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IPV4

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IPv4，是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP）的第四版，也是第一個(gè)被廣泛使用，構(gòu)成現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基石的協(xié)議。1981年 Jon Postel 在RFC791中定義了IP。

地址格式

IPv4使用32位地址，因此最多可能有4,294,967,296(=232)個(gè)地址。一般的書寫法為4個(gè)用小數(shù)點(diǎn)分開的十進(jìn)制數(shù)。也有人把4個(gè)位元組的數(shù)字化成一個(gè)巨型整數(shù)，但這種標(biāo)示法并不常見。另一方面，目前還并非很流行的IPv6使用的128位地址所采用的位址記數(shù)法，在IPv4也有人用，但使用范圍更少。

過(guò)去IANA把IP地址分為A,B,C,D 4類，把32位的地址分為兩個(gè)部分：前面的部分代表網(wǎng)絡(luò)地址，由IANA分配，后面部分代表局域網(wǎng)地址。如在C類網(wǎng)絡(luò)中，前24位為網(wǎng)絡(luò)地址，后8位為局域網(wǎng)地址，可提供254個(gè)設(shè)備地址（因?yàn)橛袃蓚€(gè)地址不能為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用：255為廣播地址，0代表此網(wǎng)絡(luò)本身）。網(wǎng)絡(luò)掩碼(Netmask) 限制了網(wǎng)絡(luò)的范圍，1代表網(wǎng)絡(luò)部分，0代表設(shè)備地址部分，例如C類地址常用的網(wǎng)絡(luò)掩碼為255.255.255.0。

但由于這種分類法會(huì)大量浪費(fèi)網(wǎng)路上的可用空間，所以新的方法不再作這種區(qū)分，而是把用者需要用的位址空間，以2的乘冪方式來(lái)?yè)芘c。例如，某一網(wǎng)路只要13個(gè)ip位址，就會(huì)把一個(gè) 16位址的區(qū)段給他。假設(shè)批核了 61.135.136.128/28 的話，就表示從 61.135.136.129 到 61.135.136.142 的網(wǎng)址他都可以使用。

一些特別的IP地址段：

  • 127.x.x.x給本機(jī)地址使用。
  • 224.x.x.x為多播地址段。
  • 255.255.255.255為通用的廣播地址。
  • 10.x.x.x，172.16.x.x和192.168.x.x供本地網(wǎng)使用，這些網(wǎng)絡(luò)連到互連網(wǎng)上需要對(duì)這些本地網(wǎng)地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換（NAT）

IP包長(zhǎng)

IP包由首部（header）和實(shí)際的數(shù)據(jù)部分組成。數(shù)據(jù)部分一般用來(lái)傳送其它的協(xié)議，如TCP，UDP，ICMP等。數(shù)據(jù)部分最長(zhǎng)可為65515字節(jié)（Byte）（=216 - 1 - 最短首部長(zhǎng)度20字節(jié)）。一般而言，低層（鏈路層）的特性會(huì)限制能支持的IP包長(zhǎng)。例如以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議，有一個(gè)協(xié)議參數(shù)，即所謂的最大傳輸單元(Maximum Transfer Unit, MTU) ，為1518字節(jié)，以太網(wǎng)的幀首部使用18字節(jié)，剩給整個(gè)IP包（首部+數(shù)據(jù)部分）的只有1500字節(jié)。

還有一些底層網(wǎng)絡(luò)只能支持更短的包長(zhǎng)。這種情況下，IP協(xié)議提供一個(gè)分割（fragment）的可選功能。長(zhǎng)的IP包會(huì)被分割成許多短的IP包，每一個(gè)包中攜帶一個(gè)標(biāo)志（Fragmentid）。發(fā)送方（比如一個(gè)路由器）將長(zhǎng)IP包分割，一個(gè)一個(gè)發(fā)送，接送方（如另一個(gè)路由器）按照相應(yīng)的IP地址和分割標(biāo)志將這些短IP包再組裝還原成原來(lái)的長(zhǎng)IP包。

特殊IP

- 127.x.x.x給本地網(wǎng)地址使用。 - 224.x.x.x為多播地址段。 - 255.255.255.255為通用的廣播地址。 - 10.x.x.x，172.16.x.x至172.31.x.x 和192.168.x.x供本地網(wǎng)使用，這些網(wǎng)絡(luò)連到互連網(wǎng)上需要對(duì)這些本地網(wǎng)地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換（NAT）。 但由于這種分類法會(huì)大量浪費(fèi)網(wǎng)路上的可用空間，所以新的方法不再作這種區(qū)分，而是把用者需要用的位址空間，以2的乘冪方式來(lái)?yè)芘c。例如，某一網(wǎng)路只要13個(gè)ip位址，就會(huì)把一個(gè)16位址的區(qū)段給他。假設(shè)批核了 61.135.136.128/16 的話，就表示從 61.135.136.129 到 61.135.136.142 的網(wǎng)址他都可以使用。

