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1.1 介绍
定义
IPv4（Internet Protocol Version 4）协议族是TCP/IP协议族中最为核心的协议族。它工作在TCP/IP协议栈的网络层，该层与OSI参考模型的网络层相对应。网络层提供了无连接数据传输服务，即网络在发送分组时不需要先建立连接，每一个分组（也就是IP数据报文）独立发送，与前后的分组无关。
目的
网络层的IPv4协议族为数据链路层和传输层实现互通提供了保障。IPv4协议族可以屏蔽各链路层的差异，为传输层提供统一的网络层传输标准。
1.2 原理描述
1.2.1 IPv4简介
IPv4协议族
IPv4协议族是TCP/IP协议族中最为核心的协议族。IPv4协议族主要包括地址解析协议ARP（Address Resolution Protocol）、逆地址解析协议RARP（Reverse Address Resolution Protocol）、互联网控制消息协议ICMP（Internet Control Message Protocol）、传输控制协议TCP（Transmission Contronl Protocol）和用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）等协议。
图1-1 IPv4协议族
从图1-1可以看出来，ARP和RARP的功能是地址解析，介于数据链路层和网络层之间，所以常常被调用。ICMP协议的功能是为了更有效地转发IP数据报文和提高数据报文交付成功的机会，是介于网络层和传输层之间的协议。
ARP协议
ARP是用来将IP地址解析为MAC地址的协议，可以分为动态和静态两种类型。另外ARP还有扩展应用功能，包括Proxy ARP功能、免费ARP、ARP安全以及ARP-Ping。
RARP协议
RARP和ARP正好相反，是将主机的MAC地址解析为IP地址的协议。
ICMP协议
为了更有效地转发IP数据报文和提高数据报文交付成功的机会，在网络层使用ICMP协议。ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP报文作为IP层数据报文的数据，加上数据报文的首部，组成IP数据报文发送出去。
1.2.2 IPv4地址
在IP网络上，如果用户要将一台计算机连接到Internet上，就需要向因特网服务提供方ISP（Internet Service Provider）申请一个IP地址。
IP地址是在计算机网络中被用来唯一标识一台设备的一组数字。IPv4地址由32位二进制数值组成，但为了便于用户识别和记忆，采用了“点分十进制表示法”。采用了这种表示法的IP地址由4个点分十进制整数来表示，每个十进制整数对应一个字节。例如，IPv4地址使用二进制的表示形式为00001010 00000001 00000001 00000010，采用点分十进制表示法表示为10.1.1.2。
IPv4地址由如下两部分组成：
-
网络号码字段（Net-id）。IP地址的网络号码字段用来标识一个网络，网络号码字段的前几位用来区分IP地址的类型。
-
主机号码字段（Host-id）。主机号码字段用来区分一个网络内的不同主机。对于网络号相同的设备，无论实际所处的物理位置如何，它们都是处在同一个网络中。
IPv4地址的特点
IPv4地址的主要特点有：
-
IP地址是一种非等级的地址结构，IP地址不能反映任何有关主机位置的地理信息，只能通过网络号码字段判断出主机属于哪个网络。
-
当一台主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号码Net-id是不同的，这种主机称为多地址主机（Multihomed Host）。主机上的每个接口都对应着一个IP地址，因此多接口主机会有多个IP地址。
-
在IP地址中，所有分配到网络号码Net-id的网络都是平等的。
IPv4地址分类
为了方便IP地址的管理及组网，IP地址分成五类，如图1-2所示。
图1-2 五类IP地址
目前大量使用的IP地址属于A、B、C三类IP地址中的一种。D类地址是组播地址，E类地址保留。A、B、C、D、E类的类别字段分别是二进制数0、10、110、1110、1111，通过网络号码字段的前几个比特就可以判断IP地址属于哪一类，这是区分各类地址最简单的方法。在IETF（Internet Engineering Task Force）发布的RFC1166 Internet Numbers中详细描述了各类IP地址。
