（三）ipv4（⭐）

1. ipv4 分组

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1.1. 数据报组成

首部 + 数据：最前面固定 20 字节 (160 bit) + 后面长度可变的可选字段。考试一般只考 20 字节固定部分；

1.2. 固定 20 字节部分

版本：固定值为 4，表示 ipv4；
首部长度：4 bit，单位为四字节（ℹ️）。例如，首部 20 Byte，则此处值为 5；
区分服务：未使用，填充全 0；
总长度：16 bit，可得出数据报总长度最大为 65535 字节；
标识、标志、片偏移：用于数据报分片，用于进入数据链路层（MTU 较短）传输；
- 标识：2 字节 8 bit，用于标识分片属于哪一个数据报。标识段在传输过程中不变；
- 标志：占 3 bit，实际只用了 2 bit，分别为 MF 和 DF 位；
  - MF (More Fragment)：表示此分片是否为顺序最后一个分片，0 表示最后一个，1 表示还有；
  - DF (Dont Fragment)：表示此数据报是否允许被分片，0 允许，1 不允许；
- 片偏移：13 bit，表示分片的数据部分在原数据报中的偏移量，用于重组数据报，单位为八字节（ℹ️）；
  - 重组功能由接收端完成，路由器不承担重组功能；
- 分片 - 实例：数据报总长度 3820 字节，首部固定 20 字节，分片长度不超过 1420 字节；
  - 分析：数据部分 3800 字节，分为 3 个片，每片的数据部分分别为 1400，1400 和 1000 字节；
  - 三个分片的片偏移分别为 0，175 和 350，MF 位分别为 1，1 和 0；
生存时间 (TTL, Time To Live)：8 bit，表示最大能被路由器转发的次数（跳数），每经过一次路由器减 1，减到 0 时丢弃；
协议：8 bit，指示数据部分采用的协议（TCP，UDP，ICMP 等）
首部检验和（Checksum）：了解
源地址和目的地址：都为 4 个字节，ipv4 地址表示法；

1.3. 可变部分

可选字段，长度 1 到 40 字节不等，用于测量，安全，排错等其他功能；

2. ipv4 地址和 NAT

IP地址：给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围内唯一的 32 位标识符；
由因特网名字与号码指派公司 ICANN（Internet Corporation for Assigned Names and Numbers）进行分配；

2.1. ipv4 编址方式

分类编址：最基本的编址方法；
子网划分：分类编址的改进；
无分类编址 CIDR：现代广泛应用的 ipv4 编址方法；

2.2. ipv4 分类编址

每一类地址由两个固定长度的字段组成；
网络号 net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络；
主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）自身；
传统分类编址的网络号和主机号
- 主机地址：host-id 为全 0 或全 1 的地址为网络的保留地址，不能分配主机；
  - 全 0：表示此网络的网络地址；
  - 全 1：表示此网络的广播地址；
  - 推出：可分配主机数为 $2^{l} - 2$ ， $l$ 为 host-id 长度；
- A 类：net-id 取值 0 ~ 127，0 和 127 为保留地址，不能分配网络；
  - 0：为分类编址的保留地址。在 CIDR 和子网划分情况下可用；
  - 127：通用回环地址；
- B 类：net-id 首字节取值 128 ~ 191。可分配网络数 $2^{14} - 1$ ；
- C 类：net-id 首字节取值 192 ~ 223。可分配网络数 $2^{21} - 1$ ；
- D 类：net-id 首字节取值 224 ~ 239，组播地址，不分配主机；
- E 类：net-id 首字节取值 240 ~ 255；
特殊地址总结图
- 第 3 和第 4 两种广播地址的区别
  - 全 1 广播地址只能在发送者所在网络内进行广播，不经过任何路由转发；
  - net-id + 全 1 广播地址可以被跨网域路由到目标网络，再进行广播；
- 第一项 0.0.0.0 用途：本主机 ip 地址未知，需要 DHCP 获取时，发送的报文就以 0.0.0.0 作为源地址；
分类编址的一些重要特点
- 分等级：ip 地址管理机构只分配网络号，主机号为申请单位自行分配，方便管理 ip 地址；
- 路由器转发时，只考虑目的主机的网络号，而不考虑主机号，简化路由表表项；
- ip 地址标识的是主机和某条传输链路的接口关系，而不是主机，即：
  - 一台主机同时连接到两个网络时，具有两个不同的 ip 地址，若两个网络不同，则 net-id 也会不同；
  - 一台路由器至少应该有两个 ip 地址；
- 用转发器、集线器或网桥连接的若干个局域网属于同一个网络，因此其 net-id 相同；
- 分配到相同 net-id 的网络，都是平等的，与其覆盖范围无关；
实例分析
- 1）由首字节 222 知，网络为 C 类网络，前三个字节为网络号，最后一个是主机号；
- 2）以 222.1.1.x 为例，已分配 4 台主机（注意路由器），还可分配 250 台主机，广播地址 222.1.1.255；
- 3）右侧 2 台主机和下方 2 台主机通过 B 连接，因此逻辑上它们属于同一网络；
- 4）三个路由器连接到网络主机的端口地址（222.1.1.4，222.1.2.5，222.1.3.2）为网关地址；

