4-3网络层-IPv4

网际协议版本4（Internet Protocol version 4，IPv4），又称互联网通信协议第四版，是网际协议开发过程中的第四个修订版本，也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心，也是使用最广泛的网际协议版本，其后继版本为IPv6，直到2011年，IANA IPv4位址完全用尽时，IPv6仍处在部署的初期。

一.IPv4分组的格式及IP数据报分片

1.版本：指IP版本，目前广泛使用的版本号是4（IPv4）
2.首部长度：占4位，基本单位为4B。4位从0000-1111，若1111即15，乘单位4B=60B，此时取得首部长度最大值。固定部分20B，因此首部长度至少20B，20B/4B=5，即0101，因此范围0101~1111。若首部长度不是4B的整数倍，则使用填充字段，将其填充至4B的整数倍。最常用的首部长度是20B（即只有固定部分，没有可变部分）。因此首部长度可变。
3.区分服务：指示期望获得哪种类型的服务
4.总长度：=整个IP数据报的长度=首部长度+数据部分，占16位。基本单位为1B。最大长度2¹⁶-1=65535B

5.生存时间TTL：占8位。IP分组的保质期，经过一个路由器-1，变成0时丢弃，保证分组不会在网络中循环。生存时间字段值表示一个分组可以经过的最多的跳数。
6.协议：占8位。指出该分组使用的协议（6为TCP协议 17为UDP协议）

7.首部校验和：占16位。只校验分组的首部，而不校验数据部分
8.源地址字段：占32位。标识发送发的IP地址
9.目的地址字段：占32位。标识接收方的IP地址
10.可选字段：0~40B。用来支持排错、测量以及安全等措施。
11.填充：把首部长度补成4B的整数倍。

以下三个字段（标识、标志、片偏移）与分片和重组相关↓

12.标识：占16位。一个数据报长度超过了链路层的MTU，就要进行分片（目的主机对分片后的数据报重组），每个分片都使用同一标识，是一个计数器用于保证数据报片能够正确组装称为原来的数据报。

*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1500B
*当路由器准备将IP分组发送到网络上，而该网络又无法将整个分组一次发送时，路由器必须将该分组分片，使其长度能满足这一网络对分组长度的限制。IP分片可以独立地通过各个路径发送，而且在传输过程中仍然存在分片的可能（不同网络的MTU可能不同），因此不能由中间路由器进行重组。分片后的IP分组直至到达目的主机后才能汇集在一起，并且甚至不一定以原先的次序到达。这样，进行接收的主机都要求支持重组能力。

13.标志：占3位，只有2位有意义（x_ _），最高位保留。中间位DF=1禁止分片，DF=0允许分片；最低位MF=1代表后面还有分片，MF=0代表这是最后一片/不需要分片（没有超过MTU）。DF=0时MF才有意义。
片
*注：如果分组长度超过MTU，当DF=1时，丢弃该分组，并且用ICMP差错报文向源主机报告（ICMP下面讲）

14.片偏移：占13位，基本单位为8B。指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。如0000000000001，表示该分片在原来数据报中的相对位置是8B字节开始。除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B的整数倍。

例：对下面的数据报分片，MTU 1420B
DF=0（允许分片）
MF=0（是个整体，最后没有分片了）
片偏移=0
总长度3820B

第一片1420B，除去首部20B，剩余1400B数据部分
第二片1420B，除去首部20B，剩余1400B数据部分
第三片剩余3800B-2×1400B=1000B

分别加上首部

设原数据报数据部分从0B开始

①第一段：0B~1399B
片偏移0B/8B=0B
标识与原始数据报相同
DF=0（允许分片）
MF=1（非最后一个）

②第二段：1400B~2799B
片偏移1400B/8B=175B
标识与原始数据报相同
DF=0（允许分片）
MF=1（非最后一个）

③第三段：2800B~3799B
片偏移2800B/8B=350B
标识与原始数据报相同
DF=0（允许分片）
MF=0（最后一个）

串记
总长度单位1B
片偏移单位8B
首部长度单位4B

二.IPv4地址

1.IP地址 Internet Protocol Address：互联网协议地址，又译为网际协议地址。全世界唯一的32位（4字节）标识符，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。（路由器的每一个接口都会分配一个唯一的IP地址）

组成：<网络号>,<主机号>
如
11011111 00000001 00000001 00000001
分别转为十进制
----223---------1--------------1---------------1
即233.1.1.1

2.分类的IP地址

1.A类
网络号1B：第0位是0，剩余8-1=7位
（1）最大可用网络数-2：
①网络号1-7位：0000000
②网络号1-7位：1111111（127环回地址）
（2）可用范围
00000001~01111110
即1~126
（3）主机号24位-2
①全0（本网络）
②全1（广播地址）

