провайдеру), он будет отброшен. Вы всегда можете делать все, что хотите в своей локальной сети.

На данном ПК что определяет, доступен ли IP-адрес для C bind()?
Например, в следующем фрагменте кода (адаптированном здесь):

Я думаю, все, что интересует bind(), это то, что ничего другого не использует тот же сокет. Сокет — это IP+порт.

что определяет, доступен ли IP-адрес 72.212.216.41 на этом конкретном ПК для правильной работы кода C?

Ничто не мешает вам назначить этот IP на все, что вы хотите в своей сети. Будет ли это что-то продуктивное, зависит от того, как настроены другие сетевые интерфейсы в вашей сети (все ли они находятся в одной подсети?), может ли каждая система достучаться до роутера (получить IP роутера через DHCP или вручную задать), работает ли этот роутер и ваш провайдер интернет-услуг.

Кто присвоил моей сетевой карте адрес 72.212.216.41?

Вероятно, DHCP, и, вероятно, DHCP-сервер вашего провайдера интернет-услуг (Cox). Если не DHCP, тогда сработает реализация APIPA в большинстве операционных систем. Это предполагает, что вы не назначили статически IP + маску подсети.

Является ли 72.212.216.41 чем-то, что тесно связано с моей сетевой картой и неизменно? Или может какой-то программный процесс изменить это?

Нет. Это IP-адрес, и это уровень 3, тогда как ваша сетевуха заботится о уровне 2 (кадры Ethernet) и уровне 1 (физическое модулирование/прослушивание кабеля).

Хотя многие сетевые интерфейсы имеют “движки разгрузки”, которые обрабатывают части TCP/IP, их все можно отключить, и TCP/IP может полностью выполняться программным обеспечением.

Может ли одна сетевая карта иметь только один IP-адрес?

В большинстве операционных систем:

• Чаще всего 1 порт сетевой карты = 1 интерфейс, но иногда вы можете провести объединение, когда 2 или 3 порта работают вместе и выглядят как 1 интерфейс. Это распространено на серверах и коммутаторах.

• Интерфейс может иметь 0, 1 или больше чем 1 комбинацию IP-адреса и маски подсети. В IPv6 каждый интерфейс обычно будет иметь как минимум 2 (один будет локальным).

Почему так много учебных пособий по сетевым технологиям используют 127.0.0.1 вместо “необратных” адресов? (Я не хочу обобщать, но, как я нашел, это в значительной степени правда)

Чтобы вы не беспокоили публичные системы в Интернете, которые не ожидают, что вы будете с ними общаться, и также не беспокоили другие системы в своей локальной сети, которые не ожидают, что вы будете с ними общаться. Обратная связь остается исключительно на вашем компьютере.

Какое программное обеспечение/аппаратное обеспечение говорит: “ПК StoneThrow, тебе присвоен 72.212.216.41?

Часто это DHCP. Есть DHCP-серверы и DHCP-клиенты. DHCP-клиенты используют широковещательную передачу Ethernet, что отправляет трафик ко всем системам в сети и не требует IP-адреса, чтобы найти DHCP-сервер и получить IP-адрес от него.

IP может быть назначен вручную вами или автоматически различными механизмами конфигурации или протоколами.
Ваш адрес является публичным и назначается сетевому интерфейсу вашим провайдером через DHCP или PPTP.
Просто прочтите это в целом:
https://en.m.wikipedia.org/wiki/IP_address

IP-адреса в основном различаются по своей глобальной доступности:

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Private_network

https://www.iana.org/assignments/iana-ipv4-special-registry/iana-ipv4-special-registry.xhtml

IP-адреса назначаются сетевому интерфейсу (карте) на вашем компьютере и могут быть изменены в любое время.

Компьютеры могут иметь несколько сетевых интерфейсов, и каждый интерфейс может иметь несколько назначенных IP-адресов.

127.0.0.1 используется для удобства и безопасности. Он всегда присутствует по умолчанию, даже если на компьютере нет сетевого интерфейса, и программное обеспечение может безопасно связаться с ним для связи только между локальными процессами.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Localhost