# 4.3 IPv4 ## 一、IPv4概述 ### 1.1 什么是IPv4 **IPv4（Internet Protocol version 4）**： - 互联网协议的第四版 - 目前使用最广泛的网络层协议 - 使用32位地址 ### 1.2 IPv4的特点 - **无连接**：每个分组独立传输 - **不可靠**：不保证分组到达 - **尽力而为**：尽力传输，不保证质量 - **分组交换**：数据报服务 --- ## 二、IPv4地址 ### 2.1 IPv4地址结构 **32位二进制地址**： - 通常用点分十进制表示 - 如：192.168.1.1 **结构**： ``` | 网络号 | 主机号 | ``` ### 2.2 IP地址分类 #### A类地址 **范围**：1.0.0.0 ~ 126.255.255.255 **结构**： ``` | 0 | 网络号（7位） | 主机号（24位） | ``` **特点**： - 第一位为0 - 网络号：1-126（126个） - 每个网络主机数：2²⁴ - 2 = 16,777,214 - 用于大型网络 #### B类地址 **范围**：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 **结构**： ``` | 10 | 网络号（14位） | 主机号（16位） | ``` **特点**： - 前两位为10 - 网络号：128.0-191.255（16,384个） - 每个网络主机数：2¹⁶ - 2 = 65,534 - 用于中型网络 #### C类地址 **范围**：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 **结构**： ``` | 110 | 网络号（21位） | 主机号（8位） | ``` **特点**： - 前三位为110 - 网络号：192.0.0-223.255.255（2,097,152个） - 每个网络主机数：2⁸ - 2 = 254 - 用于小型网络 #### D类地址 **范围**：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 **特点**： - 前四位为1110 - 用于组播（Multicast） - 不分配给主机 #### E类地址 **范围**：240.0.0.0 ~ 255.255.255.255 **特点**： - 前四位为1111 - 保留用于实验和研究 - 不分配给主机 ### 2.3 特殊IP地址 | 地址 | 用途 | |-----|------| | 0.0.0.0 | 本网络的本主机 | | 255.255.255.255 | 受限广播地址 | | 127.0.0.0/8 | 环回地址（Loopback） | | 10.0.0.0/8 | A类私有地址 | | 172.16.0.0/12 | B类私有地址 | | 192.168.0.0/16 | C类私有地址 | | 169.254.0.0/16 | 链路本地地址（APIPA） | ### 2.4 私有地址和NAT **私有地址范围**： - A类：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 - B类：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 - C类：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 **NAT（网络地址转换）**： - 将私有地址转换为公网地址 - 节省公网地址 - 隐藏内部网络 --- ## 三、子网划分 ### 3.1 为什么要划分子网 **问题**： - IP地址浪费 - 网络太大，广播风暴 - 管理困难 **解决**： - 将大网络划分为小网络（子网） - 提高地址利用率 - 减少广播域 ### 3.2 子网划分方法 **从主机号借用若干位作为子网号**： ``` | 网络号 | 子网号 | 主机号 | ``` **子网掩码**： - 区分网络号和主机号 - 网络号和子网号对应位为1 - 主机号对应位为0 ### 3.3 子网掩码表示 **点分十进制**： - A类默认：255.0.0.0 - B类默认：255.255.0.0 - C类默认：255.255.255.0 **CIDR表示法**： - /n，表示前n位为网络位 - 如：/24 表示前24位为网络位 ### 3.4 子网划分计算 **已知**： - IP地址：192.168.1.0/24 - 需要划分4个子网 **计算**： 1. 需要借用的位数：2² = 4，借用2位 2. 子网掩码：/24 + 2 = /26，即255.255.255.192 3. 每个子网主机数：2⁶ - 2 = 62 **子网**： - 192.168.1.0/26（主机：1-62） - 192.168.1.64/26（主机：65-126） - 192.168.1.128/26（主机：129-190） - 192.168.1.192/26（主机：193-254） ### 3.5 CIDR（无类别域间路由） **概念**： - 消除传统的A、B、C类地址界限 - 使用可变长子网掩码 - 聚合路由，减少路由表 **表示**： - IP地址/前缀长度 - 如：192.168.1.0/24 **路由聚合**： - 将多个小网络合并为大网络 - 减少路由表项 --- ## 四、IPv4分组格式 ### 4.1 IPv4首部格式 ``` 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |Version| IHL |Type