4.2 IPV4
4.2.1 IP分组
1、IP数据报的格式
版本（4bit）：IPV4/IPV6
首部长度（4bit）：标识首部的长度
单位是4B
最小为5（0101）：20B
最大为15（1111）：60B
区分服务（8bit）：指示期望获得哪 种类型的服务
总长度（16bit）：整个数据报（首部+数据）的长度
单位是1B
最小是64B
最大时1500B
标识（16bit）：同一数据报的分片使 用同一标识
标志（3bit）
最高位无用
中间位DF（Don’t Fragment）
DF=1：禁止分片
DF=0：允许分片
最低位位MF （More Fragment）
MF=1：后面还有分片
MF=0：最后一个分片
片偏移（13bit）：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对起始位置
单位是8B
生存时间（8bit）：IP分组的保质期
每经过一个路由器-1
变成0时丢弃
协议（8bit）：数据部分（即传输层报文段）所采用的协议
TCP：6
UPD：17
首部检验和（16bit）：检验首部信息
源地址、目的地址（各32bit）：来源和目标的IP地址
可选字段（0~40B）：支持排错、 测量以及安全等措施
填充：保证首部长度为4B的整数倍
2、IP数据报分片
最大传送单元MTU：链路层数据帧可封装数据的上限。以太网的MTU是1500字节（B）。
因此，网络层的首部+数据部分的最大长度就为1500B。
分片时，分组从0开始，通过将每一个分组的起始分组号/8得到片偏移量。
每一个分片的长度一定是8B的整数倍。
4.2.2 IPV4地址
1、分类的IP地址
（1）特殊的IP地址
0.0.0.0
✔
❌
本网络范围内表示主机，路由表内表示默认路由
0.0.0.X
✔
❌
本网络范围内的某个特定主机
255.255.255.255
❌
✔
本网络广播地址
X.X.X.0
❌
❌
表示某一个网络
X.X.X.255
❌
✔
对特定网络进行广播
127.X.X.X
✔
✔
本地环回
（2）私有IP地址
A类
10.0.0.0~10.255.255.255
1
B类
127.16.0.0~127.31.255.255
16
C类
192.168.0.0~192.168.255.255
256
（3）最大可用地址数量
A类网络
最大可用网络数
减去全零（本地网络）
减去127（本地环回）
最大可用主机数
减去全零（本网络）
减去全一（255，广播）
B类网络
最大可用网络数
减去128.0（不可指派）
最大主机数
减去全零（本网络）
减去全一（255，广播）
C类网络
最大可用网络数
减去192.0.0（不可指派）
最大主机数
减去全零（本机）
减去全一（255，广播）
2、 网络地址转换NAT
安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址
局域网中的每台设备使用私有IP，这些地址无法作为源地址和目的地址
每个路由器中存在一张NAT转换表，将私有地址+端口号与路由器IP+端口号一一对应，通过这一方法即可实现访问内网的计算机。
4.2.3 子网划分与子网掩码
1、子网划分
分类IP地址的缺点
IP地址空间利用率低
两级IP地址不够灵活
子网划分
将原本IP地址的主机号再次进行划分，得到子网号+新的主机号
子网号能否全0全1看情况（是否采用CIDR）
主机号不能全0或全1
全0：本机
全1：广播
主机号至少要有两位
子网划分后，网络对外仍然表现为一个网络，外部看不到内部网络中的子网划分。
子网划分的意义
增加子网的数量
减小广播域
减少主机数量
提高IP的利用率
不会增加网络的数量
2、子网掩码
将网络号的部分全部表示为1，主机号的部分全部表示为0，即得到子网掩码
对于两级IP地址（未划分子网），网络号部分为1，即为子网掩码
对于三级IP地址（划分子网），网络号+子网号的部分为1，即为子网掩码
（1）IP地址与子网地址的计算
将IP地址与子网掩码逐位相与，即得到网络地址
相与：两个对应的位均为1，结果为1；否则结果为0
（2）常见的不同位数子网掩码表
10000000
128
11000000
192
11100000
224
11110000
240
11111000
248
11111100
252
11111110
254
11111111
255
3、使用子网时的分组转发
源路由器发送给目标路由器的路由表中，包含了以下信息：
目的网络地址
目的子网掩码
下一跳地址
目标路由器收到后，分组转发的算法顺序如下：
提取目标IP地址
将IP地址与自己网络中的各子网的子网掩码相与，结果与目的子网掩码对比
有相同的子网掩码：直接交付
没有相同的子网掩码：下一步
检查自己路由表中的特定主机路由（直接指向某个路由器）
存在与目标IP匹配的特定主机路由：转发
否则下一步
检查路由表中记录的的所有子网掩码，一一做与运算并对比
存在与目标子网掩码相同的记录：按照路径转发
否则下一步
转发到默认路由0.0.0.0进行处理
当分组的生命周期耗尽时，丢弃该分组，并转发报告分组出错。
