ipv4协议的详解
一、 IPv4協議報頭格式?
0??????????????????????? 4????????????????????????? 8?????????????????????????????????????????????? 16???????????????????? 19????????????????????????? 24????????????????????????????????????????? 32?
版本 Version | IP頭長度 IHL | 服務類型（TOS） Type of Service | 總長度 ??????? Total Length???????? | ||
標識符號 ????????? Identification??????? | 標記 Flags | 分段偏移量 Fragment Offset | |||
存活時間 Time to Live | 協議 Protocol?? | 包頭校驗和 Header Checksum?? | |||
????????????????????? 源IP地址 ???????????????????????? Source Address?? | |||||
???????????????????? 目的IP地址 ?????????????????????????????????????????????? Destination Address????????????????????? | |||||
IP選項（若有的話） Options | 填充 Padding | ||||
說明：
Version : 4 bits，顯示當前正在運行的IP版本信息。當前為4
IHL :?? 4 bits，標明了以32比特為單位的消息中數據報報頭的長度，這是所有報頭的總長度。注意：它的最小值為5
Type of Service : 8 bits，標明了一個特定的上層協議所分配的重要等級。
TOS字段包括一個3 bit的優先權子字段（現在已被忽略），4 bit的TOS子字段和1 bit未用位但必須置0。4 bit的TOS分別代表：最小時延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費用。4 bit中只能置其中1 bit。如果所有4 bit均為0，那么就意味著是一般服務。每TOS值最多只能有一個為1.
如下所示：
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?協議?????????????????????? TOS 值
?????????TELNET/RLOGIN (1)????? 1000????????????????? (minimize delay)
??????????FTP
?????????? Control ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1000????????????????? (minimize delay)
?????????? Data (2) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0100???????????????? (maximize throughput)
?????????TFTP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1000???????????????? (minimize delay)
?????????SMTP (3)
?????????? Command phase ? ? ? ? ? 1000???????????????? (minimize delay)
?????????? DATA phase ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0100???????????????? (maximize throughput)?????????????????????????????????????????
????????Domain Name Service
?????????? UDP Query ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1000???????????????? (minimize delay)
?????????? TCP Query ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0000
?????????? Zone Transfer ? ? ? ? ? ? ? ?0100???????????????? (maximize throughput)
????????NNTP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0001???????????????? (minimize monetary cost)
????????ICMP
?????????? Errors ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0000
?????????? Requests ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0000 (4)
?????????? Responses??????? <same as request> (4)
?????????Any IGP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0010???????????????? (maximize reliability)
?????????EGP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0000
????????SNMP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0010???????????????? (maximize reliability)
????????BOOTP? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0000
Total Length:? 16 bits，標明整個分組的長度，以字節為單位。總長度減去IHL就是數據有效載荷的長度。理論上最大長度可以為65535，但報文經過數據鏈路層時很可能被分片。
Identification:? 16 bits，包含一個整數，用來標識當前的數據報。這是一個序列號。
Flag:?? 3 bits，實現不同的控制功能：
Bit 0 :?保留，必須置零。
Bit 1: (DF)?????為0?表示可以對分組進行分片
???????????????????????為1?表示不可以對分組進行分片
Bit 2: (MF)????為0?表示該數據段是本分組中最后的一個數據分段
為1??表示后面還有數據分段
Fragment Offset:? 13 bits。指示分段在數據包中的位置，用于重組數據分段。這個字段允許標記字段終止在16 Bit的邊界
TTL : 8 bits，指示分組在網絡傳輸中的允許保持的時間，以秒為單位。當該計時器為0時，數據報將被丟棄。
Protocol :? 8 bits，指明了在IP處理過程結束后，哪一個上層協議將接收這些數據。
Header Checksum : 16 bits，用于確保IP頭的完整性。
Source Address : 32 bits，指明了發送節點的IP地址。
Destination Address : 32 bits，指明了接收節點的IP地址。
Options :長度可變的字段，讓IP支持不同的功能特性。比如安全性。
???????該字段可能是零，或者更多的選項。該字段有2中使用情形：
????????? 1：用單一的一個字節表示選項類型
????????? 2：一個選項類型字節，一個選項長度字節，一個數據長度字節
Padding：這個字段以額外的0來填充IP報頭，以確保其長度為32 bit的倍數。
其后就是數據字段。
二、IPv4分組的地址
1. IP地址和MAC地址的區別
1.???MAC地址是每塊網卡的硬件地址，用于數據鏈路層的幀傳遞地址；IP地址是網絡層地址（也稱邏輯地址），用于路由器尋址
2.???IP地址標識的是一臺主機或路由器與網絡的接口，而MAC地址唯一地標識一臺主機
3.???網橋，Ethernet交換機屬于數據鏈路層設備，使用MAC地址，不屬于網絡層設備，所以不分配IP
2. IP地址的分配概念
IP地址的分配可以分下面3種情況：?