在使用IP地址时要注意，一些IP地址是保留作为特殊用途的，一般的用户不能使用。表1-1列出各类IP地址的范围。
表1-1 IP地址分类及范围
|
网络类型 |
地址范围 |
说明 |
|---|---|---|
|
A |
0.0.0.0～127.255.255.255 |
全0的主机号码表示该IP地址就是网络的地址，用于网络路由；全1的主机号码表示广播地址，即对该网络上所有的主机进行广播。 |
|
B |
128.0.0.0～191.255.255.255 |
全0的主机号码表示该IP地址就是网络的地址，用于网络路由；全1的主机号码表示广播地址，即对该网络上所有的主机进行广播。 |
|
C |
192.0.0.0～223.255.255.255 |
全0的主机号码表示该IP地址就是网络的地址，用于网络路由；全1的主机号码表示广播地址，即对该网络上所有的主机进行广播。 |
|
D |
224.0.0.0～239.255.255.255 |
D类地址是一种组播地址。 |
|
E |
240.0.0.0～255.255.255.255 |
保留。255.255.255.255用于局域网广播地址。 |
特殊IPv4地址
表1-2 特殊情况的IP地址
|
IP地址网络号 |
IP地址主机号 |
能否作为源端地址 |
能否作为目的端地址 |
描述 |
|---|---|---|---|---|
|
全0 |
全0 |
可以 |
不可以 |
用于本网络上的本主机 |
|
全0 |
主机号 |
可以 |
不可以 |
用于网络上的特定主机 |
|
127 |
非全0或全1的任何值 |
可以 |
可以 |
用于环回地址 |
|
全1 |
全1 |
不可以 |
可以 |
用于受限的广播（永远不被转发） |
|
Net-id |
全1 |
不可以 |
可以 |
用于向以Net-id为目的的网络广播 |
Net-id表示不全为0和不全为1的对应字段。
私有IPv4地址
为了解决IP地址短缺的问题，提出了私有地址的概念。私有地址是指内部网络或主机地址，这些地址只能用于某个内部网络，不能用于公共网络。RFC1918描述了为私有网络预留的3个IP地址段。
表1-3 私有IP地址
|
网络类型 |
地址范围 |
|---|---|
|
A |
10.0.0.0～10.255.255.255 |
|
B |
172.16.0.0～172.31.255.255 |
|
C |
192.168.0.0～192.168.255.255 |
1.2.3 IPv4报文格式
IPv4报文格式如图1-3所示。
图1-3 IPv4报文格式
一个IPv4数据报文由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共20个字节，是所有IPv4数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。
主要字段的解释如表1-4所示。
表1-4 IPv4报文各字段的含义
|
字段 |
长度 |
含义 |
|---|---|---|
|
版本 |
4比特 |
IP协议的版本号，分为IPv4和IPv6协议。 |
|
首部长度 |
4比特 |
IPv4的首部长度。 |
|
区分服务 |
8比特 |
用来获得更好的服务。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。 |
|
总长度 |
16比特 |
指首部和数据之和的长度。 |
|
标识 |
16比特 |
IPv4软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。 |
|
标志 |
3比特 |
目前只有两位有意义。最低位为1表示后面“还有分片”的数据报，为0表示这已经是最后一个数据片；中间一位为1表示“不能分片”，为0才允许分片。 |
|
片位移 |
13比特 |
指出较长的分组在分片后，该片在原分组中的相对位置。 |
|
生存时间 |
8比特 |
表示数据报在网络中的寿命，英文缩写是TTL（Time To Live），功能是“跳数限制”。 |
|
协议 |
8比特 |
指出此数据报携带的数据是使用何种协议。 |