2.3. 子网划分

主机号拿出若干位作为子网号，ip 地址变为：网络号 + 子网号 + 主机号；
实例解析
- 划分前：B 类网络 145.13.0.0，所有分组均到达路由器 $R_{1}$ ，网络最多可支持 65535 台主机，由 $R_{1}$ 进行直接交付，接口压力较大；
- 划分后：将 145.13.3.0，145.13.7.0 和 145.13.21.0 作为三个子网，即第三个字节作为子网号；
  - 划分后，三个子网各自拥有一个路由器接口，每个子网最多划分 254 台主机，接口压力较小；
  - 划分后，路由器 $R_{1}$ 和子网路由器进行交付，最多划分 256 个子网， $R_{1}$ 接口压力也减小；
子网掩码：用于路由器从 ip 数据报的目的地址提取子网号；
- 构成：32 位只包含 0 和 1 的二进制码，网络号和子网号所处的位为 1，主机号对应的位为 0；
- 用途：按位与运算，ip 地址 & 子网掩码 = 子网号；
- 默认子网掩码：即只有网络号位为 1 的掩码
  - A 类：255.0.0.0；
  - B 类：255.255.0.0；
  - C 类：255.255.255.0；
路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自已所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器；
路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码；
固定长度子网和变长子网
- 固定长度：各子网的子网号位数固定，则子网掩码也相同；
- 变长子网：不同子网的子网号位数可以不同；
划分子网的路由转发过程
- 1）提取：从分组提取 ip 地址 $D$ ；
- 2）直接交付：用本路由器所在各网络的子网掩码和 $D$ 按位与，若有子网匹配，则将分组直接交付。否则执行间接交付；
- 3）间接交付 - 主机：检索路由表中是否有 $D$ 的主机路由，若有，则转发给其指定的下一跳，否则执行 4；
- 4）间接交付 - 子网：路由表中每一行的子网掩码和 $D$ 按位与，若有匹配，则转发给该行指定的下一跳，否则执行 5；
- 5）默认路由：检查是否有默认路由，转发给其指定的下一跳；
- 6）若无默认路由，报告转发错误；

2.4. CIDR（无分类域间路由，Classless Inter-Domain Routing）

主要特点
- 消除了传统的 ABC 类地址以及划分子网的概念，可以更加有效地分配 ipv4 的地址空间；
- CIDR 使用各种长度的 网络前缀 (network-prefix) 来代替分类地址中的网络号和子网号；
- CIDR 回归两级编址；
无分类两级编址
- 记法：ip 地址 = 网络前缀 + 主机号；
- 斜线记法（CIDR记法）：ip 地址 / 前缀位数。前缀位数 = 三级编址中子网掩码前面 1 的个数；
  - 例：B 类地址 166.66.66.66/19，即子网掩码 255.255.224.0，子网号 19 - 16 = 3 位；
- CIDR 地址块：前缀相同的连续 ip 地址；
  - 例：128.16.32.0/20，主机位 12 位，即该地址块共有 $2^{12} = 4096$ 个，可分配主机的 $2^{12} - 2 = 4094$ 个；
  - 128.16.32.0/20 地址块的最小地址：128.16.32.0，最大地址：128.16.47.255。注意用二进制来算；
路由聚集/聚合（Route Aggregation）
- 指路由表用一个 CIDR 地址块就可以表示很多个传统分类地址的路由；
- 路由聚合也成为 超网（Supernetting）
- 例：某 ISP（互联网服务提供商）的一个网段为 206.0.128.0 到 206.0.191.255；
  - 传统分类：C 类地址，前 18 位固定，有 $2^{6} = 64$ 个子网，因此与之通信的路由器需要存储 64 个路由表项来找到该 ISP；
  - 路由聚合：使用聚合地址 206.0.128.0/18，只需一个表项就能找到该 ISP；
简写形式
- 1）省略点分十进制中低位连续的 0，如 10.0.0.0/10 简写为 10/10；
- 2）星号简写，如 0000 1010 00*，星号前的为前缀，星号表示任意主机号；
最长前缀匹配（Longest-prefix Matching）：路由表中有多个前缀与 ip 地址匹配时，选择最长的前缀跳转；
- 前缀越长，地址块越小，路由信息就越精确和具体；

