计算机网络之IPV4、寻址

一、IPV4数据报格式

IP协议目前有连个版本即IPV4和IPV6，先来看IPV4，IPV4的数据报格式如图所示

IPv4数据报的关键字段如下：

• 版本：这四个比特申明了IP数据报的版本号，通过查看不同的版本号，路由器能够确定怎么解释IP数据报的内容，不同版本的IP数据报格式不一样
• 首部长度：因为IP数据报中包含一些可变数量的选项，所以需要这四个比特来确定数据报中运输层报文开始的地方。
• 服务类型：区分不同类型的数据报（例如一些要求低延迟、高吞吐量的数据报等等。）
• 数据报长度：IP数据报的总长度，该字段有16比特长度，所以理论上数据报的最大长度为65535，但实际上数据报的长度不会超过1500字节。
• 标识、标志、片偏移与IP分片有关
• 寿命（TTL）：该字段保证该数据报不会再网络中永远循环，每被一台路由器处理一次，其值减一，变为0时，则该数据报必须被丢弃。
• 上层协议：标明该数据报应该交给什么运输层协议处理，TCP还是UDP。
• 帮助路由器检验IP数据报是否出现比特错误吗，若有差错则丢弃该数据报。
• 选项：选项字段允许IP数据报对首部进行扩展，如某些IP数据报有特殊的需求，优先转发等等。
• 数据： 运输层报文。

二、IPv4数据报分片

一个链路层帧能够承载的最大数据量称最大传输单元（MTU）,每个数据报被封装在链路层帧中从一台路由器传输到令一台路由器，所以链路层协议的MTU严格的限制着数据报的最大长度。
要发送一个数据报一般要经过很多的路由器，而在这些路由器间可能有不同的链路层协议，也就有不同的MTU,当数据报从一个较大的MTU向一个较小的MTU传输时，这就出现一个问题数据报的长度超出了下一个链路层的MTU,所以这时这个分界点路由器就要把数据报分片成下一个链路层能够传输的多个较小的数据报。
当数据报到达目的地之后，需要把它还原成从发送端系统发出的样子，这个过程是在接收方的端系统上完成的。为了正确地完成组装任务，IPv4的设计者将标识，标志，片偏移放在IP数据报上。当发送方生成一个数据报时，发送方主机为其贴上标识序号，发送序号一般递增+1，为了使接收方确认收到了所有的分片，最后一个分片被路由器置为0，其他的为1。片偏移则表明了分片在原数据报中的序号。

三、IPv4编址

1、接口的概念

主机和物理链路之间的边界或路由器和它的任意一条链路之间的边界叫接口

2、关于IP地址的理解

主机通常只有一条物理链路从而连入网络，路由器是从多条链路接收数据报并从某条链路上转发出去，，因此路由器有多个接口，IP要求每台主机和路由器接口拥有自己的IP地址，因此，IP地址是关于接口的。而不是关于主机或路由器的。

3、IP地址格式

每个IP地址长度为32比特，因此总共大约有40亿个可能的IP地址。IP的书写格式为点分十进制记法，各字节用句点隔开。例如193.32.216.9。每台主机或路由器上的接口必须有唯一的IP地址，一个IP地址的一部分由其连接的子网来决定。

4、子网的概念

如图为一个子网的示例图。

互联这三个主机接口与这个路由器接口的网络形成一个子网。IP编址为这个子网分配一个地址233.1.1.0/24，其中的/24有事被称为子网掩码，指示其中32比特中的前24为第一了子网的地址。连接在此子网上的主机都具有233.1.1.xxx的形式。

同样路由器端到端也形成一个子网 。
子网的具体定义为：
为了确定子网，分开主机和路由器的每个接口，产生几个隔离的网络岛，使用接口端接这些隔离的网络的端点。这些隔离的网络中的每一个都叫做一个子网。

