Ipv4网络

IPv4数据报格式

首部各字段描述

  • 版本号：用来确定IP协议的版本（比如IPv4还是IPv6），路由器根据版本号来判断怎样解析首部其他的字段信息，不同协议版本，数据报格式不同。——4比特
  • 首部字段：IPv4协议包含一些可选字段，即首部长度不固定，该字段用来确定首部长度，大多数版本的IP协议不包含可选字段，因此通常IP首部一般长20个字节。——4比特
  • 服务类型(TOS)：有些数据报要求低时延\高吞吐量\可靠性传输。——8比特
  • 数据报长度：IP数据报总长度，以字节计算，包括IP首部和运输层报文段的长度，因为以太网帧最大传输单元不超过1500字节，所以一般数据报长度一般不超过1500字节。——16比特
  • 标识，标志，片偏移：与IP分片相关。——16比特——3比特——13比特
  • 寿命：每次经过一个路由器该值减一，当该值为0时必须丢弃该数据报。——8比特
  • 上层协议：IP数据报的数据部分应该交给哪个特定的运输层协议，跟运输层要存储哪个端口号来接收信号，即沟通运输层跟应用层。链路层帧也有一个字段来连接链路层跟网络层。——8比特
  • 首部检验和：将首部中的每两个字节当作一个数，按反码求和，用来检验首部信息是否发生错误，运输层的检验和是对整个报文段包括数据部分进行检验。——16比特
  • 源IP地址。——32比特
  • 目的地址。——32比特
  • 可有选项（IPv6已经不包含该选项）。
  • 数据部分。——有效载荷（要传输的数据）。
    若IP数据报不包含可有选项则首部一共有20个字节

IPv4数据报的分片

MTU:链路层帧的最大传输单元，限制着IP数据报的长度。
现在考虑一种情况，一个数据长度为4000字节的数据报进行传播，但是当他被一个路由器转发时，出链路帧的MTU为1500字节，该数据报必须被分割为小的数据报，即数据分片。
然后我们要考虑怎样分片以后的数据报我们怎么再把它拼接起来，什么时候拼接。

什么时候拼接？

假如我们在到达目的地前就拼接，那么在剩下的链路中仍然有被分片的可能，而且这样增加多次拆分和拼接的操作无疑增加了路由器的负担，所以应该在目的地进行拼接。

怎么拼接？

在IP首部的字段中有标志，标识，偏移。
目的端系统根据16比特的标识来确定属于哪个数据报，标识位在源端系统发送分组时就进行设置。
由于IP是不可靠的，所以怎末判断分片是否丢失已成功到达，就要根据，标志位信息，最后一个分片的标志位信息一般设置为0，而其他标志位信息设置为1。
偏移字段用来指示，该分片在原数据报的位置，使其能够正确拼接。

Ipv4编址

主机通常与路由器由一根链路相连，主机跟链路之间的边界叫做接口。路由器跟它任意一条链路之间的边界也叫做接口。因为每台主机与路由器都能发送和接受IP数据报因此，每台主机跟路由器都有自己的IP地址。一个IP跟一个接口相关联，而不是一个主机与一个IP相关联。
223.1.1.0/24其中24表示IP地址的前24位信息为IP所在子网的地址信息,称之为网络前缀。
因特网的地址分配策略无类别域间路由选择（CIDR）
IP地址聚合，就是把两个小网络合并为一个大网络，主要是通过修改子网位实现。通俗点说就是合为一个网段。要计算IP地址聚合后的地址，其实就是比较几个IP的网络前缀，相同的部分有多少位，这多少位就是聚合后的IP。
利用IP聚合可以减小ISP服务器的负担。
在CIDR被采用之前，IP地址的网络前缀部分长度被限制为8，16或24比特（分类编址也就是A，B，C类网络）。但是分类网络的地址利用率不高。
当一台主机发送255.255.255.255的数据报时，该报文交付给同一网络中的所有主机。该路由器也会有选择的向邻近子网转发该报文。

一个子网是如何给它内部的端系统分配IP的呢？

一般网络管理员通过DHCP（动态主机配置协议）来管理子网内的地址。接下来我们看一下DHCP的工作步骤。

  • DHCP服务器发现
    当一台主机刚到一个区域，他会通过67端口发送一个UDP传输协议的IP数据报(此时本主机还没有自己的IP，IP数据报的源IP使用0.0.0.0)。目的地址为广播地址255.255.255.255。DHCP客户将该IP传递给链路层，链路层将该帧广播到所有节点。该报文叫做DHCP发现报文。
  • DHCP服务提供
    当一台DHCP服务器收到该报文后，或发送一个DHCP提供报文（通过广播），里边包含，DHCP服务器的IP以及申请的IP地址，事务ID(可能同时有多个主机申请IP，用来辨别),子网掩码，地址租用期(IP地址有效时间量)。
  • DHCP请求
    请求主机拿到DHCP服务器提供报文后，使用新的事物id，使用源IP(0.0.0.0)目的IP为选择的DHCP服务器地址，发送报文，注意这次不是使用广播，回显数据。
  • DHCP ACK
    DHCP服务器确认并广播ACK。
    客户收到ACK以后就可以在指定的时间内使用该IP。（地址的使用时间可以在不改变IP的情况下更新）

网络地址转换

每个IP联网设备都要一个IP地址，如果一个办公室网络如果被ISP分配了一段IP地址，随着该办公室的发展对IP地址需求增加，ISP就要重新分配一段IP地址给该办公室使用。家庭的路由器网络就是一个典型例子。
家庭中的每台设备都被NAT路由器分配一个ip，该ip由NAT路由器自主分配，该ip也仅在家庭网络内有效,所有设备共用同一个IP。
NAT路由器会从ISP拿到一个IP，然后NAT路由器上会运行DHCP服务器，为家庭内的联网设备提供ip，并且该NAT路由器会维护一张NAT转换表，表中记录LAN端ip以及端口号
以及WAN端的IP（即该NAT路由器被ISP分配的ip）以及端口号。当外界的请求返回时，NAT路由器会查询NAT转换表根据WAN短的端口号确定LAN端的ip以及端口号，并进行分发。
NAT工作流程就是，将内网往外界发送的的源IP地址换为自己的IP，以及更改后的端口号，等会请求回来后，将目的端口号跟IP改为本来的ip跟端口号再分发到子网特定主机。