2.5. NAT（网络地址转换）

本地和全球地址
- 本地地址：机构内部使用，无需向管理机构申请；
- 全球地址：全球唯一，必须向管理机构申请；
- 问题：本地地址可能和全球地址重合，导致二义性；
- 解决方法：RFC 1918 规定了一些专用地址，只用作本地地址。若目的地是专用地址，互联网中的路由器都不予转发；
三个专用 ip 地址块
- 1）10.0.0.0 到 10.255.255.255：A 类，或记为 10.0.0.0/8，又称为 24 位块；
- 2）172.16.0.0 到 172.31.255.255：B 类，或记为 172.16.0.0/12，又称为 20 位块（ℹ️）；
- 3）192.168.0.0 到 192.168.255.255：C 类，或记为 192.168.0.0/16，又称为 16 位块；
- 复习 - 斜杠写法：将三个专用 ip 地址块看作三个子网，斜杠后的数字表示 ip 地址中，网络号所占的 bit 数；也等于子网掩码前面连续 1 的个数；
  - 如：B 类，网络号占 12 位，首字节 + 第二个字节的前面 4 位（固定为 0001）；
网络地址转换（NAT，Network Address Transition）
- NAT 软件安装在专用网与互联网相连接的路由器上；
- NAT 路由器至少具有一个有效的全球地址；
- 使用本地地址的主机必须经由 NAT 路由器才能与互联网进行通信；
- NAT 路由器工作原理
  - 注意：专用网内的主机可以充当服务器，响应专用网外的请求，但是需要改进 NAT 协议；
  - NAPT（网络地址与端口号转换）：用端口号区分发往不同主机的请求，让多个不同本地地址的主机在同一时刻，用同一个全球 ip 地址和互联网通信；
    - 端口号是加在全球 ip 地址上，转换到不同的网内 ip 地址；

3. ARP，DHCP 和 ICMP 协议

3.1. 概念

ARP（地址解析协议）：将 ip 地址解析到链路层使用的 MAC 地址（物理地址）；
DHCP（动态主机配置协议）：指示主机如何获取 ip 地址、掩码、网关地址和 DNS（上网四件套）
ICMP（网络控制报文协议）：网络连通性和差错控制；

3.2. 层次结构

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ℹ️：DHCP 属于应用层协议；

3.3. ARP 协议

作用：ip 地址 → MAC 地址（物理地址）。MAC → ip 的为 RARP 协议；
ARP 高速缓存（ARP Cache）：每个主机上都设有一个 ARP 高速缓存，存放局域网上所有主机和路由器的 ip 地址到 MAC 地址映射表；
局域网的 ip 数据报发送
- 局域网的主机 A 欲向 B 发送数据；
- 1）先查询 ARP 高速缓存，若有 B 的 ip 地址，则直接得到 B 的 MAC 地址，写入 MAC 帧，通过局域网发送；
- 2）若无，广播发送 ARP 请求分组
  - ARP请求：广播，目的 ip 地址和目的 MAC 地址是全 1；
  - ARP 响应：单播，定向发送；
跨局域网的数据报发送：主机 A 先发送给网关地址的路由器，再由路由器转发；
ARP 解析是自动进行的；
ARP 典型的四种应用情况
- 主机 → 本局域网上的另一主机；
- 主机 → 其他网域的另一主机；
- 路由器 → 局域网上的另一主机；
- 路由器 → 其他网域的另一主机：也是先转发给局域网的另一路由器，再由其进行转发；
  - 其他网域指的是不和该路由器直接相连的网域；

3.4. DHCP 协议

允许一台计算机加入新网络时自动获取 ip 地址，提供即插即用联网机制（plug-and-play networking）；
获取的信息：1）ip 地址，2）子网掩码，3）默认路由器的 ip 地址，4）域名服务器的 ip 地址（DNS）；
DHCP 工作过程
- 0）DHCP 服务器被动打开，监听客户端的报文；
- 1）需要 ip 地址的主机广播发送 DHCP 发现报文（DHCP DISCOVER），该主机成为 DHCP 客户；
  - 本地网络上所有主机均收到该报文，但只有 DHCP 服务器响应报文；
- 2）DHCP 服务器从数据库中查找该计算机配置信息，若找到，则返回配置信息，否则从地址池中分配一个。服务器返回 DHCP 提供报文（DHCP OFFER）；
- 租用期：DHCP 分配的 ip 地址是临时的，客户只能在有限的时间内使用该地址，称为租用期；
  - 租用期由服务器决定，客户也可在 DISCOVER 报文中提出对租用期的要求；
- 3）客户收到 OFFER 报文后，发送 DHCPREQUEST 报文，表示请求确认 DHCP 分配；
- 4）服务器发送 DHCPACK 报文，最终确认 DHCP 分配；
- 5）租用期到时，客户发送 DHCPREQUEST 报文，确认 DHCP 分配情况（是否允许继续使用）；
- 6）服务器返回 DHCPNACK 报文，表示不允许继续使用，则客户端重新进入 DISCOVER。返回 DHCPACK 表示允许继续使用；
- ℹ️：上述报文全为广播形式发送，基于 UDP 协议传输；