IP路由

IPv4并不區(qū)分作為網(wǎng)絡(luò)終端的主機(jī)(host) 和網(wǎng)絡(luò)中的中間設(shè)備（如路由器）兩者之間的差別。每臺(tái)電腦可以既做主機(jī)又做路由器。路由器用來(lái)聯(lián)結(jié)不同的網(wǎng)絡(luò)。所有用路由器聯(lián)系起來(lái)的這些網(wǎng)絡(luò)的總和就是互聯(lián)網(wǎng)。

IPv4技術(shù)既適用于局域網(wǎng)（LAN）也適用于廣域網(wǎng)。一個(gè)IP包從發(fā)送方出發(fā)，到接送方收到，往往要穿過(guò)通過(guò)路由器連接的許許多多不同的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)路由器都擁有如何傳遞IP包的知識(shí)，這些知識(shí)記錄在路由表中。路由表中記錄了到不同網(wǎng)絡(luò)的路徑，在這兒每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都被看成一個(gè)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。路由表中記錄由路由協(xié)議管理，可能是靜態(tài)的記錄，比如由網(wǎng)絡(luò)管理員寫入的，也有可能是由路由協(xié)議動(dòng)態(tài)的獲取的。有的路由協(xié)議可以直接在IP協(xié)議上運(yùn)行。

常用的路由協(xié)議有

  • 路由信息協(xié)議（Routing Information Protocol, RIP）,
  • 開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議，Open Shortest Path Fast, OSPF），
  • 中介系統(tǒng)對(duì)中介系統(tǒng)協(xié)議（Intermediate System – Intermediate System, IS-IS）,
  • 邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Border Gateway Protocol, BGP）.

在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷很重或者出錯(cuò)的情況下，路由器可以將收到的IP包丟棄。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷重的時(shí)候，同樣一個(gè)IP包有可能由路由器決定走了不同的路徑。路由器對(duì)每一個(gè)IP包都是單獨(dú)選擇路由的。這也提高了IP通信的可靠性。但單是IP層上的包傳輸，并不能保證完全可靠。IP包可能會(huì)丟失；可能會(huì)有重復(fù)的IP包被接受方收到；IP包可能會(huì)走不同的路徑，不能保證先發(fā)的先到；接受方收到的可能是被分割了的IP包。在IP之上再運(yùn)行TCP協(xié)議則解決這些缺點(diǎn)提供了一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)通路。

ICMP

互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議（Internet Control Messages Protocol，ICMP）用于查錯(cuò)和控制（如），是IP協(xié)議不可能缺少的幫手。幾乎任何的IP協(xié)議的實(shí)施（Implementation）都伴隨一個(gè) ICMP協(xié)議的實(shí)施。ICMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)在IP之上，即ICMP包是作為IP的數(shù)據(jù)部分來(lái)傳送的。

ICMP的一個(gè)重要的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)擁塞控制：路由器丟棄一個(gè)IP包時(shí)，一般會(huì)用ICMP發(fā)一個(gè)消息給這個(gè)IP包的原發(fā)送者，原發(fā)送者可以相應(yīng)的降低IP包的發(fā)送頻率，以降低或避免IP包再被丟棄的可能性。

ICMP的另一個(gè)重要的應(yīng)用在于，將傳送ICMP消息的IP包禁止分割位（Don't Fragment-Bit）設(shè)置上，就可以利用ICMP的來(lái)測(cè)量一段網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸單元(MTU) 。

IPOE

IPv4可以運(yùn)行在各種各樣的底層網(wǎng)絡(luò)上，比如端對(duì)端的串行數(shù)據(jù)鏈路（PPP協(xié)議和SLIP協(xié)議），衛(wèi)星鏈路等等。局域網(wǎng)中最常用的是以太網(wǎng)。

一個(gè)用于IP包的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，在IP包首部前有一個(gè)14字節(jié)的以太網(wǎng)幀首部，在IP數(shù)據(jù)部分后添加了一個(gè)32位（4字節(jié)）的CRC校驗(yàn)。

除了1518字節(jié)的最大傳輸單元(MTU) 限制外，以太網(wǎng)還有最小傳輸單元的限制：總幀長(zhǎng)不能小于64字節(jié)。如果IP包太短，比如IP數(shù)據(jù)部分短于26字節(jié)，那么后面會(huì)添0(Padding) ，這時(shí)IP首部中的'包長(zhǎng)度'指示了真正的包長(zhǎng)。

以太網(wǎng)使用48位的地址。每個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)卡都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的48位的硬件地址。所有的位均為1的地址是以太網(wǎng)廣播地址。發(fā)送數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)網(wǎng)卡必須知道數(shù)據(jù)接送方的以太網(wǎng)地址才能把數(shù)據(jù)發(fā)給它。

