《MY网络基础知识》----网络层之IP协议（包含IPv4与IPv6）

ゝ一纸荒年。 2022-05-21 00:37 390阅读 0赞

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> OSI模型 </td> 
 <td> 协议 </td> 
 <td> 数据包叫法 </td> 
 <td> 常见设备 </td> 
 <td> 5层模型 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 应用层 </td> 
 <td> HTTP,DHCP,FTP </td> 
 <td> 报文 </td> 
 <td> 常见PC机，工作站，终端等 </td> 
 <td> 应用层 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 表示层 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 会话层 </td> 
 <td> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 传输层 </td> 
 <td> TCP/UDP </td> 
 <td> 传输协议分组，分组 </td> 
 <td> 网关 </td> 
 <td> 传输层 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 网络层 </td> 
 <td> IP协议，ICMP协议，IGMP协议 </td> 
 <td> IP包，IP数据报 </td> 
 <td> 路由器，三层交换机 </td> 
 <td> 网络层 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 数据链路层 </td> 
 <td> 以太网协议，ARP协议 </td> 
 <td> 帧，数据帧 </td> 
 <td> 交换机，网桥 </td> 
 <td> 数据链路层 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 物理层 </td> 
 <td> 802.3 </td> 
 <td> 比特流 </td> 
 <td> 网口，网线，集线器 </td> 
 <td> 物理层 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 一：IP（网际协议）协议 #

通常我们说的**IP协议指的是IPv4协议**，通常我们说的**IP地址默认也是指IPv4地址**。但是各种资料和书籍上都说IPv6将会用于未来。但是由于IPv4已经大规模使用了，替换掉也不是一天两天的事，所以IPv4 和IPv6都各了解一些。做个简单介绍。

# ![70][] #

# 二：IPv4和IPv6的报文对比 #

## 2.1 IPv4头部 ##

![70 1][]

其各个字段的含义如下：

**版本号：**协议版本号，IPv4为4，IPv6则为6（当然IPv6的头部不完全是这样，但是4个比特含义一致）

**首部长度：**首部长度指的是首部占32 bit字的数目，包括任何选项。因此IPv4首部最长为60个字节

**服务类型：**服务类型（TOS）字段包括一个3 bit的优先权子字段（现在已被忽略），4 bit的TOS子字段和1 bit未用位但必须置0。4 bit的TO S分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用

**数据报长度：**以字节为单位的整个IP数据报的长度（包括首部）。

标识、标志、片偏移：标识用来唯一确定主机发送的每一个IP数据报。标志和片偏移用来支持IP分片，当然它们必须和标识一起使用。IPv6则不允许在路由器分片，在IPv6中，分片和重组必须在源和目的进行

**生存时间：**数据报可以经过的路由器数，这使得IP数据报早晚会在网络中消失，即要么被消失，要么由于生存时间达到而“死亡”

**协议：**标识IP层承载的上一层协议类型，比如UDP/TCP/SCTP。

**首部校验和：**首部检验和字段是根据I P首部计算的检验和码。IPv6首部中不再包含首部校验和。

**源、目的地址：**源的IP地址和目的的IP地址

**选项：**最后一个字段是任选项，是数据报中的一个可变长的可选信息。主要包括：

安全和处理限制

记录路径（让每个路由器都记下它的I P地址）

时间戳（让每个路由器都记下它的I P地址和时间）

宽松的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的I P地址）

严格的源站选路（与宽松的源站选路类似，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址）。

## 2.2 IPv6头部 ##

![70 2][]

**版本。**长度为4位，对于IPv6，该字段必须为6。

**类别。**长度为8位，指明为该包提供了某种“区分服务”。该字段的定义独立于IPv6，目前尚未在任何RFC中定义。该字段的默认值是全0。

**流标签。**长度为20位，用于标识属于同一业务流的包。一个节点可以同时作为多个业务流的发送源。流标签和源节点地址唯一标识了一个业务流。

**净荷长度。**长度为16位，其中包括包净荷的字节长度，即IPv6头后的包中包含的字节数。这意味着在计算净荷长度时包含了IPv6扩展头的长度。

**下一个头。**这个字段指出了IPv6头后所跟的头字段中的协议类型。与IPv6协议字段类似，下一个头字段可以用来指出高层是TCP还是UDP，但它也可以用来指明IPv6扩展头的存在。

**跳极限。**长度为8位。每当一个节点对包进行一次转发之后，这个字段就会被减1。如果该字段达到0，这个包就将被丢弃。

**源地址。**长度为128位，指出了IPv6包的发送方地址。

**目的地址。**长度为128位，指出了IPv6包的接收方地址。这个地址可以是一个单播、多播或任意点播地址。如果使用了选路扩展头(其中定义了一个包必须经过的特殊路由)，其目的地址可以是其中某一个中间节点的地址而不必是最终地址。

## 2.3 IPv4头部与IPv6头部对比总结： ##

1.包头长度不存在了因为IPv6的头是固定长度。

2.服务类型字段变成了流类别。

3.数据报长度变成了净荷长度。IPv6的净荷长度中包含了扩展头，而IPv4数据报长度字段中则指明包含包头在内的整个数据报的长度。因而在IPv4中，路由器需要将数据报长度减去包头长度来计算包的净荷长度，而在IPv6中则无须这种计算。

