网络工程基础- - IPv4协议
前言
IP协议作为互联网的底层，现有的互联网大都是在IPv4的网络中运行的。本文章总结了一些IPv4特点和原理,如果错误留言改正
提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考
一、IPv4- - - 基本了解
1.1 IPv4.全称为 '‘Internet protocol version 4’’;
1.2 由IETF在1981年9月提出RFC791，替换了1980年1月RFC 760 ;
1.3 IP协议工作在无连接的分组交换的链路层上(如：以太网);
1.4 IP协议属于无连接的协议;
(1). 尽力转发；
(2).不保证数据包可以到达目的地；
(3).不保证数据包顺序准确的到达目的；
二、 IPv4- - - 地址格式
2.1 IPv4地址格式
IPv4使用32位(4字节),地址地址空间中只有4,294,967,296(2^32)个地址；可以有不同的表达方式；日常工作中，我们经常使用的就为点分十进制。像我们的的电脑配置ip地址也是以点分十进制的方式表达的，这样的表达方式方便记忆，也方便我们的配置。
格式 值 从点分十进制转换
点分十进制 192.0.2.235 不适用
点分十六进制 0xC0.0x00.0x02.0xEB 每个字节被单独转换为十六进制
点分八进制 0300.0000.0002.0353 每个字节被单独转换为八进制
十六进制 0xC00002EB 将点分十六进制连在一起
十进制 3221226219 用十进制写出的32位整数
八进制 030000001353 用八进制写出的32位整数
三、 IPv4- - - 地址分类
3.1、 IPV4地址的分类：
我们所有的IPv4地址可以分为A、B、C、D、E五类。其中A、B、C类为我们常见的IP地址，常用于配置于我们的电脑和网络设备上。D类和E类地址作为保留;
| 地址块 | 描述 | 参考资料 |
|---|---|---|
| 0.0.0.0/8 | 本网络（仅作为源地址时合法） | RFC 689 |
| 10.0.0.0/8 | 专用网络 | RFC 1918 |
| 100.64.0.0/10 | 电信级NAT | RFC 6598 |
| 127.0.0.0/8 | 环回 | RFC 5735 |
| 169.254.0.0/16 | 链路本地 | RFC 3927 |
| 172.16.0.0/12 | 专用网络 | RFC 1918 |
| 192.0.0.0/24 | 保留（IANA） | RFC 5735 |
| 192.0.2.0/24 | TEST-NET-1 | RFC 5735 |
| 192.88.99.0/24 | 6to4中继 | RFC 3068 |
| 192.168.0.0/16 | 专用网络 | RFC 1918 |
| 198.18.0.0/15 | 网络基准测试 | RFC 2544 |
| 198.51.100.0/24 | TEST-NET-2 | RFC 5737 |
| 203.0.113.0/24 | TEST-NET-3 | RFC 5737 |
| 224.0.0.0/4 | 多播（之前的D类网络） | RFC 3171 |
| 240.0.0.0/4 | 保留（之前的E类网络） | RFC 1700 |
| 255.255.255.255/32 | 受限广播 | RFC 919 |
3.2、IPv4地址专用网络地址分类
A、B、C类地址分为公用地址和私有地址(专用地址），其中专用地址被用于分配给互联网用户的私有网络使用（包括家庭，监控，小型局域网内），用户访问互联网需要通过NAT地址转换转换为公网IP地址；
| 地址类别 | IP地址段 | 掩码 | IP地址范围 | 可用地址数量 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 10.0.0.0 | 255.0.0.0/8 | 10.0.0.0-10.255.255.255 | 16,777,216 | 整个A类地址 |
| B | 172.16.0.0 | 255.240.0.0/12 | 172.16.0.0-172.31.255.255 | 1,048,576 | 16个连续的B类 |
| C | 192.168.0.0 | 255.255.0.0/16 | 192.168.0.0–192.168.255.255 | 65,536 | 256个连续的C类 |
四、 IPv4- - - 报文格式
IP报文的格式如下；
1、版本字段(Version)：此字段为IP的版本型号；此报文为IPv4的报文，所以版本为V4，占用4bit（0100）；通信双方协议版本必须一致；
2、首部长度（Internet harder length ；IHL）;IP首部固定部分有20字节，除非含有选项部分。故最小长度为20字节；
首部长度是指IP首部占32bit字的数目，包括选项(如果有)。首部长度本身为4bit字段，能表示的二进制最大数为1111，换算成十进制为15，即首部最长为15个32bit长度，即最大长度60字节。*
3、服务类型（Type of Service); 该字段长度为8比特位。被分为俩个部分，前6位被称为区分服务字段—DS字段；后2位是显示拥塞通知字段—ECN字段，用于QS。
此段是用于实施QOS，RFC 791中TOS 的IP Precedence分为8个优先级，值越大优先级越高。RFC2474中对TOS重新定义，前6位定义成DSCP，可以标识64中等级，后两位保留；
4、 全长（Total Length); 这个16位字段定义了报文总长，包含首部和数据，单位为字节。
这个字段的最小值是20（20字节首部+0字节数据），最大值是216-1=65,535。*
IP规定所有主机都必须支持最小576字节的报文，这是假定上层数据长度512字节，加上最长IP首部60字节，加上4字节富裕量，得出576字节，但大多数现代主机支持更大的报文。当下层的数据链路协议的最大传输单元（MTU）字段的值小于IP报文长度时，报文就必须被分.