1. 為每一個網絡接口分配一個IP地址?
一臺計算機連入網絡，需分配一個IP地址，與MAC地址一一對應，且在Internet中唯一的?
2. 為多歸屬主機的每一個網絡接口分配響應的IP地址?
路由器通過多個網卡連接到多個網絡時，需為每個網卡分配一個IP地址?
3. 可以為一個網絡接口分配多個IP地址
總結來說：?
1、連接到Internet的每一個主機（計算機或路由器）至少有一個IP地址?
2、IP地址是分配給網絡接口的?
3、多歸屬主機可以有多個IP地址，一個網絡接口也可以分配多個IP地址
3. IP的點分十進制表示方法
IPv4的地址長度為32位，點分十進制表示通常采用 x. x. x. x的格式，每個x為8位。（點分十進制從字面上理解，用點分隔，每個字段用十進制表示）
IP地址的分類有5中分類：A類，B類，C類，D類和E類地址?
網絡號：用于識別主機所在的網絡?
主機號：用于識別該網絡中的主機
A類保留給政府機構，B類分配給中等規模的公司，C類分配給任何需要的人，D類用于組播，E類用于實驗，各類可容納的地址數目不同
（tip：網絡號加粗表示）
A類地址
（1）A類地址網絡號第一位固定為0，其它7位可以分配，主機號長度為24位?
（2）網絡號分配的數量為2^7 = 128，地址范圍為：1.0.0.0—127.255.255.255?
（3）10.0.0.0-10.255.255.255是私有地址（所謂的私有地址就是在互聯網上不使用，而被用在局域網絡中的地址，路由器接收到私有地址，不會向Internet轉發該分組，私有地址與NAT相關）?
（4）127.0.0.0-127.255.255.255是保留地址，用做循環測試用的?
（5）0.0.0.0—0.255.255.255也保留用作特殊用途?
（6）因此網絡號可分配的只有125個，每個網絡段的主機號可以分配的只有 2^24-2=16777214個（主機號全0和主機號全1保留）
B類地址
（1）B類地址網絡號第1,2位固定為10，其它14位可以分配，主機號長度為16位?
（2）地址范圍為：128.0.0.0—191.255.255.255?
（3）172.16.0.0—172.31.255.255是私有地址?
（4）169.254.0.0—169.254.255.255是保留地址（如果你的IP地址是自動獲取IP地址，而你在網絡上又沒有找到可用的DHCP服務器。就會得到其中一個IP）?
（5）每個網絡段可分配的主機號為2^16 - 2 = 65534（主機號全0和主機號全1保留）
C類地址
（1）C類地址網絡號前3位固定為110，其它21位可以分配，主機號長度為8位?
（2）C類地址范圍：192.0.0.0—223.255.255.255?
（3）192.168.0.0—192.168.255.255是私有地址?