4.数据报ID，标识和标志三个字段被删除了，因为它们在IPv4中用于数据报分片，但是IPv6中分片通过分片扩展头来实现而且必须在源设备完成。

5.生存字段变成了跳极限，使用方式类似

6.协议字段变成了下一个头。v4中协议字段用来指示高层的协议类别，但是这里的下一个头可以用来指示扩展头或者高层协议头。

7.头部校验和被删除，因为由于如TCP和UDP等高层协议均计算头的校验和， IPv4头校验显得有些多余，因此这个字段在IPv6中已消失。对于那些真的需要对内容进行身份验证的应用， IPv6中提供了身份验证头。

8.源目地址被扩展到了128比特。

#    三：IPv4与IPv6地址对比 #

## 3.1 IPv4地址 ##

**概括：**长度32位，表示用4个十进制点分制，x.x.x.x，每个x取值0-255

IPv4地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。

IPv4地址通常用“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数。例：点分十进IP地址（100.4.5.6），实际上是32位二进制数（01100100.00000100.00000101.00000110）。

因特网中，每台主机或路由器的接口都有一个IP地址。但是每个接口的IP地址不能随意选择，每个接口的IP地址的组成部分需要由其连接的子网来决定。

## 3.2 IPv6地址 ##

**概括：**长度128位，表示用8个十六进制冒号分制，x:x:x:x:x:x:x:x，每个x取值0x0000-0xffff

**介绍：**一个x通常叫做一个块。一共8个块

**IPv6地址的简写方法：**

1.一个块（块对应例子中的x）中的前面的0可以不用写。1111:2222:3333:0044:0055:0066:0077:0088简写为1111:2222:3333:44:55:66:77:88

2.全0的块可以省略，用::代替。如0:0:0:0:0:0:0:1省略为::1，20:0:0:0:0:0:0:1省略为20::1

为避免出现歧义，::只能用一次

## 3.3 IPv4与IPv6地址对比总结： ##

IPv4本地环回地址  127.0.0.0/8 通常只用127.0.0.1

IPv6本地环回地址  ::1/128

#  四：IP地址的历史演变 #

分类寻址->子网寻址->CIDR（无类别寻址）和聚合

## 4.1 分类寻址： ##

最初的设计是将IP地址分成了ABCDE5类，这介绍的太多了就不啰嗦了。即A类~E类。其中A、B、C3类（如下表格）由InternetNIC在全球范围内统一分配，D、E类为特殊地址。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 网络类别 </td> 
 <td> 最大网络数 </td> 
 <td> 第一个可用的网络号 </td> 
 <td> 最后一个可用的网络号 </td> 
 <td> 每个网络中的最大主机数 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> A </td> 
 <td> 126（2^7-2) </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> 126 </td> 
 <td> 16777214 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> B </td> 
 <td> 16384(2^14) </td> 
 <td> 128.0 </td> 
 <td> 191.255 </td> 
 <td> 65534 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> C </td> 
 <td> 2097152(2^21) </td> 
 <td> 192.0.0 </td> 
 <td> 223.255.255 </td> 
 <td> 254 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

![70 3][]

**分类寻址引出问题：**

一个IP地址块分配给一个站，该站内需要再细分，则无法实现，必须要再申请一个IP地址块。解决方法就是引入子网寻址。

## 4.2 子网寻址： ##

分配给每个站的一个IP地址块，可以由该站的管理员将它划分为多个子网，各个子网互相独立。各个子网间的联系通过路由。所以引出子网掩码的概念，用子网掩码和IP地址相与，得到网络段。在站外的路由器看到的还是ABCDE五类的IP地址寻址。还是可以根据之前的路由规则来路由。

**分类寻址和子网寻址仍未解决的问题：**

某个站用B类地址太多了造成浪费，用C类地址又不够使用。解决方法是改变原来的路由表示路由规则。采用CIDR无分类间路由。

## 4.3 CIDR无分类间路由 ##

在这种编址方案中IP地址被分为网络部分和主机部分两部分，并且具有形式a.b.c.d/x，其中x指示了第一部分中的比特数。前x比特被称为该地址的前缀。该组织内部的设备得IP都将具有该前缀，因而对于外部的路由器，它只需要一条指向该前缀的路由即可。当数据报进入该组织内部网络后，内部的路由器将根据32-x比特的信息转发数据报。

CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块”

**聚合：**

聚合技术是为了解决路由器的路由表项太多的问题

如：192.168.2.5/24对应转发端口2。192.168.3.5/24也对应转发端口2

那么路由表项就是192.168.0.0/16对应转发

[70]: /images/20220521/c7367a84bf84429fa0b14f4a48f551c3.png
[70 1]: /images/20220521/7da7b19f7ee0426096a44c0c51e186a3.png
[70 2]: /images/20220521/a61d544497c741cd8e118e8ab8cd54e7.png
[70 3]: /images/20220521/5d7262e20976492daf1269fd09bd0b24.png