5、 标识符（Identification）;占16位，这个字段主要被用来唯一地标识一个报文的所有分片；一个大的报文经常要被拆分为几个小包进行传输；这个字段就是用于标识该IP包是整个报文被拆分的第几个包，用于报文达到之后重组。
每产生一个数据报，计数器加1，并赋值给此字段。一些实验性的工作建议将此字段用于其它目的，例如增加报文跟踪信息以协助探测伪造的源地址。
6、 标志 （Flags）占三个bit.这个3位字段用于控制和识别分片，它们是：
位0：保留，必须为0；
位1：禁止分片（Don’t Fragment，DF），当DF=0时才允许分片；
位2：更多分片（More Fragment，MF），MF=1代表后面还有分片，MF=0 代表已经是最后一个分片。
如果DF标志被设置为1，但路由要求必须分片报文，此报文会被丢弃。这个标志可被用于发往没有能力组装分片的主机。
当一个报文被分片，除了最后一片外的所有分片都设置MF为1。最后一个片段具有非零片段偏移字段，将其与未分片数据包区分开，未分片的偏移字段为0。
7、 分片偏移 （Fragment Offset);这个13位字段指明了每个分片相对于原始报文开头的偏移量，以8字节作单位。
8、 存活时间（Time To Live，TTL）； 这个8位字段避免报文在互联网中永远存在（例如陷入路由环路）。
存活时间以秒为单位，但小于一秒的时间均向上取整到一秒。在现实中，这实际上成了一个跳数计数器：报文经过的每个路由器都将此字段减1，当此字段等于0时，报文不再向下一跳传送并被丢弃，最大值是255。常规地，一份ICMP报文被发回报文发送端说明其发送的报文已被丢弃。这也是traceroute的核心原理。
9、 协议 （Protocol）； 占8bit，这个字段定义了该报文数据区使用的协议。IANA维护着一份协议列表（最初由RFC 790定义）如下列：。
| 协议号 | 协议 |
|---|---|
| 1 | ICMP |
| 2 | UDP |
| 4 | IPv4 |
| 6 | TCP |
| 8 | EGP |
| 9 | IGP |
| 41 | IPv6 |
10、首部检验和 （Header Checksum）;占用16位字段,这个16位检验和字段只对首部查错，不包括数据部分
在每一跳，路由器都要重新计算出的首部检验和并与此字段进行比对，如果不一致，此报文将会被丢弃。重新计算的必要性是因为每一跳的一些首部字段（如TTL、Flag、Offset等）都有可能发生变化，不检查数据部分是为了减少工作量。数据区的错误留待上层协议处理——用户数据报协议（UDP）和传输控制协议（TCP）都有检验和字段。此处的检验计算方法不使用CRC。
RFC 1071
11、 源地址（Source address）;一个IPv4地址由四个字节共32位构成，此字段的值是将每个字节转为二进制并拼在一起所得到的32位值。
例如，10.9.8.7是00001010000010010000100000000111。
但请注意，因为NAT的存在，这个地址并不总是报文的真实发送端，因此发往此地址的报文会被送往NAT设备，并由它被翻译为真实的地址。
11、 目的地址（Destination address);与源地址格式相同，但指出报文的接收端。
12、 选项（Options);附加的首部字段可能跟在目的地址之后，但这并不被经常使用，从1到40个字节不等。
请注意首部长度字段必须包括足够的32位字来放下所有的选项（包括任何必须的填充以使首部长度能够被32位整除）。当选项列表的结尾不是首部的结尾时，EOL（选项列表结束，0x00）选项被插入列表末尾。下表列出了可能
| 字段 | 长度（位） | 描述 |
|---|---|---|
| 备份 | 1 | 当此选项需要被备份到所有分片中时，设为1。 |
| 类 | 2 | 常规的选项类别，0为“控制”2为“查错和措施1和3保留。 |
| 数字 | 5 | 指明一个选项。 |
| 长度 | 8 | 指明整个选项的长度，对于简单的选项此字段可能不存在。 |
| 数据 | 可变 | 选项相关数据，对于简单的选项此字段可能不存在。 |
注：如果首部长度大于5，那么选项字段必然存在并必须被考虑。
注：备份、类和数字经常被一并称呼为“类型”。
宽松的源站选路（LSRR）和严格的源站选路（SSRR）选项不被推荐使用，因其可能带来安全问题。许多路由器会拒绝带有这些选项的报文。
13、 数据(date);数据字段不是首部的一部分，因此并不被包含在首部检验和中。数据的格式在协议首部字段中被指明，并可以是任意的传输层协议。