IPV4基本知識介紹

轉自華為官網

1.1  介紹

 

定義

IPv4（Internet Protocol Version 4）協議族是TCP/IP協議族中最為核心的協議族。它工作在TCP/IP協議棧的網絡層，該層與OSI參考模型的網絡層相對應。網絡層提供了無連接數據傳輸服務，即網絡在發送分組時不需要先建立連接，每一個分組（也就是IP數據報文）獨立發送，與前后的分組無關。

 

目的

網絡層的IPv4協議族為數據鏈路層和傳輸層實現互通提供了保障。IPv4協議族可以屏蔽各鏈路層的差異，為傳輸層提供統一的網絡層傳輸標准。

 

1.2  原理描述

 

1.2.1  IPv4簡介

 

IPv4協議族

IPv4協議族是TCP/IP協議族中最為核心的協議族。IPv4協議族主要包括地址解析協議ARP（Address Resolution Protocol）、逆地址解析協議RARP（Reverse Address Resolution Protocol）、互聯網控制消息協議ICMP（Internet Control Message Protocol）、傳輸控制協議TCP（Transmission Contronl Protocol）和用戶數據報協議UDP（User Datagram Protocol）等協議。

圖1-1  IPv4協議族 

從圖1-1可以看出來，ARP和RARP的功能是地址解析，介於數據鏈路層和網絡層之間，所以常常被調用。ICMP協議的功能是為了更有效地轉發IP數據報文和提高數據報文交付成功的機會，是介於網絡層和傳輸層之間的協議。

 

ARP協議

ARP是用來將IP地址解析為MAC地址的協議，可以分為動態和靜態兩種類型。另外ARP還有擴展應用功能，包括Proxy ARP功能、免費ARP、ARP安全以及ARP-Ping。

 

RARP協議

RARP和ARP正好相反，是將主機的MAC地址解析為IP地址的協議。

 

ICMP協議

為了更有效地轉發IP數據報文和提高數據報文交付成功的機會，在網絡層使用ICMP協議。ICMP允許主機或路由器報告差錯情況和提供有關異常情況的報告。ICMP報文作為IP層數據報文的數據，加上數據報文的首部，組成IP數據報文發送出去。

 

1.2.2  IPv4地址

在IP網絡上，如果用戶要將一台計算機連接到Internet上，就需要向因特網服務提供方ISP（Internet Service Provider）申請一個IP地址。

IP地址是在計算機網絡中被用來唯一標識一台設備的一組數字。IPv4地址由32位二進制數值組成，但為了便於用戶識別和記憶，采用了“點分十進制表示法”。采用了這種表示法的IP地址由4個點分十進制整數來表示，每個十進制整數對應一個字節。例如，IPv4地址使用二進制的表示形式為00001010 00000001 00000001 00000010，采用點分十進制表示法表示為10.1.1.2。

IPv4地址由如下兩部分組成：

• 網絡號碼字段（Net-id）。IP地址的網絡號碼字段用來標識一個網絡，網絡號碼字段的前幾位用來區分IP地址的類型。

• 主機號碼字段（Host-id）。主機號碼字段用來區分一個網絡內的不同主機。對於網絡號相同的設備，無論實際所處的物理位置如何，它們都是處在同一個網絡中。

 

IPv4地址的特點

IPv4地址的主要特點有：

• IP地址是一種非等級的地址結構，IP地址不能反映任何有關主機位置的地理信息，只能通過網絡號碼字段判斷出主機屬於哪個網絡。

• 當一台主機同時連接到兩個網絡上時，該主機就必須同時具有兩個相應的IP地址，其網絡號碼Net-id是不同的，這種主機稱為多地址主機（Multihomed Host）。主機上的每個接口都對應着一個IP地址，因此多接口主機會有多個IP地址。

• 在IP地址中，所有分配到網絡號碼Net-id的網絡都是平等的。

 

