4.3 IPv4

4.3.1 IPv4分组

IPv4（Internet Protocol version 4）是互联网协议第四版，定义了数据报文的格式、寻址方案、分片和传输过程。

IPv4分组格式

IPv4数据报包含首部和数据部分。首部由20字节的固定部分和长度可变的可选字段组成。

首部字段说明：

字段 长度 说明
版本 4位 IP协议版本号（IPv4为4）
首部长度 4位 头部长度，以4字节为单位（最小5，最大15）
区分服务 8位 服务类型字段（旧称TOS），用于区分优先级
总长度 16位 整个数据报总长度（首部+数据），单位字节，最大65535B
标识 16位 数据报的唯一ID，用于分片和重组
标志 3位 控制分片：DF（禁止分片位，0允许）、MF（更多分片位，1表示有后续分片）
片偏移 13位 分片相对于原始数据报起始位置的偏移量，以8字节为单位
生存时间(TTL) 8位 最大路由器跳数，每转发一次减1，为0时丢弃
协议 8位 上层协议类型（如TCP=6，UDP=17）
首部校验和 16位 只校验首部，不校验数据
源IP地址 32位 发送方IP地址
目的IP地址 32位 接收方IP地址
可选项 可变 用于扩展功能

常见协议字段值：

  • ICMP:1, IGMP:2, IP:4, TCP:6, EGP:8, IGP:9, UDP:17, IPv6:41, ICMP-IPv6:58, OSPF:89

IP数据报分片

  • MTU（最大传送单元）：数据链路层能承载的最大数据量。以太网MTU=1500B，广域网常≤576B。
  • 分片：当IP数据报长度超过MTU时，需分成多个片，每个片都有自己的IP首部。
  • 标识：原始数据报的标识号复制到所有片中，用于重组。
  • 标志位：
    • MF：除最后一个片外，MF=1。
    • DF：允许分片时设为0。
  • 片偏移：以8字节为单位，表示该片在原始数据报中的位置（除最后一个片外，每个片的数据长度必须是8字节的整数倍）。

例题（2021年36题）
路由器向MTU=800B的链路转发总长度1580B的IP数据报（首部20B），进行分片，每个分片尽可能大，求第2个分片的总长度字段和MF标志位的值。

  • 每个分片数据部分最大 = 800 - 20 = 780B，需为8的倍数，取776B。
  • 原始数据部分 = 1580 - 20 = 1560B。
  • 第1片：数据776B，偏移0，MF=1。
  • 第2片：数据776B，偏移776/8=97，MF=1（因还有剩余）。
  • 剩余数据 = 1560 - 776×2 = 8B，第3片数据8B，MF=0。
  • 第2片总长度 = 20 + 776 = 796B，MF=1。
    答案：B. 796, 1

首部校验和计算：

  • 发送方：将首部按16位字序列求和（反码算术运算），校验和字段置0，求和后取反码写入。
  • 接收方：将首部所有16位字反码求和，结果取反，若为0则正确，否则丢弃。

4.3.2 IPv4地址与NAT

IPv4地址

  • 32位二进制，点分十进制表示（如192.168.0.1）。
  • 结构：IP地址 = {网络号, 主机号}，网络号唯一标识网络，主机号标识网络内设备。

分类的IP地址（传统A、B、C类）：

类别 网络号位数 主机号位数 范围 默认子网掩码
A 8 24 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255 255.0.0.0
B 16 16 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 255.255.0.0
C 24 8 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 255.255.255.0

特殊IP地址：

地址 说明
0.0.0.0 本网络上的本主机（只能作为源地址）
127.x.x.x 环回地址（测试用，不会出现在网络上）
主机号全0 网络地址（标识整个网络）
主机号全1 广播地址（向网络内所有主机发送）
255.255.255.255 受限广播（只能作为目的地址）

例题（2017年36题）
只能作为源IP地址但不能作为目的IP地址的是（A. 0.0.0.0）

网络地址转换(NAT)

  • 目的：解决IPv4地址枯竭，隐藏内部网络。

  • 私有IP地址：

    • A类：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255（1个网段）
    • B类：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255（16个网段）
    • C类：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255（256个网段）

