一篇文章详细解析 IPv4地址
IP数据报（IP分组）
实际传输中，数据部分的长度会受到数据链路层的的 最短/最长帧长 限制
一个链路层数据帧能承载的最大数据量称为 最大传送单元（MTU）。
如果一个IP数据包的总长度 > 下一段链路的MTU，就需要对其进行分片。到达目标主机的网络层后再对分片进行重组。
那么接收方如何区分分片属于哪个数据报？如何进行组装？
- 通过分片的 标识 字段来判断属于哪个数据报。
- 通过 标志 字段来判断分片是不是最后一个分片。最低为MF（More Fragment），次低位DF（Dont Fragment）。
- MF = 1，表示后面还有分片。MF = 0表示这是最后一个分片。
- DF = 1，表示不允许被分片。DF = 0表示允许被分片。
- 最后根据 片偏移 来完成分片的重组（由于首部的 片偏移 字段必须是以 ×8B 为单位，因此除最后一个分片之外，其他分片的长度必须是 8B 的整数倍）
生存时间：数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。IP分组每经过一个路由器，TTL--，如果已经减到0，该路由器就丢弃分组并向源主机发送ICMP报文（通知出现异常）
协议：如果为TCP协议服务设为6，为UDP协议服务设为17。可以让目的主机知道当前数据报向上递交给TCP协议还是UDP协议
IP地址
- 在那个年代，要求每台主机、每个路由器接口被分配的 IP 地址都是全球唯一的
- 路由器和路由器连接的接口可以不分配 IP 地址，但路由器和其他节点连接的接口必须分配 IP 地址
- 从属于同一个网络的所有主机、路由器接口的 IP 地址 “网络号” 都相同
- 当一台新主机接入网络时，需要给它分配一个 IP 地址、并配置 “默认网关”
- 如果是跨网络传播，则需要经过网关。
- ARP协议可以将IP地址转换为对应的MAC地址
- 如果是同一个网络内传播，则无需经过网关。通过ARP协议将目标IP地址转为目标MAC地址，然后将数据报封装为MAC帧直接在网络内部传输。如果要跨网络传输，则需要将数据报封装 吗，则要再经过不同网关传输到另一个网络
子网划分与子网掩码
子网划分是将一个大的网络划分成若干个较小的子网的过程。例如将学校的网络再划分为不同校区的网络。
作用：
- 提高 IP 地址利用率：在没有子网划分前，一个网络无论主机数量多少，都只能使用一个固定类别的网络地址，造成 IP 地址浪费。通过子网划分，可根据实际需求将大网络划分为多个子网，合理分配 IP 地址。例如，一个公司有多个部门，每个部门主机数量不同，子网划分后，可按需分配 IP，减少浪费。
- 增强网络管理和安全性：不同子网可以进行独立的管理和配置，如设置不同的访问控制策略。同时，子网间的通信需要通过路由器，可在路由器上设置防火墙规则，提高网络安全性。
划分原理：
- IP 地址由网络号和主机号两部分组成。子网划分是通过借用主机位来扩展网络号，从而产生子网。例如，对于一个 C 类网络（默认子网掩码是 255.255.255.0 ，即网络号占 24 位，主机号占 8 位 ），若借用 3 位主机位来划分子网，那么子网掩码就变为 255.255.255.224（/27 ），网络号变为 27 位，主机号变为 5 位 。
子网掩码：子网掩码用于标识 IP 地址中网络号和主机号的界限。通过将 IP 地址和子网掩码进行按位与运算，可得到网络前缀（<网络号，子网号>）。例如，IP 地址为 192.168.1.100 ，子网掩码为 255.255.255.0 ，按位与运算后得到网络地址 192.168.1.0 ，网络前缀为192.168.1。只有网络前缀相同的IP地址才属于同一个网络
无分类编制 CIDR
子网划分：
- 定长子网划分：把主机号的前k bit分出来作为定长子网号，可以划分出2^k 个子网
- 缺点：每个子网都一样大，不够灵活，IP地址利用率低，资源浪费多
- 变长子网划分：
CIDR 地址块的子网划分技巧：
可以利用类似于 “从根到叶构造二叉哈夫曼树” 的技巧
- 原始 CIDR 地址块作为根节点（假设可以自由分配的主机号占 h bit）
- 每个分支节点必须同时拥有左右孩子，左 0，右 1（反过来也行）
- 每个叶子结点对应一个子网，根据根节点到达叶子结点的路径来分析子网对应的 IP 地址块范围
- 整棵树的高度不能超过 h - 1（因为即便最小的子网也至少要保留 2bit 主机号）
路由聚合
对于一个路由转发表，如果几条路由表项的转发接口相同，部分网络前缀也相同，那么可以将这几条路由表项聚合为一条。这种地址的聚合就是路由聚合，也称构成超网。
采用CIDR技术后，由于路由聚合，一个IP地址转发表项可能匹配多个表项，应使用 最长前缀原则
优缺点：
- 路由聚合可以减少路由表的大小
- 减少查询时间，转发时延更低
- 可能会引入额外的无效地址
网络地址转换NAT
私有 IP 地址（内网 IP）
- 只允许分配给局域网内部的节点，不允许分配给互联网上的节点
- 每个局域网内部都可以自行分配这些私有 IP 地址
- 私有 IP 地址是可复用的，只要求局域网内唯一，不要求全球唯一
全球 IP 地址（外网 IP）
- 通常由 ISP 提供，全球唯一
- 外网 IP 是一个局域网与外界通信时所需使用的 IP 地址