IPv4地址分類

為了方便IP地址的管理及組網，IP地址分成五類，如圖1-2所示。

圖1-2  五類IP地址 

目前大量使用的IP地址屬於A、B、C三類IP地址中的一種。D類地址是組播地址，E類地址保留。A、B、C、D、E類的類別字段分別是二進制數0、10、110、1110、1111，通過網絡號碼字段的前幾個比特就可以判斷IP地址屬於哪一類，這是區分各類地址最簡單的方法。在IETF（Internet Engineering Task Force）發布的RFC1166 Internet Numbers中詳細描述了各類IP地址。

在使用IP地址時要注意，一些IP地址是保留作為特殊用途的，一般的用戶不能使用。表1-1列出各類IP地址的范圍。

表1-1  IP地址分類及范圍

網絡類型	地址范圍	說明
A	0.0.0.0～127.255.255.255	全0的主機號碼表示該IP地址就是網絡的地址，用於網絡路由；全1的主機號碼表示廣播地址，即對該網絡上所有的主機進行廣播。
B	128.0.0.0～191.255.255.255	全0的主機號碼表示該IP地址就是網絡的地址，用於網絡路由；全1的主機號碼表示廣播地址，即對該網絡上所有的主機進行廣播。
C	192.0.0.0～223.255.255.255	全0的主機號碼表示該IP地址就是網絡的地址，用於網絡路由；全1的主機號碼表示廣播地址，即對該網絡上所有的主機進行廣播。
D	224.0.0.0～239.255.255.255	D類地址是一種組播地址。
E	240.0.0.0～255.255.255.255	保留。255.255.255.255用於局域網廣播地址。

 

特殊IPv4地址

表1-2  特殊情況的IP地址

IP地址網絡號	IP地址主機號	能否作為源端地址	能否作為目的端地址	描述
全0	全0	可以	不可以	用於本網絡上的本主機
全0	主機號	可以	不可以	用於網絡上的特定主機
127	非全0或全1的任何值	可以	可以	用於環回地址
全1	全1	不可以	可以	用於受限的廣播（永遠不被轉發）
Net-id	全1	不可以	可以	用於向以Net-id為目的的網絡廣播

 說明：

Net-id表示不全為0和不全為1的對應字段。

 

私有IPv4地址

為了解決IP地址短缺的問題，提出了私有地址的概念。私有地址是指內部網絡或主機地址，這些地址只能用於某個內部網絡，不能用於公共網絡。RFC1918描述了為私有網絡預留的3個IP地址段。

表1-3  私有IP地址

網絡類型	地址范圍
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報文格式

IPv4報文格式如圖1-3所示。
圖1-3  IPv4報文格式 

一個IPv4數據報文由首部和數據兩部分組成。首部的前一部分是固定長度，共20個字節，是所有IPv4數據報必須具有的。在首部的固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的。

主要字段的解釋如表1-4所示。

表1-4  IPv4報文各字段的含義

字段	長度	含義
版本	4比特	IP協議的版本號，分為IPv4和IPv6協議。
首部長度	4比特	IPv4的首部長度。
區分服務	8比特	用來獲得更好的服務。只有在使用區分服務時，這個字段才起作用。
總長度	16比特	指首部和數據之和的長度。
標識	16比特	IPv4軟件在存儲器中維持一個計數器，每產生一個數據報，計數器就加1，並將此值賦給標識字段。
標志	3比特	目前只有兩位有意義。最低位為1表示后面“還有分片”的數據報，為0表示這已經是最后一個數據片；中間一位為1表示“不能分片”，為0才允許分片。
片位移	13比特	指出較長的分組在分片后，該片在原分組中的相對位置。
生存時間	8比特	表示數據報在網絡中的壽命，英文縮寫是TTL（Time To Live），功能是“跳數限制”。
協議	8比特	指出此數據報攜帶的數據是使用何種協議。
首部檢驗和	16比特	數據報每經過一個路由器，路由器都要重新計算一下首部檢驗和，若首部未發生變化，則此結果必為0，於是就保留這個數據報。這個字段只檢驗數據報的首部，但不包括數據部分。
源地址	32比特	報文發送方的IPv4地址。
目的地址	32比特	報文接收方的IPv4地址。
選項字段（長度可變）	0～40字節	用來支持排錯、測量以及安全等措施。在必要的時候插入值為0的填充字節。
數據部分	可變	用來填充報文。

