ip基础---ipv4

原创于 2025-05-23 09:53:03 发布 · 641 阅读

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#网络 #tcp/ip #网络协议

前面学习了路由协议和路由控制，现在我们来重新回顾下基础的东西，ipv4和ipv6，就会觉得原来网工其实也不难，实际上现实工作中，网工需要用的协议是很少的，但再少ip也是最基础的知识。

一、背景

学习ip地址前，我们先来看看目前ipv4和ipv6占比情况，2025年：在中国：固网ipv6占27%，移动网络占70%，总体占45%；在世界：总体占比39%。所以呢，虽然ipv4地址2011年就用完了，但ipv6部署到现在20多年还没能完全取代ipv4，那么ipv4和ipv6估计得陪伴现有的网络工作者一辈子了。

二、ipv4是什么

ipv4是协议族tcp/ip中最为核心的协议，它工作在网络层，该层与osi中网络层相对应。而我们后面要学的ipv6则是网络层第二代标准协议，也被称为ipng（ip next generation）。

三、ipv4报文

由上图我们可以得知，ip头部（网络层）是在以太网（数据链路层）和tcp（传输层，udp也是常见传输层协议）中间，它固定长度20字节，可变长度0-40字节，接下来我们看下报文组成：

①、version： 4bit，4代表ipv4,6代表ipv6。

②、header length：4bit（取值5-15），首部长度，如果不带option字段，则是20，带了最长为60。（15*4，因为采用4字节为基本计数单位，上面一横排就是4字节，所以头部长度是4的倍数，又因为取值5-15，所以取值为20-60字节中4的倍数的整数，后面的填充字段padding也是在添加options后不够4字节倍数时填充）

③、type of service：8bit，服务类型，qos差分服务起作用。

传统tos：3位优先级，4位服务类型（延迟/吞吐量/可靠性/成本），1位保留位；

现代dscp：6位共64种服务等级标示优先级，最低2位用于ecn显式拥塞通知。

dscp编码规则：（4种）

兼容TOS（CS）：CS0-CS8。CS：CSn:xxx000（二进制x组成10进制n）,如cs7为111000=56

默认PHB（BE）：dscp=0，尽力而为服务。BE：000000=0

加速转发（EF）：dscp=46，低延迟，低抖动，低丢包。EF：101110=46

保证转发（AF）：分为4类（AF1-AF4），每类分3个丢弃低中高优先级。AF：最低位固定为0，倒数第二位第三位01（1）代表低丢弃优先级，10（2）为中，11（3）为高，前3位则表示AF1-AF4（001,010,011,100）.如AF32=011100=28，AF21=010010=18

④、total length：16bit，总长度，整个IP数据包的长度。理论范围为20-65535（2的16次方-1），实际在以太网中受MTU限制，一般不超过1500字节，报文太大了就需要分片了。

⑤、identification：16bit，标识符；flags：3bit，标志位；fragment oddset：13bit，片偏移

identification：标识同一原始数据的所有分片，每个原始数据报分配唯一的id值，每发送id递增1

flags：从左到右，位0保留位置0；位1DF（1禁止分片，0允许分片）；位2MF（1后续还有分片，0最后一个分片）

fragment：指当前分片数据在原始数据报中的起始位置，以8字节为单位，例如：MTU为1500字节，原始数据报为3000字节（即20头部+2980数据），首包偏移量为0，二包偏移量为185（1480/8）,尾包偏移量为370（2980/8）

⑥、time to live：8bit，生存空间。0-255；通过逐跳递减机制保证数据包不会永远在网络中存在，当为0时数据包将被丢掉。之前我们学过的ebgp使用router id作为源接口时就需要把next-hop值设为2，因为默认为1

⑦、protocol：8bit，协议，下一层协议，如上面的tcp。决定接收方将数据交付给tcp/udp等特定协议处理，2025年加了2个协议，144新型物联网实验性分配，153量子安全隧道（QSTP）。