（4）網絡號可分配的塊數為2^21 = 2097152，沒塊網絡號可分配的主機號數為2^8-2 = 254(主機號全0和主機號全1保留)
D類地址
D類IP地址不標志網絡，前4位固定為1110，地址范圍為：224.0.0.0—239.255.255.255，用作特殊用途，如多播地址
E類地址
E類地址不分網絡地址和主機地址，它的第1個字節的前四位固定為1111。E類地址范圍：240.0.0.0—255.255.255.255，用于某些實驗和將來使用
總結上述的規律
1.???ABC三類地址的主機號全0和全1都保留，主機號全1為子網廣播地址，主機號全0為子網網絡地址（一個網段中第一個IP地址為網絡地址）
2.???A類地址的第1塊網絡號和第2塊網絡號要保留
ABC三類地址中的特殊IP地址
（1）直接廣播地址?
如果主機號全1，例如191.1.255.255，那么這個地址為直接廣播地址?
路由器將這個分組以廣播的形式發送到網絡號位191.1.x.x的全部主機?
（2）受限廣播地址?
網絡號與主機號的32位全為1（255.255.255.255）為受限廣播地址?
用來將一個分組以廣播方式發送給本網的所有主機?
（3）“這個網絡上的特定主機”地址?
網絡號是全0 （如0.0.0.25） 的地址是這個網絡號的特定主機地址?
路由器接到這樣的分組，不向外轉發，而是直接交付給本網絡中主機號為25的主機?
（4）回送地址?
A類地址中127.0.0.0是回送地址，它是一個保留地址
三、IPv4地址的子網劃分
子網劃分的思想：借用主機號的一部分作為子網的子網號，劃分出更多的子網IP地址，對于外網來說這些子網仍然像一個網絡一樣，這對于路由器的尋址沒有影響
1. 子網地址結構
1.???標準的ABC類IP地址是兩級結構：網絡號—主機號，而劃分子網后，IP地址的結構為三級結構：網絡號—子網號—主機號
2.???同一個子網的主機，網絡號和子網號必須相同
3.???子網之間的距離必須很近，例如一個公司或者校園內
2. 子網掩碼
引入子網后，如何從IP地址中提取出子網號？子網掩碼就是用來解決這個問題的?
子網掩碼的作用：從一個IP地址中提取出子網號?
子網掩碼的表示：網絡號和子網號全改為1，主機號全改為0?
實例：一個B類IP地址的子網劃分
該B類IP地址190.1.2.26，劃分出64個子網?
1. 借用原16為主機號的6位作為子網號，剩余10位為主機號?
2. 根據子網掩碼的格式，得出子網掩碼為：255.255.252.0，或表示成190.1.2.26/22（”/22“表示第22位開始為主機號）
3. 子網的規劃和地址劃分的方法
例：一個校園網要對一個B類地址（156.26.0.0）進行子網劃分。該校園網有近210個局域網組成。?
由于210個局域網最接近2^8=256，所以可行的方案是從主機號借8位來作為子網號，這樣的子網的掩碼為：255.255.255.0 或 156.26.0.0/22（”/22“表示第22位開始為主機號）
以上子網劃分結果為：?
子網1:156.26.1.1~156.26.1.254?
子網2:156.26.2.1~156.26.2.254?
……?
子網254:156.26.254.1~156.26.254.254
至于子網0：156.26.0.1~156.26.0.254和子網254：156.26.255.1~156.26.255.254，即子網號是否能夠為全0或者全1，值得商榷！
由于主機號不能全為1或者全為0，每個子網的主機號有254個
子網長度的確定，應考慮兩個因素：子網數與每個子網中主機與路由器數。子網數要考慮留有一定余量為原則
4. 可變長度的子網掩碼劃分方法
用一個例子來說明：?
某公司申請一個C類202.60.31.0的IP地址，該公司有100名員工在銷售部，50名在財務部，50名在設計部。要求為銷售部門、財務部門、設計部門分別組建子網
分析：
三個部門是三個子網，我們很容易想到，只需要借出2位來作為子網號就行。但是借了2位后，主機號只剩下6位，則每一個子網的最大主機號為2^6 = 64個，小于銷售部門的100個主機，所以行不通！
這時，可以采用可變長度的子網掩碼劃分方法：?
（1）銷售部100臺主機，所以主機號至少為7位，則子網號為1位，此時子網掩碼：255.255.255.128（11111111.11111111.11111111.1000000）或202.60.31.0/25（第25位開始為主機號）?