  • NAT类型：

    • 静态NAT：一对一映射。
    • 动态NAT：从地址池中动态映射。
    • NAPT（端口级NAT）：多个私有IP映射到一个公共IP，用端口号区分。

  • 工作原理：NAT路由器维护转换表，将内部地址:端口映射为外部地址:端口。转发时修改IP地址和端口号。

4.3.3 子网划分、路由聚集、子网掩码与CIDR

1. 子网划分

  • 从主机号借位作为子网号，形成三级结构：IP地址 = {网络号, 子网号, 主机号}。
  • 子网划分对外部不可见。
  • 子网号不能全0或全1（RFC 950），但CIDR允许。

2. 子网掩码

  • 32位，1对应网络号+子网号，0对应主机号。
  • 默认掩码：A类255.0.0.0，B类255.255.0.0，C类255.255.255.0。
  • 同一子网内所有主机必须使用相同的子网掩码。

3. 无分类域间路由选择CIDR

  • 消除传统ABC类，使用网络前缀任意长度：IP地址 = {网络前缀, 主机号}。
  • 表示法：IP地址/前缀长度（如192.168.0.0/24）。
  • CIDR地址块：网络前缀相同的连续IP地址集合。
  • 最长前缀匹配：路由表中选择匹配结果中网络前缀最长的条目（最具体）。
  • 路由聚合：将多个连续CIDR地址块合并为一个更大的地址块，减少路由表条目。

例题（2010年37题）
192.168.5.0/24，子网掩码255.255.255.248，最大子网个数和每个子网最大可分配地址个数？

  • 248 = 11111000，借用了5位主机位作为子网号，子网数 = 2^5 = 32（去掉全0全1？原题采用定长子网划分，是否允许全0全1？通常习题中按可用子网计算，但此处未说明，选项B.32,6 对应子网数32，每个子网主机数2^3-2=6。选B）

例题（2012年39题）
主机IP 180.80.77.55，子网掩码255.255.252.0，向其所在子网发送广播分组，目的地址？

  • 掩码252=11111100，网络前缀22位（180.80.76.0/22）。广播地址为主机号全1，即180.80.79.255。选D

例题（2018年38题）
四条路由35.230.32.0/21, 35.230.40.0/21, 35.230.48.0/21, 35.230.56.0/21聚合后的目的网络地址？

  • 这四个网络的前缀21位，前16位相同，后5位不同。32=00100000, 40=00101000, 48=00110000, 56=00111000。公共前缀为前19位（00100000前5位），聚合为35.230.32.0/19。选C

例题（2021年35题）
将一个IP网络划分为3个子网，其中一个子网是192.168.9.128/26，不可能是另外两个子网之一的是？

  • /26的子网掩码255.255.255.192，块大小64。128/26覆盖128-191。A. /25覆盖0-127，不重叠且大小合适；B. /26覆盖0-63，与128/26不重叠；C. /26覆盖192-255，不重叠；D. /27覆盖192-223，与128/26不重叠，但/27是/26的子集，如果已用/26划分，再分/27可能造成重叠？实际上/26的地址块128-191与/27的192-223不重叠，所以D也是可能的。但选项A是/25，包含0-127，与128-191不重叠；B是/26（0-63）；C是/26（192-255）；D是/27（192-223）。这里考察的是划分成三个子网，其中一个为128/26，剩下地址空间为0-127和192-255，如果另外两个子网是0/26和192/26，则正好三个/26，所以A、B、C都是可能的，但D是/27，使用192-223，另一个子网需覆盖剩下的224-255，也是一个/27，这样总共得到两个/26和一个/27，但还需要一个/27，实际上将192/26分成两个/27，那么三个子网就是128/26、0/26、192/27、224/27，实际上是4个子网。所以题目要求“划分为3个子网”，因此另外两个子网必须恰好覆盖剩余空间，不能有剩余。因此D不是可能之一（因为如果192/26被分成两个/27，则子网数变为4）。选D

4.3.4 ARP协议、DHCP协议与ICMP协议

1. IP地址与MAC地址

  • IP地址用于网络层寻址，MAC地址用于数据链路层寻址。
  • 路由器转发时，数据链路层帧的MAC地址不断改变，IP地址不变。

2. ARP协议

  • 地址解析协议，将IP地址解析为MAC地址。
  • 工作过程：
    1. 主机A在ARP缓存中查找目标IP，若无则广播ARP请求（目的MAC=FF-FF-FF-FF-FF-FF）。
    2. 目标主机B收到请求，若IP匹配，则单播ARP响应（包含自己的MAC地址）。
    3. A收到响应，更新缓存，发送数据帧。
  • ARP仅在同一个局域网内使用，不同网络通过路由器转发。