2.B类
网络号2B：第0位1，第1位0，剩余16-2=14位
（1）最大可用网络数-1：
网络号2-15位：00000000000000
（2）可用范围
10000000 00000001~10111111 11111111
即128.1~191.255
（2）主机号16位-2：
①全0（本网络）
②全1（广播地址）

3.C类
网络号3B：第0位1，第1位1，第2位0，剩余24-3=21位
（1）最大可用网络数-1：
网络号3-23位：000000000000000000000
（2）可用范围
11000000 00000000 00000001~11011111 11111111 11111111
即192.0.1~223.255.255
（2）主机号8位-2：
①全0（本网络）
②全1（广播地址）

特殊的IP地址
（1）0.0.0.0：只可以作为源地址。表示本网范围内的主机
（2）网络号全0，主机号特定值：只可以作为源地址。表示本网范围内的某个特定主机
（3）255.255.255.255：只可以作为目的地址。表示本网络内的广播地址
（4）网络号特定值，主机号全0：既不能做源地址，也不能做目的地址。表示一个网络。如202.98.174.0
（5）网络号特定值，主机号全1：只可以作为目的地址。直接广播地址，对特定网络上的所有主机进行广播。如202.98.174.255
（6）网络号127，主机号任意（非全0/1）。既可以做源地址，也可以做目的地址。此地址表示任意主机本身，用于本地软件环回测试，目的地址为环回地址的IP数据报永远不会出现在任何网络上

私有的IP地址
只适用于内部网络，不允许出现在因特网上，路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发。

三.网络地址转换NAT

在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，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。

采用网络地址转换（NAT），可以使一些使用本地地址的专用网连接到因特网上，进而使得一些机构的内部主机可以使用专用地址，只需给此机构分配一个IP地址即可，并且这些专用地址是可重用的——其他机构也可使用，所以大大节省了IP地址的消耗。

若A向B发数据报，在网络层加上源IP地址（A：192.168.0.3）和目的IP地址（B：213.18.2.4），在传输层封装加上端口号（30000）。传到路由器，源IP地址改为路由器的IP地址（172.38.1.5）和端口号（改为40001）

可以看出：公网的IP不变，专用网的IP需要换成路由器IP（通过NAT）

NAT转发表

---

*注：NAT表项需要管理员添加

若B向C（192.168.0.4的主机）发数据报，在网络层加上源IP地址（B：213.18.2.4）和目的IP地址（专用网的代表人物是路由器IP：172.38.1.5），在传输层封装加上端口号（40002）。传到路由器，目的IP地址改为C的IP地址（192.168.0.4），端口号改为30001

NAT转发表

本地地址的主机和外界通信时，NAT路由器使用NAT转换表将本地地址转换成全球地址，或将全球地址转换成本地地址。普通路由器（仅工作在网络层）在转发IP数据报时，不改变其源IP地址和目的IP地址；NAT路由器在转发IP数据报时，需要查看和转换传输层的端口号，一定要更换其IP地址。

四.子网划分与子网掩码

1.两级IP地址的缺点：IP地址空间的利用率有时很低、两级的IP地址不够灵活、会使路由表变得太大而使网络性能变坏

因此引入了三级IP地址：把主机号较高的一部分拿出来作为子网号。某单位划分子网后，单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。

通过划分子网：
（1）减小了广播域的大小（规模），减小了冲突域的大小
（2）子网号占据了主机号位，减少了主机可分配的数量
（3）IP地址的利用率提高，网络的数量整体不变

主机号至少2位，子网号可以全0/1，主机号不能全0（本网络）/1（广播分组）

划分子网通过从网络的主机号借用若干比特作为子网号，从而使原来较大规模的网络细分为几个规模较小的网络，提高了IP地址的利用率。

2.子网掩码
对于两级IP地址，网络号全写1，主机号全写0；
对于三级IP地址，网络号和子网号写1，主机号写0

子网网络地址=子网掩码与IP地址二进制逐位相与

例

IP地址：141.14.72.24=10001101 00001110 01001000 00011000
子网掩码：255.255.192.0=11111111 11111111 11000000 00000000
相与得
10001101 00001110 01000000 00000000
即141.14.64.0

若将子网掩码改为255.255.224.0，网络地址仍为141.14.64.0

因此同一IP地址与不同的子网掩码，可能得到相同的网络地址。

例

子网掩码中主机号为全0，其他全1
255.255.252.0对应
11111111 11111111 11111100 00000000
可以看出后10位为主机号
前22位为网络号+子网号

由IP地址180.80.77.55可以看出180属于B类地址128.1~191.255
B类地址有16位网络号和16位主机号，其中16位主机号分为了6位子网号和10位主机号。因此
[11111111 11111111] [111111][00 00000000]
网络号------------------子网号------主机号