子網位為0：202.60.31.1（0?000 0001）~ 202.60.31.126（0?111 1110） （作為銷售部子網）?
子網位為1： 202.60.31.129（1?000 0001）~ 202.60.31.254（1?111 1110）
（2）對子網位為1的情況，再劃分出兩個子網給財務部門和設計部門，剩下的兩個部門只需要6個主機號，所以可以用2位作為子網號，子網掩碼為255.255.255.192（11111111.11111111.11111111.1100000）或202.60.31.0/26（第26位開始為主機號）?
子網位為10：202.60.31.129（10?00 0001）~ 202.60.31.190 （10?11 1110）（作為財務部子網）?
子網位為11：202.60.31.193（11?00 0001）~ 202.60.31.254（11?11 1110）（作為設計部子網）
tips:子網號加粗，主機號全0和全1不能使用
一個問題：
第3點子網的規劃和地址劃分的方法說到了子網號和主機號不能為全0或者全1，但是第4點可變長度的子網掩碼劃分方法中，卻存在子網號為0或者11的情況，那么子網號到底能不能為全0或者全1呢？?
子網號全0或者全1要看網絡設備所使用的路由器協議支持不支持，以前的老版的協議都是不支持，新版本可以支持，老的書籍或者資料都不用全0和全1子網，新的允許用
四、CIDR（無類別域間路由）
1. CIDR的概念和格式
其實在上述博文中，已經不經意間提到了CIDR，例如156.26.0.0/16?
CIDR其實講得是IP地址的格式問題，標準的IP地址的點分十進制是網絡號—主機號的二層結構，而CIDR用區別于傳統標準分類的IP地址與劃分子網的概念的“網絡前綴（network -prefix）”，用”<網絡前綴>/<主機號>“代替網絡號—主機號的二層結構，形成新的無分類二層地址結構
<網絡前綴>/<主機號>
<網絡前綴>/<主機號>這種格式為：”斜線記法“。如：200.16.23.0/20表前20位為網絡前綴，后12位為主機號
同標準的分類IP地址一樣，主機號全0的網絡地址和全1的廣播地址不分配給主機
2. CIDR的應用
例如：一個校園網獲得200.24.16.0/20的地址塊，希望將它劃分為8個等長的較小的地址塊
五、網絡地址轉換NAT
NAT的作用有兩個：?
1. 解決網絡地址短缺，支持IP地址復用?
2. 網絡安全
例如在企業內部，NAT和代理服務器、防火墻結合使用，采用一個內部專用IP和一個全局IP一對一的靜態映射，達到隱藏內部網絡地址的目的
IP地址復用原理
NAT技術解決IP地址短缺，主要用于ISP，ADSL，有線電視和無線移動接入的動態IP地址分配
原理：?
例如ISP有1000個全局IP地址，但是它有5000個使用專網內部專用IP的用戶。?
ISP在具有NAT功能的路由器中保持一個IP地址池，管理著多個全局IP地址。凡是需要訪問外部Internet的用戶，首先想NAT路由器申請，由NAT臨時分配一個全局IP地址給用戶；用戶訪問結束后，NAT路由器收回IP地址，供其他用戶使用。
之前提到過一個私有地址，所謂的私有地址就是在互聯網上不使用，而被用在局域網絡中的地址，路由器接收到私有地址，不會向Internet轉發該分組，那么主機該如何通過私有地址和Internet進行通信？
NAT就是私有地址和全局地址轉換的功能！
解決全局IP地址不夠用：連端口號一起轉換！
NAT的有動態NAT和靜態NAT兩種?
“靜態NAT”：一對一，配置一個內部專用IP地址對應一個公用IP地址。?
“動態NAT”：多對多，多個專業IP地址對應一個或幾個全局IP地址。可實現IP地址的重用節約IP地址。如：ISP有1000個全局地址，但它有5000個使用專用內部專網IP地址的用戶。
NAT的工作原理
私有地址為10.0.1.1的主機如何訪問地址為135.2.1.1的web服務器？?