⑧、header checksum：16位，首部校验和。用于检测头部在传输过程中是否发生错误，每跳更新，计算采用反码求和算法。

例：原始16进制数据为：E34F2396442799F3；

相加：E34F + 2396 = 106E5 → 06E5 + 1 = 06E6（进位不丢弃加到低位）
06E6 + 4427 = 4B0D
4B0D + 99F3 = E500
取反：~(E500) = 1AFF
最终校验和为1AFF
接收方验证时，将所有16bit字(包括1AFF)相加：

E34F + 2396 + 4427 + 99F3 + 1AFF = FFFF (验证通过)

⑨、source destination ipaddress：各32bit，源目ip地址。

⑩、options：可变，选项字段；padding：可变，填充字段，全填0。

options：在固定20字节之后，包括option type，option length（1字节或可变），option data（可变）；padding：比如ihl取值为8，option实际长度10字节，则填充为8*4-20-10=2字节。

四、ip地址

1、表示：从上面的ipv4报文头部我们已经知道了ipv4地址有32bit（2^32约为43亿个），通常使用点分十进制表示。如常见的私网地址192.168.1.100，ipv4的地址范围为0.0.0.0-255.255.255.255。

2、构成（2部分）：ipv4的地址由两部分构成，网络部分和主机部分，而网络掩码可以区分一个ip地址的网络部分和主机部分。

3、分类（5类）：ABCDE共5类ip地址，A-C类分配主机，D类用于组播，E类用于研究。

A：掩码8bit，0.0.0.0-127.255.255.255/8。（32bit中最高位为0）

B：掩码16bit,128.0.0.0-191.255.255.255/16。（32bit中最高2位为10）

C：掩码24bit，192.0.0.0-223.255.255.255/24。（32bit中最高3位为110）

D：无掩码，224.0.0.0-239.255.255.255。（32bit中最高3位为1110）

E：无掩码，240.0.0.0-255.255.255.255。（32bit中最高3位为1111）

注意：子网掩码核心作用是划分网络位和主机位，而D类地址是组播组，E类地址为保留位，目前也只有255.255.255.255这个全网广播地址在用，这两类都不参与传统网络划分，所以无网络掩码

4、ip地址计算（网络地址，主机地址，广播地址，ip地址个数，可用ip地址个数）

例：192.168.1.100/24 24代表网络位24位，主机位为8位（32-24），用二进制表示为

11000000 10101000 00000001 01100100 (192.168.1.100)

11111111 11111111 11111111 00000000 (255.255.255.0即掩码为24)

网络地址：把ip地址的主机位全部设为0，结果就是ip地址网络地址即192.168.1.0

广播地址：把ip地址的主机位全部设为1，结果就是ip地址广播地址即192.168.1.255

ip地址数：2^n，n为主机位位数，即2^8=256个

可用ip地址数：2^n-2=254个，即减去以网络地址一广播地址

5、公私网地址

公网地址：由IANA统一分配的，以保证任何一个ip地址在Internet上的唯一性。

私网地址：一般指的是园区内部网络，不需要连接到Internet上。A-C类的私网地址如下：

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

从上面就可以看出A类地址（2^24）太多了，C类地址(2^16)有点少，B类刚刚好。这时候会不会发现就算把整个最小一个C类地址（256个）用作一个广播域都有点浪费地址，所以为了不那么浪费，我们就得对网络进行再次划分。

6、子网划分（即VLSM可变长子网掩码）

1）、例：192.168.10.0/24,默认情况下这个C类地址的主机位有8位，可以组成2^8=256个ip地址，但我的网络只需要获取的ip地址数只有20个，分配给我256个ip地址太浪费了。主机位8位太多，那我就向主机位借3位，这时候主机位只有5位，可以组成2^5=32个ip地址，这时候组成的ip地址为：192.168.10.0/27。此时有没有发现借主机位3位，主机的ip地址个数就变成之前的1/8,每借1位变成之前的1/2。

2）、刚刚我们知道了子网的划分，那么新划分的ip地址计算要怎么计算呢，其实原理跟上面是一样的。比如192.168.10.0/27,这个的网络地址就是192.168.10.0，广播地址为192.168.10.31（5位主机位全取1），可用ip地址数位2^5-2=30个。注意：192.168.10.35/27,这个的ip地址网络地址为192.168.10.32，广播地址为192.168.10.63，搞明白了吧。