将IP地址与子网掩码相与得到子网网络地址
10110100 01010000 01001101 00110111
11111111 11111111 11111100 00000000
得到
180.80.76.0
广播分组使主机号全为1，即将最后10位改为1
即将10110100 01010000 01001100 00000000
改为10110100 01010000 01001111 11111111
即180.80.79.255
选D

3.使用子网掩码进行分组转发
每个路由器都有一个路由表，路由表包括：目的网络地址、目的网络子网掩码、下一跳地址

路由器转发分组算法：
（1）提取目的IP地址
（2）是否直接交付：将目的地址与子网掩码相与，若和子网的网络地址相同即可直接交付
（3）特定主机路由：对特定的目的主机指明的一个路由
（4）检测路由表中有无路径：目的地址和路由表中每一行的子网掩码相与，如果是目的网络，则按照该行的下一跳进行
（5）默认路由0.0.0.0：发给另外的路由器，重复上面步骤，直到找到。时间限制生存时间（TTL）
（6）仍未找到：丢弃，报告转发分组出错

五.无分类域间路由选择CIDR

消除了传统A、B、C类地址及划分子网的概念，可以更有效地分配IPv4的地址空间，把小的网络汇聚成大的超网。融合了子网地址与子网掩码，方便网络划分。即 IP={<网络前缀>，<主机号>}

CIDR是比划分子网更为灵活的一种手段，它消除了A、B、C类地址及划分子网的概念。使用各种长度的网络前缀来代替分类地址中的网络号和子网号，将网络前缀都相同的IP地址组成“CIDR地址块”。网络前缀越短，地址块越大。因特网服务提供者再根据客户的具体情况，分配合适大小的CIDR地址块，从而更加有效地利用IPv4的地址空间。

1.最小/大地址，地址块与地址掩码

[例] 128.14.35.7/20是某CIDR地址块中的一个地址

表示20位的网络前缀，剩下的12位表示主机号，包含2¹²=4096个IP地址
变为二进制
[10000000 00001110 0010]0011 00000111
------------网络前缀------------
最小地址（主机号全0）[10000000 00001110 0010]0000 00000000，即128.14.32.0（本网络）
最大地址（主机号全1）[10000000 00001110 0010]1111 11111111，即128.14.47.255（广播地址）

CIDR地址块（与最小相同）128.14.32.0/20
地址掩码（子网掩码）：网络前缀1，主机号0，即11111111 11111111 11110000 00000000

[例]192.199.170.82/27
82的二进制01010010
包含IP地址个数：2⁵=32
最小地址：192.199.170.64
最大地址：192.199.170.95
地址块：192.199.170.64/27
地址掩码（子网掩码）：11111111 11111111 11111111 11100000，即255.255.255.224

2.构成超网（路由聚合）
构成超网：将多个子网聚合成一个较大的子网

同接口合体。聚合后的合体网络=两个网络的网络地址取交集（相同的保留，从第一个不同的起往后（右）均写0）
网络1: 206.1.00000000.00000000（不规范写法）
网络2: 206.1.10000000.00000000
合体后：206.1.00000000.00000000，网络前缀由17变为16
即206.1.0.0/16

[例]

00100000
00101000
00110000
00111000
合体00100000
即35.230.32.0/19
答案C

3.最长前缀匹配
（1）使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果（跟网络掩码按位相与），应选择具有最长网络前缀的路由。
（2）前缀越长，地址块越小，路由越具体。

[例] 目的地址206.0.71.130
A：206.0.68.0/22
B：206.0.71.128/25
C：206.0.71.0/25

目的地址：206.0.01000111 10000010
A网络掩码22个1，11111111 11111111 11111100 00000000
B：11111111 11111111 11111111 10000000
C：11111111 11111111 11111111 10000000

与A相与：206.0.01000100 00000000，即206.0.68.0/22，与A相同
与B相与：206.0.01000111 10000000，即206.0.71.128/25，与B相同
与C相与：206.0.01000111 10000000，即206.0.71.128/25，与C不同

选择匹配成功且最长的网络前缀的B

[例]
路由器R0的路由表见下表：若进入路由器R0的分组的目的地址为132.19.237.5，请问该分组应该被转发到哪一个下一跳路由器（）。
A. R1 B. R2
C. R3 D. R4