例题（2012年38题）
ARP协议的功能是（A. 根据IP地址查询MAC地址）

3. DHCP协议

  • 动态主机配置协议，应用层协议，基于UDP（客户端端口68，服务器端口67）。
  • 即插即用，自动分配IP地址。
  • 工作流程：
    1. DHCPDISCOVER：客户端广播（源IP 0.0.0.0，目的255.255.255.255）。
    2. DHCPOFFER：服务器广播提供IP地址。
    3. DHCPREQUEST：客户端广播请求使用该地址。
    4. DHCPACK：服务器广播确认，绑定地址，并设置租用期T。
    5. 租用期到达T1=0.5T时，客户端单播请求更新；到达T2=0.875T时广播请求更新。
  • DHCP中继代理：用于跨网络转发DHCP报文。

4. ICMP协议

  • 网际控制报文协议，网络层，用于传递控制消息和诊断。
  • ICMP报文封装在IP数据报中。

ICMP差错报告报文（向源主机报告）：

  • 终点不可达（3）
  • 时间超过（11）
  • 参数问题（12）
  • 改变路由（5）

ICMP询问报文：

  • 回送请求/回答（8/0）—— ping使用
  • 时间戳请求/回答（13/14）

不应发送ICMP差错报文的几种情况：

  • 对ICMP差错报文不再发送
  • 对非第一个分片的数据报片
  • 对组播地址的数据报

例题（2010年36题）
路由器因拥塞丢弃IP分组，发送的ICMP报文类型是（C. 源点抑制）—— 注：源点抑制已在最新标准中不再使用，但考题仍可能涉及。

习题（部分）

  1. ping命令使用哪两种ICMP消息类型？
    B. 回显请求和回显应答

  2. DHCP客户端第一次发出的请求消息是？
    A. DHCPDISCOVER

  3. 谢希仁4-11：计算首部检验和（略，按反码求和计算）

  4. 谢希仁4-14：分片在目的主机组装 vs 每过一个网络组装一次：后者可减少后续网络传输的数据量，但增加中间节点处理负担，且一旦某片丢失，需重新传输。通常采用目的主机组装。

  5. 谢希仁4-15：3200位TCP报文+160位IP首部=3360位。第二个局域网MTU数据部分1200位，即IP数据报最大长度1200+160=1360位。分片：每片数据部分最大1200位，但IP首部160位，实际每片总长1360位。第一个片数据1200，偏移0；第二个片数据1200，偏移1200/8=150；第三个片数据800，偏移2400/8=300。总数据量3200位，但第三个片数据800位，总传输比特数=1360+1360+960=3680位。

  6. 谢希仁4-16：略

  7. 谢希仁4-17：经过5个路由器，总共需要6次ARP（每个网段一次，从源到目的每段都需要解析MAC地址）。

  8. 谢希仁4-20：4000字节数据报，首部20，数据3980。MTU1500，每个分片数据最大1480（因为首部20，总长1500）。分片：1480,1480,1020。片偏移：0,185,370。MF：1,1,0。

  9. 谢希仁4-22：四个地址块：212.56.132.0/24, 212.56.133.0/24, 212.56.134.0/24, 212.56.135.0/24，前22位相同（212.56.132.0/22），聚合为212.56.132.0/22。

  10. 谢希仁4-23：208.128/11 包含 208.128.0.0 ~ 208.159.255.255；208.130.28/22 包含 208.130.28.0 ~ 208.130.31.255，前者包含后者。

  11. 谢希仁4-26：需按主机数分配子网，满足每个子网的主机数要求（略）。

  12. 谢希仁4-29：152.7.77.159 和 152.31.47.252，匹配的前缀需同时覆盖两者。选项(4)152.0/11 覆盖 152.0.0.0~152.31.255.255，包含两个地址。其他选项不匹配。

  13. 谢希仁4-31：140.120.84.24/20，最小地址140.120.80.0，最大140.120.95.255，掩码255.255.240.0，地址数4096，相当于16个C类。

  14. 谢希仁4-33：136.23.12.64/26，划分为4个子网，每个子网前缀28位，地址数16，可用14个。子网地址：136.23.12.64/28, 136.23.12.80/28, 136.23.12.96/28, 136.23.12.112/28。每个子网最小地址：网络地址+1，最大地址：广播地址-1。

  15. 谢希仁4-45：167.199.170.82/27，掩码255.255.255.224，前缀长度27，后缀5，网络前缀167.199.170.64。

笔记结束

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