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IPv4协议

IPv4 协议

1. IPv4 概述

IPv4（Internet Protocol version 4）是互联网的核心协议，为网络层提供无连接的数据报服务。

基本特征

  • 无连接协议：每个数据包独立处理
  • 尽力而为服务：不保证可靠传输
  • 32 位地址：提供约 43 亿个地址
  • 全球唯一：每个设备有唯一 IP 地址

2. IPv4 分组结构

版本和首部长度

  • 版本（4 位）：协议版本，IPv4 为 4
  • 首部长度（4 位）：以 4 字节为单位，最大 60 字节

服务类型

  • 优先级（3 位）：数据包优先级
  • D 位：延迟要求
  • T 位：吞吐量要求
  • R 位：可靠性要求

总长度和标识

  • 总长度（16 位）：整个数据包的长度
  • 标识（16 位）：用于分片重组

标志和片偏移

  • 标志（3 位）：
    • DF 位：不分片标志
    • MF 位：更多分片标志
  • 片偏移（13 位）：分片在原始数据包中的位置

生存时间和协议

  • 生存时间（8 位）：数据包在网络中的最大跳数
  • 协议（8 位）：上层协议类型（TCP=6，UDP=17）

校验和和地址

  • 首部校验和（16 位）：首部完整性检查
  • 源地址（32 位）：发送方 IP 地址
  • 目的地址（32 位）：接收方 IP 地址

选项和数据

  • 选项（可变）：可选字段
  • 数据（可变）：上层协议数据

3. IPv4 地址

地址结构

  • 32 位二进制：分为 4 个 8 位段
  • 点分十进制：每段用十进制表示，用点分隔
  • 网络部分：标识网络
  • 主机部分：标识主机

地址分类

A 类地址：

  • 范围：1.0.0.0 - 126.255.255.255
  • 网络位：8 位
  • 主机位：24 位
  • 默认掩码：255.0.0.0

B 类地址：

  • 范围：128.0.0.0 - 191.255.255.255
  • 网络位：16 位
  • 主机位：16 位
  • 默认掩码：255.255.0.0

C 类地址：

  • 范围：192.0.0.0 - 223.255.255.255
  • 网络位：24 位
  • 主机位：8 位
  • 默认掩码：255.255.255.0

D 类地址：

  • 范围：224.0.0.0 - 239.255.255.255
  • 用途：组播地址

E 类地址：

  • 范围：240.0.0.0 - 255.255.255.255
  • 用途：保留地址

特殊地址

  • 网络地址：主机部分全为 0
  • 广播地址：主机部分全为 1
  • 回环地址：127.0.0.0/8
  • 私有地址：
    • A 类：10.0.0.0/8
    • B 类：172.16.0.0/12
    • C 类：192.168.0.0/16

4. 子网划分

子网掩码

  • 网络部分：掩码中 1 对应的位
  • 主机部分：掩码中 0 对应的位
  • CIDR 表示：斜杠后跟网络位数

子网划分步骤

  1. 确定子网数：需要多少个子网
  2. 计算网络位数：2^n ≥ 子网数
  3. 确定子网掩码：网络位数对应的掩码
  4. 计算子网地址：每个子网的网络地址
  5. 确定主机范围：每个子网的主机地址范围

示例

网络：192.168.1.0/24，需要 4 个子网

  • 子网数：4，需要 2 位网络位
  • 新掩码：255.255.255.192（/26）
  • 子网：
    • 192.168.1.0/26（0-63）
    • 192.168.1.64/26（64-127）
    • 192.168.1.128/26（128-191）
    • 192.168.1.192/26（192-255）

5. CIDR（无类域间路由）

基本概念

  • 无类地址：不按 A、B、C 类划分
  • 灵活划分：根据需要划分网络
  • 减少路由表：合并路由条目
  • 提高效率：减少路由表大小

地址聚合

  • 前缀匹配：相同前缀的地址可以聚合
  • 最长匹配：选择最具体的路由
  • 减少条目：多个路由条目合并为一个

6. 辅助协议

ARP 协议（地址解析协议）

功能：将 IP 地址转换为 MAC 地址

工作过程：

  1. 发送 ARP 请求包
  2. 目标主机回复 ARP 应答包
  3. 建立 IP 地址到 MAC 地址的映射
  4. 缓存映射信息

ARP 表：存储 IP 地址到 MAC 地址的映射

DHCP 协议（动态主机配置协议）

功能：自动分配 IP 地址

工作过程：

  1. DHCP 发现：客户端广播寻找 DHCP 服务器
  2. DHCP 提供：服务器提供 IP 地址
  3. DHCP 请求：客户端请求使用提供的地址
  4. DHCP 确认：服务器确认地址分配

分配信息：

  • IP 地址
  • 子网掩码
  • 默认网关
  • DNS 服务器

ICMP 协议（网络控制消息协议）

功能：网络诊断和错误报告

消息类型：

  • 回显请求/应答：ping 命令
  • 目标不可达：路由失败
  • 时间超时：TTL 耗尽
  • 重定向：更好的路由

应用：

  • ping：连通性测试
  • traceroute：路径跟踪
  • 网络诊断

练习题

练习 1

IPv4 地址与 IPv6 地址有何不同？

参考答案

主要区别：

  1. 地址长度：

    • IPv4：32 位地址
    • IPv6：128 位地址

  2. 地址空间：

    • IPv4：约 43 亿个地址
    • IPv6：约 340 万亿个地址

  3. 地址表示：

    • IPv4：点分十进制（192.168.1.1）
    • IPv6：冒号分隔十六进制（2001:db8::1）

  4. 首部结构：

    • IPv4：复杂，有选项字段
    • IPv6：简化，固定 40 字节

  5. 功能特性：

    • IPv4：需要 NAT，安全性较差
    • IPv6：内置安全性和移动性

  6. 地址分配：

    • IPv4：手动或 DHCP 分配
    • IPv6：自动配置，无状态地址配置

练习 2

什么是 CIDR？有何优点？

参考答案

CIDR（无类域间路由）：

定义：

  • 不按传统的 A、B、C 类地址划分
  • 根据实际需要灵活划分网络
  • 使用斜杠表示法（如 192.168.1.0/24）

优点：

  1. 地址利用率高：

    • 避免地址浪费
    • 根据实际需要分配地址

  2. 减少路由表项：

    • 地址聚合减少路由条目
    • 提高路由查找效率

  3. 简化管理：

    • 灵活的地址分配
    • 便于网络规划

  4. 支持超网：

    • 将多个小网络合并为大网络
    • 减少路由表大小

  5. 提高效率：

    • 减少路由更新
    • 提高网络性能