解：
表格对应
11111111 00000000 00000000 00000000
11111111 11100000 00000000 00000000
11111111 11111111 11111100 00000000
00000000 00000000 00000000 00000000
目的地址：10000100 00010011 11101101 00000101
相与得
10000100 00000000 00000000 00000000，即132.0.0.0/8成功
10000100 00000000 00000000 00000000，即132.0.0.0/11成功
10000100 00010011 11101100 00000000，即132.19.236.0/22失败
00000000 00000000 00000000 00000000，即0.0.0.0/0成功。可以看出，R4作为默认路由，若R1~R3均不匹配，则转向R4，交给下一个路由，重复以上过程
因此选第二个R2

4.优点
（1）有利于减少路由器之间的路由选择信息的交换，提高网络性能
（2）网络前缀长度具有灵活性

5.查找路由表使用的数据结构方法：二叉线索树

六.ARP协议

实现IP地址到MAC地址的映射

1.主机1向主机3发送（同一局域网）
传输层：对大文件分段
网络层：加目的IP和源IP
数据链路层：加源MAC（已知）和目的MAC（未知）

对于每个主机/路由器都有一个ARP高速缓存，在这里有局域网内部的IP地址与MAC地址的映射。
初始ARP高速缓存为空，使用ARP协议，首先广播一个ARP分组请求，1号主机发送数据帧。包括源IP、目的IP、源MAC、目的物理地址全1

该广播ARP请求分组到达交换机，从所有端口广播出去，3号收到后响应，返回一个单播响应分组（直接到达1号主机），包括3号主机的IP和MAC地址

同时ARP高速缓存更新数据

数据链路层加上MAC3和FCS，放到物理层传输

2.1号主机与5号主机通信（跨局域网）
只有主机和路由器有MAC地址，交换机没有
1号主机用自己的子网掩码和IP5相与，发现不在同一网段内，查询默认网关（6路由器）的MAC地址
1的下一跳为2号主机、3号主机或6的路由器端口

1广播ARP请求，企图获取MAC6

单播返回ARP响应分组，成功获得MAC6

目前从1传到6路由器

6路由器，将MAC1和MAC6改为MAC7和MAC8，进行下一次传输。源IP和目的IP保持不变。此处不考虑点对点协议，填入MAC8，此过程也使用了ARP协议


下一步，MAC改为9到5，此过程使用了ARP协议（广播ARP请求分组：源IP为IP9，目的IP为IP5，MAC9和全1）。

3.总结
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，同一局域网中所有主机都能收到该请求。目的主机收到请求后就会向源主机单播一个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）。
（1）主机A发到本网络上的主机B：用ARP找到B的硬件地址
（2）主机A发到另一个网络上的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器（网关）的硬件地址，剩下的工作由这个路由器来完成
（3）路由器发给本网络上的主机A：用ARP找到A的硬件地址
（4）路由器发给另一个网络上的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器（网关）的硬件地址，剩下的工作由这个路由器来完成

七.动态主机配置协议（DHCP协议）

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提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址，允许地址重用（可重复分配），支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。

步骤：
（1）主机广播DHCP发现报文：询问谁有。
（2）DHCP服务器广播DHCP提供报文：我有。拟分配，先到先得
（3）主机广播DHCP请求报文：我要用了。
（4）DHCP服务器广播DHCP确认报文：好。正式分配

注：
（1）DHCP服务器分配给DHCP客户的IP地址是临时的，因此DHCP客户只能在一段有限的时间内使用这个分配到的IP地址
（2）DHCP的客户端和服务器端需要通过广播方式来进行交互

八.网际控制报文协议（ICMP协议）

IP缺乏差错控制机制，缺乏主机和网络管理查询机制，为了提高IP数据报交付成功的机会，在网络层使用了ICMP来让主机或路由器报告差错和异常情况。

在IP数据报的数据部分，是网络层的协议。由IP直接为ICMP提供服务。

1.ICMP差错报告报文
（1）终点不可达：无法交付。当路由器或主机不能交付数据报时，就向源点发送终点不可达报文
（2）源点抑制：拥塞丢数据。当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢
（3）时间超过：TTL=0。当路由器收到生存时间（TTL）为零的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。Traceroute
（4）参数问题：首部字段有问题。当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。
（5）改变路由（重定向）：择优。路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器（可通过更好的路由）

注：不应发送ICMP差错报告报文
（1）对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文：IP数据报首部不检查数据部分，即使有错也不发送
（2）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：只发第一个（若有）
（3）对具有组播（一点到多个结点）地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文
（4）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
（1）回送请求和回答报文：测试目的站是否可达以及了解其相关状态。主机或路由器向特定目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。（Ping）
（2）时间戳请求和回答报文：用来进行时钟同步和测量时间。请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。
（3）掩码地址请求和回答报文
（4）路由器询问和通告报文

3.ICMP的应用
（1）分组网间探测PING
测试两台主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文
（2）Traceroute
用来跟踪分组经过的路由（从源点到终点的路径），使用了ICMP时间超过差错报告报文