|
首部检验和 |
16比特 |
数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算一下首部检验和，若首部未发生变化，则此结果必为0，于是就保留这个数据报。这个字段只检验数据报的首部，但不包括数据部分。 |
|
源地址 |
32比特 |
报文发送方的IPv4地址。 |
|
目的地址 |
32比特 |
报文接收方的IPv4地址。 |
|
选项字段（长度可变） |
0～40字节 |
用来支持排错、测量以及安全等措施。在必要的时候插入值为0的填充字节。 |
|
数据部分 |
可变 |
用来填充报文。 |
1.2.4 子网划分
通过将IP地址的网络部分进一步划分为若干个子网，解决了IP地址空间利用率低和两级IP地址不够灵活的问题。
当一个单位的主机很多而且分布在很广的地理范围时，为了便于管理，可将单位内部的主机号码再进一步划分为多个子网。通过子网划分，整个网络地址可以划分成更多的小网络。
子网的划分是网络内部的行为，从外部看，这个单位只有一个网络号码。只有当外部的报文进入到本单位范围后，本单位的路由设备才根据子网号码再进行选路，找到目的主机。
如图1-4所示，为一个B类IP地址子网划分情况，其中子网掩码由一串连续的“1”和一串连续的“0”组成。“1”对应于网络号码和子网号码字段，而“0”对应于主机号码字段。
图1-4 IP地址子网划分
图1-4中，把一个B类地址的Host-id的高位5bits用来划分子网，Subnet-id的范围是从00000～11111，总共可以划分25（32）个子网出来。对应的子网掩码也会相应的发生变化，比如Subnet-id为11111的子网掩码就是255.255.248.0。将IP地址与其相应掩码位执行与运算的结果就是网络地址。
多划分出一个子网号码字段是要付出代价的。举例来说，本来一个B类IP地址可以容纳65534个主机号码。但划分出5bits长的子网字段后，最多可有32个子网，每个子网有11bit的主机号码，即每个子网最多可有2046（211-2，去掉全1和全0的主机号码）个主机号码。因此主机号码的总数是（32 x 2046 = 65472）个，比不划分子网时要少62个。
子网划分与IP地址规划时，通常需要综合考虑以下原则，实现合理高效的网络规划。
层次性
实现网络的层次性划分，需要综合考虑地域和业务因素，采用自顶向下的方法划分，达到有效管理网络、简化路由表的目标。一般情况下：
- 对于大骨干网络和大城域网络相结合的网络，采用层次性划分方式。
- 对于行政区类型的网络，采用多级网络分配方式。
连续性
连续地址在层次结构的网络中易于进行路由聚合，大大缩减路由表数量，提高路由查找的效率。
- 尽量为每个区域分配连续的IP地址空间。
- 尽量为具有相同业务和功能的设备分配连续的IP地址。
扩展性
分配地址时，在每一层次上都要留有余量。当网络规模扩展时能保证地址分配的连续性，实现网络的长远规划。
骨干网络应有足够的连续地址组成独立的自治域，并为今后的扩展留有余地。
高效性
划分子网时，要保证充分利用地址资源，使子网的划分满足主机个数的要求。
- 利用可变长子网掩码VLSM（Variable Length Subnet Mask）技术分配IP地址，充分合理地利用地址资源。
- 与网络的路由机制设计相结合，合理使用已划分的地址空间，提高地址的利用率。
1.2.5 IP地址解析
一台路由设备用来连接多个网络，具有多个网络的IP地址。为保证用户使用IP地址进行正常通信，需要满足如下两点：
-
IP地址只是主机在网络层中的地址，若要将网络层中传送的数据报交给目的主机，必须知道该主机的物理地址，因此必须将IP地址解析为物理地址。
-
用户平时不愿意使用难于记忆的IP地址，而更愿意使用易于记忆的主机名，因此也需要将主机名解析为IP地址。
在以太网上，主机的物理地址就是指MAC地址。将主机名解析为IP地址的操作是由DNS服务器来完成，而将IP地址解析为MAC地址的操作是由ARP来完成的，详细内容请参见DNS和ARP章节内容。
1.3 参考标准和协议
本特性的参考资料清单如下：
|
文档 |
描述 |
备注 |
|---|---|---|
|
RFC1166 |
Internet Numbers |
- |
|
RFC1918 |
Address Allocation for Private Internets |
- |