3.5. ICMP 协议

ICMP 协议允许主机进行差错和异常情况的报告，提高 ip 数据报交付的成功率；
ICMP 属于 IP 层协议，ICMP 报文是作为 ip 数据报的数据部分；
ICMP 报文格式（了解）
- 5 种差错报文：终点不可达、源点抑制（路由器拥堵导致报文丢弃）、超时（TTL）、参数错误（首部字段值）、改变路由（路由器指示发送端修改路由）；
- 2 种询问报文：1）回送请求和回答报文（ping），2）时间戳请求和回答报文（32 位数，从 1900-01-01 开始的时间戳）

4. ipv6

4.1. 主要特点

新的报文结构、巨大的地址空间、新的地址分配方式、更好的 QOS 支持、内置安全性、新的邻居发现协议、可扩展性和移动性；

4.2. 新的报文结构

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首部长度固定为 40 字节，称为基本首部（basic header），字段减少为 8 个。取消不必要的功能（如检验和），加速路由器处理速度。
基本首部后可以跟 0 个或多个扩展首部，扩展首部 + 数据部分 = 报文的有效载荷（净载荷），报文长度最大 64 KB；

4.3. ipv6 地址

ipv6 的目的地址可以是以下三种基本类型
- 单播（unicast）：传统的点对点通信；
- 多播（multicast）：一点对多点通信；
- 任播（anycast）：新增类型，任播的目的是一组主机，但只需交付其中一个，通常选择最近的；
结点和接口
- 实现 ipv6 的主机和路由器称为结点，ipv6 地址是分配给结点上面的接口；
- 一个结点可以有多个单播地址，一个单播地址可以唯一表示一个结点；
ipv6 地址记法：冒号十六进制
- 每 16 bit 用一个四位十六进制数表示，省略前导 0。共 8 个数，各数之间冒号分隔，如：2403:d400:1000:12:f49a:b3ed:24c8:a877；
- 一连串连续的 0 可以用一对冒号（::）取代：如 fe80::56c6:ffff:fe7b:5802。零压缩只能使用一次，否则会有二义性；
- CIDR 斜线表示法，如 12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60；
- 特殊地址：全 0，写为 ::，目前未分配。环回地址：::1。
- 映射 ipv4 的地址：80 位全 0 + 16 位全 1 + 32位 ipv4 地址，即 0000 0000 0000 0000 0000 FFFF (ipv4)；

（三）ipv4（⭐） ​

1. ipv4 分组 ​

1.1. 数据报组成 ​

1.2. 固定 20 字节部分 ​

1.3. 可变部分 ​

2. ipv4 地址和 NAT ​

2.1. ipv4 编址方式 ​

2.2. ipv4 分类编址 ​

2.3. 子网划分 ​

2.4. CIDR（无分类域间路由，Classless Inter-Domain Routing） ​

2.5. NAT（网络地址转换） ​

3. ARP，DHCP 和 ICMP 协议 ​

3.1. 概念 ​

3.2. 层次结构 ​

3.3. ARP 协议 ​

3.4. DHCP 协议 ​

3.5. ICMP 协议 ​

4. ipv6 ​

4.1. 主要特点 ​

4.2. 新的报文结构 ​

4.3. ipv6 地址 ​

（三）ipv4（⭐）

1. ipv4 分组

1.1. 数据报组成

1.2. 固定 20 字节部分

1.3. 可变部分

2. ipv4 地址和 NAT

2.1. ipv4 编址方式

2.2. ipv4 分类编址

2.3. 子网划分

2.4. CIDR（无分类域间路由，Classless Inter-Domain Routing）

2.5. NAT（网络地址转换）

3. ARP，DHCP 和 ICMP 协议

3.1. 概念

3.2. 层次结构

3.3. ARP 协议

3.4. DHCP 协议

3.5. ICMP 协议

4. ipv6

4.1. 主要特点

4.2. 新的报文结构

4.3. ipv6 地址