（1）產生一個源地址為10.0.1.1，端口為3342，目的地址為135.2.1.1，端口號為80的ip分組，轉發到NAT功能的路由器?
（2）NAT路由器將私有地址轉換成全局IP地址202.0.1.1，產生一個源地址為202.0.1.1，端口為5001，目的地址為135.2.1.1，端口號為80的ip分組?
（3）地址為135.2.1.1，端口號為80的web服務器接收到該IP分組后，，返回源地址為135.2.1.1，端口號為80，目的地址為202.0.1.1，端口為5001為80的ip分組?
（4）NAT路由器將全局IP地址轉換成私有地址，產生源地址為135.2.1.1，端口號為80，目的地址為10.0.1.1，端口為3342的ip分組，主機10.0.1.1接受
NAT的潛在問題
由于NAT（NAPT）都依賴于自己的轉換表，所以會有一下問題：
1.???無法從NAT外部向內部服務器建立連接
2.???轉換表的生成和轉換操作都會產生一定的開銷
3.???通信過程中一旦NAT發生異常需要重新啟動時，所有的TCP連接都會被重置
4.???即便備置兩臺NAT做容災備份，TCP連接還是會被斷開
六、IPv6協議
1. IPv6地址的表示
IPv6地址采用”冒號十六進制表示法“，將128位地址按每16位劃分為一個位段，每個位段轉換為一個4位的十六進制數
例如：?
二進制：?
0010000111011010000000000000000000000000000000000000000000000000?
0000001010101010000000000000111111111110000010001001110001011010
1.??? 冒號十六進制表示法：?
21DA : 0000 : 0000 : 0000 : 02AA : 000F : FE08 : 9C5A
2.??? 如果某段存在幾位都是0的情況，可以使用零壓縮法壓縮：
零壓縮法：00D3（D3），02AA（2AA），000A（A），0000（0），但是AB08不能壓縮為AB8
21DA : 0 : 0 : 0: 2AA : F : FE08 : 9C5A
3.??? 如果存在幾個連續位段都是0，可以用”雙冒號表示法“?
21DA : ：2AA : F : FE08 : 9C5A?
用”雙冒號表示法“表示的一個問題：如何確定冒號省略的段數？?
8 - 現有段數 = 冒號省略的段數
2. IPv6的前綴
在IPv4中，子網掩碼用來表示網絡和子網地址長度。用前綴長度來區分子網號和主機號。而?IPv6不支持子網掩碼，只支持前綴長度表示法，用“地址/前綴長度”表示
64位前綴是一個子網前綴，少于64位的前綴是一個路由前綴，或是一個地址范圍。?
例如：?
21DA：D3：：/48 是一個路由前綴?
21DA：D3：0：2：2F3B：：/64是一個子網前綴
3. IPv6的結構
版本
意義和IPv4相同，值為6表示使用Ipv6協議
流量類型
表示IPv6分組的類型或優先級，類似IPv4的服務類型字段
流標記
表示分組屬于源節點和目標節點之間的一個特定分組序列
載荷長度
載荷長度表示有效載荷的長度，包括擴展報頭和高層PDU
下一個報頭
表示若存在擴展報頭，“下一個報頭”值表示下一個擴展報頭的類型
跳步限制
與IPv4的TTL相似
源地址和目的地址
發送主機的地址和要發送的目標主機地址
七、IPv4和IPv6共存——隧道技術
隧道技術指的是IPv6分組進入IPv4網絡時，將IPv6分組封裝成IPv4分組，整個IPv6分組變成IPv4的數據部分。當IPv4分組離開IPv4網絡時，再將其數據部分交給主機IPv6協議，這就像在IPv4網絡中打通了一個隧道來傳輸IPv6。
隧道配置
隧道配置分為路由器-路由器，路由器-主機或主機-路由器，主機-主機三種情況，以及手動配置的隧道與自動配置的隧道兩種類型?
（1）路由器-路由器隧道
（2）路由器-主機或主機-路由器
（3）主機-主機
總結
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