of Service| Total Length | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Identification |Flags| Fragment Offset | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Time to Live | Protocol | Header Checksum | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Source Address | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Destination Address | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Options (if IHL > 5) | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Data | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ ``` ### 4.2 首部字段详解 **版本（Version，4位）**： - IP协议版本 - IPv4：0100（4） **首部长度（IHL，4位）**： - 首部长度，单位为4字节 - 最小值：5（20字节） - 最大值：15（60字节） **服务类型（TOS，8位）**： - 区分服务（DSCP，6位） - 显式拥塞通知（ECN，2位） **总长度（Total Length，16位）**： - 首部和数据的总长度 - 最大：65535字节 **标识（Identification，16位）**： - 分片标识 - 同一分组的分片标识相同 **标志（Flags，3位）**： - 第1位：保留 - 第2位（DF）：Don't Fragment，1表示不分片 - 第3位（MF）：More Fragment，1表示还有分片 **片偏移（Fragment Offset，13位）**： - 分片在原分组中的位置 - 单位为8字节 **生存时间（TTL，8位）**： - 分组在网络中的寿命 - 每经过一个路由器减1 - 为0时丢弃 **协议（Protocol，8位）**： - 上层协议类型 - 1：ICMP - 6：TCP - 17：UDP **首部校验和（Header Checksum，16位）**： - 只检验首部 - 每经过一个路由器重新计算 **源地址（Source Address，32位）**： - 发送方的IP地址 **目的地址（Destination Address，32位）**： - 接收方的IP地址 **选项（Options，可变）**： - 安全、严格源路由、松散源路由、记录路由、时间戳等 ### 4.3 数据部分 - 上层协议数据 - 如：TCP段、UDP数据报、ICMP报文 --- ## 五、IP分片 ### 5.1 为什么要分片 **MTU（最大传输单元）**： - 链路层帧的数据部分最大长度 - 以太网MTU：1500字节 **分片原因**： - IP分组长度 > 链路MTU - 需要分片传输 ### 5.2 分片过程 1. 路由器检查分组长度 2. 如果长度 > MTU，需要分片 3. 将数据部分分割成若干片 4. 每片添加首部（大部分字段相同） 5. 修改标志和片偏移字段 6. 分别发送 ### 5.3 分片示例 **原始分组**： - 数据：4000字节 - 首部：20字节 - 总长度：4020字节 - MTU：1500字节 **分片**： - 每片数据最多：1500 - 20 = 1480字节 - 1480 / 8 = 185，是整数，可以 **分片结果**： | 分片 | 数据长度 | 片偏移 | MF | |-----|---------|--------|-----| | 1 | 1480 | 0 | 1 | | 2 | 1480 | 185 | 1 | | 3 | 1040 | 370 | 0 | ### 5.4 重组 **重组地点**： - 目的主机 - 不在中间路由器重组 **重组过程**： 1. 根据标识、源地址、目的地址、协议识别同一分组的分片 2. 根据片偏移排序 3. 重组数据 4. 交给上层协议 --- ## 六、IP转发 ### 6.1 转发过程 1. 提取目的IP地址 2. 检查是否是直接交付（同一网络） 3. 如果不是，查找路由表 4. 选择最长前缀匹配的路由 5. 将分组发送到下一跳 6. TTL减1，重新计算校验和 7. 转发 ### 6.2 最长前缀匹配 **概念**： - 路由表中可能有多个匹配项 - 选择网络前缀最长的（最具体的） **例子**： - 目的地址：192.168.1.100 - 路由表： - 192.168.0.0/16 - 192.168.1.0/24 - 选择：192.168.1.0/24（前缀更长） --- ## 七、考研重点 1. **IPv4地址**： - 32位地址 - 点分十进制表示 - 地址分类：A、B、C、D、E类 - 特殊地址：私有地址、环回地址、广播地址 2. **子网划分**： - 子网号 - 子网掩码 - CIDR表示法 - 子网划分计算 3. **IPv4分组格式**： - 首部各字段的含义 - 版本、首部长度、总长度 - 标识、标志、片偏移 - TTL、协议、校验和 - 源地址、目的地址 4. **IP分片**： - MTU概念 - 分片过程 - 片偏移计算 - 重组过程 5. **IP转发**： - 转发过程 - 最长前缀匹配 --- *下一节：4.4 IPv6*