 

1.2.4  子網划分

通過將IP地址的網絡部分進一步划分為若干個子網，解決了IP地址空間利用率低和兩級IP地址不夠靈活的問題。

當一個單位的主機很多而且分布在很廣的地理范圍時，為了便於管理，可將單位內部的主機號碼再進一步划分為多個子網。通過子網划分，整個網絡地址可以划分成更多的小網絡。

子網的划分是網絡內部的行為，從外部看，這個單位只有一個網絡號碼。只有當外部的報文進入到本單位范圍后，本單位的路由設備才根據子網號碼再進行選路，找到目的主機。

如圖1-4所示，為一個B類IP地址子網划分情況，其中子網掩碼由一串連續的“1”和一串連續的“0”組成。“1”對應於網絡號碼和子網號碼字段，而“0”對應於主機號碼字段。
圖1-4  IP地址子網划分 

圖1-4中，把一個B類地址的Host-id的高位5bits用來划分子網，Subnet-id的范圍是從00000～11111，總共可以划分2⁵（32）個子網出來。對應的子網掩碼也會相應的發生變化，比如Subnet-id為11111的子網掩碼就是255.255.248.0。將IP地址與其相應掩碼位執行與運算的結果就是網絡地址。

多划分出一個子網號碼字段是要付出代價的。舉例來說，本來一個B類IP地址可以容納65534個主機號碼。但划分出5bits長的子網字段后，最多可有32個子網，每個子網有11bit的主機號碼，即每個子網最多可有2046（2¹¹-2，去掉全1和全0的主機號碼）個主機號碼。因此主機號碼的總數是（32 x 2046 = 65472）個，比不划分子網時要少62個。

子網划分與IP地址規划時，通常需要綜合考慮以下原則，實現合理高效的網絡規划。

 

層次性

實現網絡的層次性划分，需要綜合考慮地域和業務因素，采用自頂向下的方法划分，達到有效管理網絡、簡化路由表的目標。一般情況下：

• 對於大骨干網絡和大城域網絡相結合的網絡，采用層次性划分方式。
• 對於行政區類型的網絡，采用多級網絡分配方式。

 

連續性

連續地址在層次結構的網絡中易於進行路由聚合，大大縮減路由表數量，提高路由查找的效率。

• 盡量為每個區域分配連續的IP地址空間。
• 盡量為具有相同業務和功能的設備分配連續的IP地址。

 

擴展性

分配地址時，在每一層次上都要留有余量。當網絡規模擴展時能保證地址分配的連續性，實現網絡的長遠規划。

骨干網絡應有足夠的連續地址組成獨立的自治域，並為今后的擴展留有余地。

 

高效性

划分子網時，要保證充分利用地址資源，使子網的划分滿足主機個數的要求。

• 利用可變長子網掩碼VLSM（Variable Length Subnet Mask）技術分配IP地址，充分合理地利用地址資源。
• 與網絡的路由機制設計相結合，合理使用已划分的地址空間，提高地址的利用率。

 

1.2.5  IP地址解析

一台路由設備用來連接多個網絡，具有多個網絡的IP地址。為保證用戶使用IP地址進行正常通信，需要滿足如下兩點：

• IP地址只是主機在網絡層中的地址，若要將網絡層中傳送的數據報交給目的主機，必須知道該主機的物理地址，因此必須將IP地址解析為物理地址。

• 用戶平時不願意使用難於記憶的IP地址，而更願意使用易於記憶的主機名，因此也需要將主機名解析為IP地址。

在以太網上，主機的物理地址就是指MAC地址。將主機名解析為IP地址的操作是由DNS服務器來完成，而將IP地址解析為MAC地址的操作是由ARP來完成的，詳細內容請參見DNS和ARP章節內容。

 

1.3  參考標准和協議

本特性的參考資料清單如下：

 

文檔	描述	備注
RFC1166	Internet Numbers	-
RFC1918	Address Allocation for Private Internets	-