IPv4
IP地址
概述
- 我们把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络。
- IP 地址就是给每个连接在互联网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符。
- IP 地址现在由互联网名字和数字分配机构ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配。
IP地址的编址方式
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分类的 IP 地址。这是最基本的编址方法，在 1981 年就通过了相应的标准协议。
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将IP地址划分为若干个固定类。
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每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号 net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络，而另一个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）。
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主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。
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由此可见，一个 IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。
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子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准 [RFC 950] 在 1985 年通过。
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构成超网。这是比较新的无分类编址方法。 1993 年提出后很快就得到推广应用。
IP地址码
点分十进制法
不同类型IP地址net-id 不同
按照8位一组
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A类地址net-id必需以0开头
所以0000,0000 - 0111,1111 == 0 - 127
需要排除net-id全为0的情况 (0), 还需要排除A类IP中的特殊全为1的情况(127)
所以1 - 126
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B类地址net-id必需以10开头
所以10000000.00000000——10111111.11111111 == 128.0 - 191.255
需要排除net-id全为0的情况 (128.0 )
所以128.1 - 191.255
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同理C类地址, 排除net-id全为0的情况
一般不使用的特殊IP地址
host-id 不能全为1, 全一为广播地址
host-id 不能全为0, 表示一个网段
net-id不能全为0, 排除固定值
例如 B类IP 不能为(1000000000, 00000000 == 128.0)
不能为127.0.0.1 本地回环地址
保留的私网地址
172.16.0.0 -- 172.31.0.0
192.168.0.0 -- 192.168.255.0
网关虽然可以使用所有地址但是一般使用第一个可用地址
常见地址进制转换
tips 利用右移性质
| 二进制 | 十进制 |
|---|---|
| 1000,0000 | 2^7 = 128 |
| 1100,0000 | 27+26= 192 |
| 1110,0000 | 224 |
| 1111,0000 | 240 |
| 1111,1000 | 248 |
| 1111,1100 | 252 |
| 1111,1110 | 255 |
| 1111,1111 | 2^8 - 1 = 255 |
IP地址的重要特点
- IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：
- IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理
- 路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。
- 实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。
当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机 (multihomed host)。
由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。 - 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id。
- 所有分配到网络号 net-id 的网络，无论是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。
CIDR/斜线法
无分类的两级编址：
CIDR 使用“斜线记法”(slash notation)，它又称为 CIDR 记法，即在 IP 地址面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的位数（这个数值对应于三级编址中子网掩码中 1 的个数，也是net-id位数）。
例如：128.14.32.0/20
01000000.00001110.0001(0000.00000000)
128.14.32.0/20 地址块的最小地址：128.14.32.0
128.14.32.0/20 地址块的最大地址：128.14.47.255
IP数据报
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版本：占 4 位，指 IP 协议的版本。目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)。
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首部长度：占 4 位，可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为 4 字节)，因此 IP 的首部长度的最大值是 60 字节。
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区分服务：占 8 位，用来获得更好的服务。在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直未被使用过。
1998 年这个字段改名为区分服务。只有在使用区分服务（DiffServ）时，这个字段才起作用。
在一般的情况下都不使用这个字段 -
总长度：首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最度——占 16 位，大长度为 65535 字节。总长度必须不超过最大传送单元 MTU。
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标识(identification) ：占 16 位，它是一个计数器，用来产生 IP 数据报的标识
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标志(flag) ：占 3 位，目前只有前两位有意义。
标志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF = 1 表示后面“还有分片”。MF = 0 表示最后一个分片。
标志字段中间的一位是 DF (Don't Fragment) 。只有当 DF = 0 时才允许分片。 -
生存时间：占8 位，记为 TTL (Time To Live)，指示数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。
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协议：占8 位，指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给那个处理过程
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首部检验和：占16 位，只检验数据报的首部，不检验数据部分。这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法。
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源地址和目的地址都各占 4 字节
网关
网关到底是什么呢？网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址。比如有网络A和网络B，网络A的IP地址范围为“192.168.1.1~192. 168.1.254”，子网掩码为255.255.255.0；网络B的IP地址范围为“192.168.2.1~192.168.2.254”，子网掩码为255.255.255.0。在没有路由器的情况下，两个网络之间是不能进行TCP/IP通信的，即使是两个网络连接在同一台交换机（或集线器）上，TCP/IP协议也会根据子网掩码（255.255.255.0）与主机的IP 地址作 “与” 运算的结果不同判定两个网络中的主机处在不同的网络里。而要实现这两个网络之间的通信，则必须通过网关。如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中，就把数据包转发给它自己的网关，再由网关转发给网络B的网关，网络B的网关再转发给网络B的某个主机（如附图所示）。网络A向网络B转发数据包的过程。全 0 和全 1 的主机号地址一般不使用。