地址解析協(xié)議ARP(Address Resolution Protocol) 用于將IP地址轉(zhuǎn)換成乙太網(wǎng)地址。每臺(tái)計(jì)算機(jī)上都有一個(gè)ARP列表，里面存儲(chǔ)了以太網(wǎng)中不同的IP地址與以太網(wǎng)地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)某個(gè)目標(biāo)IP地址沒有對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)地址，它會(huì)發(fā)一個(gè)ARP請(qǐng)求(Request) 到以太網(wǎng)中詢問(wèn)，擁有該IP地址的計(jì)算機(jī)就會(huì)發(fā)一個(gè)ARP應(yīng)答（Reply）來(lái)通知它自己的乙太網(wǎng)地址。

IP包首部格式

IPv4首部一般是20字節(jié)長(zhǎng)。在以太網(wǎng)幀中，IPv4包首部緊跟著以太網(wǎng)幀首部，同時(shí)以太網(wǎng)幀首部中的協(xié)議類型值設(shè)置為080016。 IPv4提供不同，大部分是很少用的選項(xiàng)，使得IPv4包首部最長(zhǎng)可擴(kuò)展到60字節(jié)（總是4個(gè)字節(jié)4個(gè)字節(jié)的擴(kuò)展）

0 4 8 12 16 19 24 31
版本 首部長(zhǎng)度 服務(wù)類型 長(zhǎng)度
標(biāo)識(shí) 標(biāo)志 段偏移量
TTL 協(xié)議 校驗(yàn)和
源IP地址
目的IP地址
選項(xiàng) ...


IP包頭字段說(shuō)明

版本：4位，指定IP協(xié)議的版本號(hào)。

包頭長(zhǎng)度（IHL）：4位，IP協(xié)議包頭的長(zhǎng)度，指明IPv4協(xié)議包頭長(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)包含多少個(gè)32位。由于IPv4的包頭可能包含可變數(shù)量的可選項(xiàng)，所以這個(gè)字段可以用來(lái)確定IPv4數(shù)據(jù)報(bào)中數(shù)據(jù)部分的偏移位置。IPv4包頭的最小長(zhǎng)度是20個(gè)字節(jié)，因此IHL這個(gè)字段的最小值用十進(jìn)制表示就是 5（5x4 = 20字節(jié)）。就是說(shuō)，它表示的是包頭的總字節(jié)數(shù)對(duì)于4字節(jié)的倍數(shù)。

服務(wù)類型：定義IP協(xié)議包的處理方法，它包含如下子字段 

       過(guò)程字段：3位，設(shè)置了數(shù)據(jù)包的重要性，取值越大數(shù)據(jù)越重要，取值范圍為：0（正常）~ 7（網(wǎng)絡(luò)控制）
       延遲字段：1位，取值：0（正常）、1（期待低的延遲）
       流量字段：1位，取值：0（正常）、1（期待高的流量）
       可靠性字段：1位，取值：0（正常）、1（期待高的可靠性）
       成本字段：1位，取值：0（正常）、1（期待最小成本）
       未使用：1位

長(zhǎng)度：IP包的總長(zhǎng)

標(biāo)識(shí)：唯一地標(biāo)識(shí)主機(jī)所發(fā)送的一個(gè)數(shù)據(jù)段，通常每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)段后加一。但I(xiàn)P包被分割后，分割得到的IP包擁有相同的標(biāo)識(shí)

標(biāo)志：是一個(gè)3位的控制字段，包含： 

       保留位：1位
       不分段位：1位，取值：0（允許數(shù)據(jù)報(bào)分段）、1（數(shù)據(jù)報(bào)不能分段）
       更多段位：1位，取值：0（數(shù)據(jù)包后面沒有包，該包為最后的包）、1（數(shù)據(jù)包后面有更多的包）

段偏移量：當(dāng)數(shù)據(jù)段被分割時(shí)，它和更多段位（MF, More fragments）進(jìn)行連接，幫助目的主機(jī)將分段的包組合。

TTL：表示數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上生存多久，每通過(guò)一個(gè)路由器該值減一，為0時(shí)將被路由器丟棄。

協(xié)議：8位，這個(gè)字段定義了IP數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分使用的協(xié)議類型。常用的協(xié)議及其十進(jìn)制數(shù)值包括ICMP（1）、TCP（6）、UDP（17）。

校驗(yàn)和：16位，是IPv4數(shù)據(jù)報(bào)包頭的校驗(yàn)和。

源IP地址：

目的IP地址：

過(guò)去和未來(lái)

IPv4從出生到如今，幾乎沒什么改變的生存了下來(lái)。1983年TCP/IP協(xié)議被ARPAnet采用，直至發(fā)展到后來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)。那時(shí)只有幾百臺(tái)計(jì)算機(jī)互相聯(lián)網(wǎng)。到1989年聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)數(shù)量突破10萬(wàn)臺(tái)，并且同年出現(xiàn)了1.5Mbit/s的骨干網(wǎng)。因?yàn)镮ANA把大片的地址空間分配給了一些公司和研究機(jī)構(gòu)，90年代初就有人擔(dān)心10年內(nèi)IP地址空間就會(huì)不敷用，并由此導(dǎo)致了IPv6 的開發(fā)。

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IP

IPV6