NAT 路由器
- 作用：转发 IP 数据报时，进行内网 IP、外网 IP 的相互转换
- NAT 表，记录地址转换关系 ——<内网 IP: 端口号↔外网 IP: 端口号>
- 一个 IP 数据报
- 从内网转发到外网，会更改源 IP 地址、源端口号
- 从外网转发到内网，会更改目的 IP 地址、目的端口号
- NAT 路由器包含传输层的功能（因为端口号是传输层的概念）
不同网络进程之间通信过程：
地址解析协议ARP
在一个局域网内部，可以通过 ARP协议 可以查询到一个 IP 地址对应的 MAC 地址
ARP表（ARP缓存）
- 记录（IP 地址 - MAC 地址）之间的映射关系
- 一个数据结构（每台主机、每台路由器都有自己的 ARP 表）
- 需要定期更新 ARP 表项
查询过程：
- ARP 请求分组
- 内容
- 发送方标识：自身 IP 地址为 X，MAC 地址为 Y
- 目标方查询：需查询 IP 地址为 Z 的设备
- ARP 请求分组被封装进 MAC 帧，其中帧的目的地址设为全 1（表示广播），源地址为 Y，以广播帧形式发送
- ARP 响应分组
- 内容：表明自身为 IP 地址是 Z 的设备，同时说明自身 MAC 地址为 V
- ARP 响应分组被封装进 MAC 帧，帧的目的地址为 Y，源地址为 V，以单播帧形式发送
动态主机配置协议DHCP
DHCP协议用来给刚接入网络的主机动态分配IP地址、配置默认网关、子网掩码。
DHCP是应用层协议，基于UDP，客户 UDP 端口号 = 68、服务器 UDP 端口号 = 67。
DHCP 使用客户 / 服务器模型（C/S）
- DHCP 客户
- 就是新接入网络的主机（希望获得 IP 地址等配置）
- DHCP 服务器
- 就是负责分配 IP 地址的那台主机，管理一系列 IP 地址池
- 在一个大型网络内可以有多台 DHCP 服务器
执行过程：
- 客户→服务器：DHCP 发现报文
- 携带信息：客户主机的 MAC 地址（还可以提出对 IP 地址租用期的要求）
- 网络层：源 IP 地址 = 0.0.0.0，目的 IP 地址 = 255.255.255.255（广播 IP 数据报）
- 链路层：源 MAC = 客户的 MAC 地址，目的 MAC = 全 1（广播帧）
- 服务器→客户：DHCP 提供报文
- 携带信息：给客户分配的 IP 地址、租用期、子网掩码、默认网关
- 网络层：源 IP=DHCP 服务器的 IP 地址，目的 IP=255.255.255.255（广播 IP 数据报）
- 链路层：源 MAC = 服务器的 MAC 地址，目的 MAC = 客户的 MAC 地址（单播帧）
- 客户→服务器：DHCP 请求报文
- 携带信息：客户机确认要使用的 IP 地址
- 网络层：源 IP=0.0.0.0，目的 IP=255.255.255.255（广播 IP 数据报）
- 链路层：源 MAC = 客户的 MAC 地址，目的 MAC = 全 1（广播帧）
- 服务器→客户：DHCP 确认报文
- 携带信息：与报文2类似
- 网络层：源 IP=DHCP 服务器的 IP 地址，目的 IP=255.255.255.255（广播 IP 数据报）
- 链路层：源 MAC = 服务器的 MAC 地址，目的 MAC = 客户的 MAC 地址（单播帧）
国际控制报文协议ICMP
ICMP 属于网络层，ICMP 报文封装在 IP 数据报中。ICMP 可以让主机或路由器互相报告网络中发生的差错和异常情况
ICMP报文的常见类型
差错报告报文
- 终点不可达
- 路由器向发送方反馈：“目的 IP 地址不可达（网络路径不通）”。
- 目的主机向发送方反馈：“目的端口号不存在，无对应进程处理”。
- 时间超过
- 路由器向发送方反馈：“IP 数据报到达时 TTL（生存时间）为 0，已被丢弃（传输路程过长）”。
- 目的主机向发送方反馈：“IP 数据报被分片后，规定时间内分片未全部到达，已全部丢弃”。
- 参数问题：向发送方反馈 “IP 数据报首部参数不合法，或首部校验出错”。
- 改变路由（重定向）：路由器向发送方反馈 “针对该目的网络，下次可由另一台路由器转发，路径更短”。
- 源点抑制（2012 年后已废弃）：曾用于向发送方反馈 “网络发生拥塞，存在丢包情况，请降低发送速率”。
询问报文
- 回送请求（Echo Request）：A 向 B 发送：“请确认可达性并回复”。
- 回送回答（Echo Reply）：B 向 A 回复：“可达”。
- 时间戳请求（Timestamp Request）：A 向 B 发送：“当前本地时间为 xxxx，请问你处时间是多少？”。
- 时间戳回答（Timestamp Reply）：B 向 A 回复：“收到请求的时间为 yyyy，发出此回答的时间为 zzzz”。
不必反馈ICMP差错报文的情况
- 若携带 ICMP 差错报告报文的 IP 数据报出错，不再反馈 ICMP 差错
- 若 IP 数据报被分片，则无论几个分片出错，都只反馈一次 ICMP 差错
- 若 IP 数据报的目的地址为多播地址，不反馈 ICMP 差错
- 若 IP 数据报的源地址为特殊地址（如：127.x.x.x、0.0.0.0），则即便发生 IP 数据报异常也不反馈 ICMP 差错