# 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。
{% hint style="danger" %}
**每一个分片的长度一定是8B的整数倍**。
{% endhint %}
{% hint style="info" %}
例：已知数据报首部为20B，数据部分为3800B，将其分为长度不超过1420B的数据报片
每一片的**数据部分**长度$$=1420 - 20 = 1400$$
分为三片：$$1400+1400+1000 = 3800$$
分别的偏移量：
* 第一片：$$0 \div 8 = 0$$
* 第二片：$$1400 \div 8 = 175$$
* 第三片：$$2800\div 8 = 350$$
{% endhint %}
## 4.2.2 IPV4地址
### 1、分类的IP地址
#### （1）特殊的IP地址
| IP地址 | 作为源地址 | 作为目的地址 | 用途 |
| :-------------: | :---: | :----: | :-------------------: |
| 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
| 地址类别 | 地址范围 | 网段个数 |
| :--: | :----------------------------------: | :--: |
| 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
{% hint style="success" %}
**相与**：两个对应的位均为1，结果为1；否则结果为0
{% endhint %}
{% hint style="info" %}
例1：已知IP地址是141.14.72.24，子网掩码是255.255.192.0，求网络地址；如果子网掩码是255.255.224.0，求网络地址
$$
\begin{align\*} 72 &= 01001000\ 192&= 11000000\ result & = 01000000 = 64 \end{align\*}
$$
故网络地址为141.14.64.0
$$
\begin{align\*} 72 &= 01001000\ 192&= 11100000\ result & = 01000000 = 64 \end{align\*}
$$
网络地址为141.14.64.0
{% endhint %}
#### （2）常见的不同位数子网掩码表
| 二进制 | 十进制 |
| :------: | :-: |
| 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**。
{% hint style="info" %}
例：128.14.35.7/20是某CIDR地址块中的一个地址，分析这个地址块
二进制表示：**10000000 00001110 0010**0011 00000111
地址块内主机数：$$2^{12} = 4096$$
最小地址：**10000000 00001110 0010**0000 00000000（128.14.32.0）
最大地址：**10000000 00001110 0010**1111 11111111（128.14.47.255）
所在地址块：**10000000 00001110 0010**0000 00000000（128.14.32.0）
地址掩码：**11111111 11111111 1111**0000 00000000（255.255.240.0）
{% endhint %}
#### （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**
{% hint style="info" %}
例：将206.1.0.0/17与206.1.128.0/17构成超网
$$
\begin{align\*} 206.1.0.0 &= 11001110\ 00000001\ 00000000\ 00000000\ 206.1.128.0 &= 11001110\ 00000001\ 10000000\ 00000000\ result & = 11001110\ 00000001\ 00000000\ 00000000 \end{align\*}
$$
所构成的超网为206.1.0.0/16
{% endhint %}
#### （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）
{% hint style="danger" %}
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
{% endhint %}
### 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