【湖科大计网】4.2 IPv4

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IPv4概述

IPv4地址就是 Internet 上的 每一台主机（可上网设备都称为主机）的每一个接口分配一个在全世界范围内的唯一的32比特的标识符

用32为二进制位表示不方便阅读，记录，因此采用点分十进制表示

IPv4地址编制方法的三个阶段

1981：分类编址

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A类 image.png

B类 image.png

C类 image.png 题目

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1985：划分子网

为了避免IP地址大量浪费所采取的方案，在已分配的网络中的主机号的最高位借位来作为子网，为了区分借了几位做子网就又引入了子网掩码（可以用来表示借了几位用作子网）

子网掩码中使用连续的1来对应网络号与子网号，使用连续的0表示主机号，IP地址 & 子网掩码 = IP地址所在的网络地址（默认子网掩码：就是没有子网的时候，和上面一样，网络号全1，主机号全0）

image.png 题目

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1993：无分类编址

因为占用空间极多的C类网络地址没有得到充分利用，而且IPv4即将消耗殆尽，所以提出了无分类编址（CIDR）

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路由聚合（构建超网）

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IPv4地址不足所采取的方法

这只是在现有的基础上让其IP地址尽可能的够用，并没有从根本上解决IP不足的问题，还是需要IPv6

DHCP

  • 动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)常用于给主机动态地分配IP地址，它提供了即插即用联网的机制，这种机制允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手工参与，它只会为开机的主机分配 IP，当主机关机后就会回收 IP
  • DHCP是应用层协议，它是基于UDP的

工作原理

  1. 主机开机时会向DHCP服务器广播发送发现报文【事务ID，主机的MAC地址】，这时该主机就是DHCP客户端了，本地主机上的所有主机都能接收到该广播，但只有DHCP服务器才会处理该报文
  2. DHCP 收到发现报文后，先查自己数据库，来查看是否存在该MAC地址的配置信息，如果有，则直接用这些信息构建DHCP提供报文；若没有，则从服务器的IP地址池中分配一个地址【分配前使用ARP确认该地址未被主机使用】给客户端【广播，通过事务ID进行判断是否是自己要的】
  3. 若客户端收到多个DHCP服务器给的响应，会从中选一个使用，然后【广播发送询问请求，我用你的地址了哈】
  4. 若服务器同意客户端使用，则返回DHCP确认报文【广播】
  5. 这时主机才会使用该DHCP分配的IP地址【使用前还会用ARP进行检测，若已有人使用，则客户端发送DHCP谢绝报文，然后继续发现报文】

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NAT

VPN：如果同学在家需要访问学校的资源，就需要使用 VPN 技术

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工作原理 image.png

  • 使用NAT时需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，NAT路由器至少有一个有效的外部全球地址
  • 使用本地地址的主机和外界通信时，·NAT路由器使用NAT转换表将本地地址转换成全球地址，或将全球地址转换成本地地址
  • NAT转换表中存放着{本地IP地址:端口}到{全球IP地址:端口}的映射
  • 通过{ip地址:端口}这样的映射方式，可让多个私有IP地址映射到同一一个全球IP地址
  • NAPT 路由器：就是在原本直接将私有 ip 转换为 公网 ip 的情况，加上了端口，进一步充分利用 NAT 技术
  • 使用 NAT 技术的网络中，外网主机不能直接给内网主机发送请求，这就有了内网穿透

IPv4地址应用规划

定长子网掩码划分

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变长子网掩码划分

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ARP协议

ARP协议主要的作用：根据IP地址找MAC地址

ARP协议会将ARP报文封装成MAC帧进行广播发送（相当于局域网内进行广播），携带内容（当前自己的IP，MAC地址；然后需要获取MAC地址的IP地址），当前局域网都会获得，然后交给上层的ARP进行解析，如果发现不是发给自己的就丢弃，是自己的就将其放入自己的ARP高速缓存表，然后封装ARP响应的MAC帧（我的IP，MAC地址是什么）【请求是广播，响应是单播】

ARP没有安全验证装置，存在ARP攻击问题

IPv4 报文格式

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  1. 版本号：4个比特（IPv4，IPv6等）
  2. 首部长度：4个比特，单位4字节（最小10进制数5(只有固定部分)，最大15(固定部分+可变部分)）
  3. 可选字段：长度1-40字节不等，用来排错、测量以及安全等措施
  4. 填充部分：主要保证首部长度是 4 的整数倍
  5. 区分服务：8个比特
  6. 总长度：16比特，首部 + 载荷，可传输 65535 字节
  7. 标识、标志、片偏移：用来做IP数据报分片的
    1. 标识：一个数据报的多个片拥有一样的标识，用于接收方进行组合数据报
    2. 标志：DF位：是否允许分片；MF：是否还有分片；保留一位
    3. 片偏移16位，单位：8字节，标识当前分片的有效长度
  8. 生存时间：TTL 255，没经过一次路由转发就 --，等到这个值为0的时候就表示目的主机不可达，ping IP 可看到该值
  9. 协议：传输层所使用的协议编号
  10. 首部检验和：校验 IP 首部是否出错（IPv6不计算该值，因为 IP 不负责可靠传输）

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网际控制报文协议 ICMP

为了有效转发 IP 数据报和提高交付成功机会，引入 ICMP

主机或路由器使用 ICMP 来发送 差错报告报文和询问报文，被封装在 IP 数据报中

五种差错报告报文

  1. 终点不可达：当数据不能被交付时，就会向源主机发送终点不可达报文，如：网络不可达、目的主机不可达、目的端口不可达等 13 种错误
  2. 源点抑制：链路中发生拥塞丢弃报文就会返回这个
  3. 时间超过：TTL = 0
  4. 参数问题：首部校验和出现问题
  5. 改变路由【重定向】：源主机到目的主机有更优的路线，第一次传输就会返回改变路由报文，后序进行该目的主机发送就会走修改后的

以下情况不会发送 ICMP

  1. 对 ICMP 差错报告报文不应发送 ICMP 报错报文
  2. 对第一个分片的后序分片不再发送
  3. 对具有多播地址的数据报不发送 ICMP
  4. 对具有特殊地址（如：127.0.0.1，0.0.0.0）的报文不发送

ICMP 询问报文

  1. 回送请求和回答：向一个特定的主机发送询问，该主机必须回应 ICMP 回答报文，用于测试目的主机是否可达
  2. 时间戳请求和回答：用来进行时钟同步的（ICMP 时间戳回答报文中有一个 32 位字段，用于存储时间戳的）

ICMP 举例

  1. ping 命令：使用的就是回送请求和回答报文
  2. 跟踪路由：用来测试访问一个地址所经过的中转设备
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