IPv4

IPv4 是互联网的核心协议，提供不可靠、无连接、尽最大努力交付的数据报服务。

IPv4 分组格式 重点

• 一个 IP 数据报由 首部 和 数据 两部分组成。
• 固定首部 (20 字节)：
  • 版本 (4 bit)：IPv4 为 4。
  • 首部长度 (4 bit)：以 4 字节为单位，最大 60 字节。
  • 总长度 (16 bit)：首部 + 数据，最大 65535 字节。
  • 标识、标志、片偏移：用于 IP分片与重装。
  • 生存时间 (TTL) (8 bit)：最大跳数，每过一个路由器减 1，减为 0 丢弃。
  • 协议 (8 bit)：指示交给哪个传输层协议 (TCP=6, UDP=17)。
  • 首部校验和 (16 bit)：仅校验首部。
  • 源地址、目的地址 (各 32 bit)。

IPv4地址

IPv4 地址是分配给每个连接在互联网上的主机或路由器接口的 32 位 标识符。

分类编址 重点

结构：{<网络号>, <主机号>}

类	范围 (首字节)	网络号 / 主机号	最大网络数 / 主机数
A	1~126	8 / 24 bit	126 / 16,777,214
B	128~191	16 / 16 bit	16,384 / 65,534
C	192~223	24 / 8 bit	2,097,152 / 254
D	224~239	多播地址	-
E	240~255	保留实验	-

• 特殊地址：
  • 127.0.0.1：本地环回 (Loopback)。
  • 0.0.0.0：本网络上的本主机。
  • 255.255.255.255：受限广播地址。

重要特点

• 分等级：方便管理，减小路由表。
• 接口属性：一个主机连接两个网络（多归属）有两个 IP 地址；路由器每个接口都有不同网络号的 IP。

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子网划分与CIDR

子网划分 (Subnetting) 重点

• 思路：从主机号“借用”若干位作为 子网号。
• 结构：{<网络号>, <子网号>, <主机号>}
• 子网掩码 (Subnet Mask)：
  • 将 IP 地址与掩码进行 按位与 (AND) 运算得出网络地址。
  • A 类默认掩码：255.0.0.0
  • B 类默认掩码：255.255.0.0
  • C 类默认掩码：255.255.255.0

无分类编址 (CIDR) 重点

• 消除类别：不再区分 A/B/C 类。
• 网络前缀：使用斜线记法，如 128.14.32.0/20 表示前缀占 20 位。
• 路由聚合 (Route Aggregation)：
  • 将多个网络合并为一个较大的 超网 (Supernet)。
  • 优点：减少路由表项。
• 最长前缀匹配：查找路由表时，若有多个匹配项，选择前缀最长（最具体）的。

地址块计算示例

• /20 地址块有 $2^{32-20}=2^{12}$ 个地址。
• 起始地址主机号全 0，最后地址主机号全 1。

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IP分片与重装

由于不同链路层协议规定的 最大传输单元 (MTU) 不同，当 IP 数据报长度超过 MTU 时，必须进行分片。

首部相关字段 重点

1. 标识 (Identification)：同一数据报的所有分片标识符相同。
2. 标志 (Flags)：
   • DF (Don’t Fragment)：1 表示禁止分片。
   • MF (More Fragment)：1 表示后面还有分片，0 表示最后一片。
3. 片偏移 (Fragment Offset)：以 8 字节 为单位，表示该片在原分组中的相对位置。

重装

• 分片的重装仅在 目的主机 进行，中间路由器不重装。
• 优点：减轻中间路由器的负担。
• 缺点：丢失一个片会导致整个数据报重传。

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NAT

• 解决 IPv4 地址短缺问题。
• 本地网络内部可以使用私有 IP 地址，对外只占用一个公网 IP。
• 增强内部网络安全性（外部无法直接访问内部主机）。

实现原理

• NAT 转换表：记录 {私有IP:端口, 公网IP:端口} 的映射对。
• 出站：路由器替换源地址和源端口。
• 入站：路由器根据转换表还原目的地址和目的端口。

私有地址范围

• 10.0.0.0/8
• 172.16.0.0/12
• 192.168.0.0/16

争议

• 违反了 端到端原则（网络层本应只负责转发，不应修改端口）。
• 增加了路由器的处理负担。

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