4、无分类域间路由选择（CIDR）
（1）无分类编址
不再采用网络号+子网号+主机号的方式，放弃了ABC类地址划分的概念。
CIDR记法：使用一定长度的位代表网络前缀，表示为IP地址/网络前缀位数，如128.14.32.0/20
网络前缀的位数是可变的，网络前缀相同的地址合称为一个地址块。
（2）构成超网
将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合
（3）最长前缀匹配
使用CIDR时，通过跟网络掩码按位相与查找路由表，可能得到几个匹配结果，选择具有最长网络前缀的作为下一跳路由
前缀越长
地址块越小
路由越具体
4.2.4 ARP、DHCP和ICMP
1、ARP协议
（1）发送数据的过程
应用层：产生报文
传输层：根据大小将报文分为报文段
网络层：将报文段加上IP地址（源主机和目的主机），形成（IP数据报）分组
数据链路层：将分组加上MAC地址（源主机和目的主机）和FCS
物理层：通过数字或模拟方式传输
（2）网络层数据传输的具体过程
解决下一跳走哪的问题
ARP高速缓存：每台主机中都有的，IP地址与MAC地址的映射
在链路层传输数据报分组时，必须以MAC地址的形式传递，因此需要使用ARP协议来获得目的主机的MAC地址，过程如下：
1）查找ARP高速缓存
首先查找本机的ARP缓存中有没有目的IP对应的MAC地址，如果有则直接填入
2）当目的主机在局域网内时
发送的请求分组中目的MAC地址为全1，表示广播分组
返回的响应分组中包括了目的MAC地址，直接填入即可
3）当目标主机不在本网络时
通过本机的子网掩码和目标地址做与运算，发现目标IP不在一个网段内
目的MAC地址设为默认网关（本网络出口路由器）的MAC地址
获取默认网关的MAC地址的方法仍然为通过ARP协议
之后的传输交由路由器处理
4）由路由器传到下一个路由器
源IP和目的IP不变
MAC地址改为相应的路由器MAC地址
5）由路由器到本网络内主机
源路由器通过ARP协议获得目的主机的MAC地址
IP地址仍然为最初的地址
MAC地址为路由器地址和获得的目的主机MAC地址
（3）ARP协议
功能：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射
过程
检查ARP高速缓存
有对应表项则写入MAC帧
没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组
目的主机收到请求后就向源主机单播一个ARP响应分组
源主机收到后将此映射写入ARP缓存（10-20min更新一次）
以太网帧的源和目的MAC地址：上、下一条的MAC地址
IP数据报的源和目的IP地址：最接近源/目的地址的公网IP地址
2、DHCP协议
动态主机配置协议DHCP：
是应用层协议
使用客户/服务器方式
客户端和服务端通过广播方式进行交互
基于UDP
DHCP协议的过程：
主机广播DHCP发现报文
试图找到网络中的服务器，服务器获得IP地址
DHCP服务器广播DHCP提供报文
服务器拟分配给主机一个IP地址及相关配置
先到先得
主机广播DHCP请求报文
主机向服务器请求提供IP地址
DHCP服务器广播DHCP确认报文
正式将IP地址分配给主机
3、ICMP协议
在网络层，使用网际控制报文协议（ICMP）来让主机和路由器报告差错和异常情况。
ICMP报文在首部的类型字段中表明此条报文的种类。
（1）ICMP差错报文
差错报文的类型
终点不可达：无法交付
源点抑制（已取消）：拥塞丢数据
时间超过：报文生存时间TTL=0，丢弃部分已收到的数据报片
参数问题：首部字段有问题
改变路由（重定向）：有更好的路由
差错报文的组成
ICMP差错报文本身是一个IP数据报
不发送差错报文的情况
对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文
对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文
对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文
对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报不发送ICMP差错报告报文
（2）ICMP询问报文
回送请求和回答报文：能否PING通
时间戳请求和回答报文：获得时间戳
掩码地址请求和回答报文
路由器询问和通告报文
（3）ICMP应用
PING：测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文
traceroute：跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文
发送一连串的报文，TTL依次设置为1、2、3……
每到一个新的路由，就有一个数据报生命周期结束
不断接受差错报告报文
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