四、IPv4编址

1、IP地址的分配策略

因特网的地址分配策略被称为无类别域间路由选择（CIDR），CIDR将子网寻址的概念一般化了，当使用子网寻址时，32比特的IP地被分为两部分，a.b.c.d/x, 其中x指示了地址的第一部分的比特数，形式为a.b.c.d/x地址的x最高比特构成了IP地址的网络部分，并且被常称为该IP地址的前缀，一个组织通常被分配一块连续的地址，即具有相同的前缀，当组织外部的某一台路由器要向该组织中的某一台主机传输数据报时，只需考虑目的IP的前缀，数据报到该组织中之后，再找这台主机。这样大大减少了路由器转发表的长度。
一个ISP拥有一块连续的IP地址，同样路由器端到端也形成一个子网 。子网的具体定义为：为了确定子网，分开主机和路由器的每个接口，产生几个隔离的网络岛，使用接口端接这些隔离的网络的端点。这些隔离的网络中的每一个都叫做一个子网。IPv4编址因特网的地址分配策略被称为无类别域间路由选择（CIDR），CIDR将子网寻址的概念一般化了，当使用子网寻址时，32比特的IP地被分为两部分，a.b.c.d/x, 其中x指示了地址的第一部分的比特数，形式为a.b.c.d/x地址的x最高比特构成了IP地址的网络部分，并且被常称为该IP地址的前缀，一个组织通常被分配一块连续的地址，即具有相同的前缀，当组织外部的某一台路由器要向该组织中的某一台主机传输数据报时，只需考虑目的IP的前缀，数据报到该组织中之后，再找这台主机。这样大大减少了路由器转发表的长度。
一个ISP拥有一块连续的IP地址，其下又有若干个组织（学校、公司、社区等等）
ISP将自己拥有的IP地址分为若干块给他下面的组织，组织中的主机享用拥有该组织的前缀的IP地址。

2、主机获取IP地址：动态主机配置协议

某组织一旦获取了一块IP地址，就可以为本组织内的主机与路由器接口分配IP地址了，系统管理员通常手动为路由器接口配置ＩＰ地址，但为主机接口配置一般使用动态主机配置协议（DHCP），网络管理员能够配置ＤＨＣＰ让每台主机每次连入网络时能够获得同一个IP地址或者获得一个临时的IP地址。由于它的自动能力，它又被称为即插即用协议和零配置协议。
DHCP协议是一个客户-服务器协议。客户通常是新到达的主机在最简单的场合下，每个子网中都有一台DHCP服务器，如果在某子网中没有DHCP服务器，则需要一个DHCP中继代理（通常是一台路由器），这个代理知道用于该网络的DHCP服务器的地址。
DHCP协议的工作原理为：
当一台主机要连入网络时，分为四个步骤,如图所示

• DHCP服务器发现：一台新到达的主机的首要任务就是发现与其交互的DHCP服务器，但是它不知道自己要连入子网的IP地址，更不知道ＤＨＣＰ服务器的IP地址。解决的方法是：DHCP客户生成包含DHCP报文的IP数据报，通过UDP向67号端口发送该报文，目的IP地址使用广播IP地址（255.255.255.255）【当一台主机发出一个目的地为255.255.255.255的数据报时，该报文会交付给同一网络中的所有主机，路由器也会有选择的向邻近的子网发送该报文，但一般不这样做】并且源IP地址为0.0.0.0
• DHCP服务器提供：DHCP服务器收到一个DHCP报文时，用DHCP提供报文向客户做出回应，该报文的目的IP仍为广播IP地址，，因为每个子网中可能存在几个DHCP服务器,每台服务器提供的报文包含发现报文事物的ID，向客户推荐的IP地址，网络掩码以及IP地址租用期，一般为几小时或几天。
• DHCP请求：客户从一个或多个服务器的提供中选择一个，并向选中的服务器发送DHCP请求报文进行响应，回显配置的参数。
• DHCP ACK：DHCP服务器向客户发送DHCP ACK 报文对DHCP请求报文进行响应，证实要求的参数。
  一旦客户收到DHCP ACK 后交互便完成了，客户便可以在租用期内使用该IP地址了，DHCP还提供一种服务就是，允许客户更新它对一个IP 地址的租用。