IPv4和IPv6

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本篇博客为最近课堂所学笔记整理和网上查阅的一些资料，如有错误，感谢指正。

IPv4

IPv4基础

  • 为了在网络层定义广泛使用的通信标准，覆盖异构网络产生的差异，网络层协议的定义应该符合奥卡。姆剃刀理论（如无必要，勿增实体，让协议标准只需要满足基本的跨网络转发需求）
  • IPv4的头部分装为：
    1. 版本：字段长度为4位，作用是表示数据包的版本。
    2. 头部长度：字段长度为4位，作用是标识数据包的头部部分长度
    3. 服务类型：字段长度为8位，作用是让网络层设备根据服务类型字段的取值，为数据包提供专门的服务。
    4. 数据长度：字段长度为16位，作用是标识数据包的长度。
    5. 标识：字段长度为16位，网络设备有时需要对一个IPv4数据包进行分片，即分成多个IPv4数据包。因此，IPv4数据包头部需要一个字段来标识用一个IPv4数据包的多个分片。
    6. 标记：该字段是3个独立的标记位，其中第0位是保留位，取值为0；第1位和第2位具体为：
      • DF：don’t fragment, 禁止分片。如果取值为1，则表示设备对数据包进行分片时，会选择丢弃数据包；如果为0，则表示设备需要对数据包进行分片
      • MF：more fragment, 更多分片。如果取值为1，则表示该数据包之后，还有更多分片；如果取值为0，则表示该数据包是最后一个分片。
    7. 分片偏移：字段长度为13位，作用是在接收方重组数据包的各个分片时，确定每个分片在原数据包中的顺序。
    8. 生存时间：字段长度为8位，表示数据包到达目的端之前允许经过的路由器跳数。（该字段值由发送方进行设置）
    9. 协议：字段长度为8位，作用是标识数据包封装的是哪个协议的数据段。
    10. 头部校验和：字段长度为32位，目的是在网络层对IP数据包头部进行差错校验
    11. 源IP地址：字段长度为32位，作用时标识源主机的IP地址
    12. 目的IP地址：字段长度为32位，作用是标识数据包的目的IP地址
    13. 可选项与填充位：可选项字段的作用时根据特定需求提供一些扩展功能

IP地址基础

  • IP地址格式
    • IP地址由32 位二进制数组成，实际上使用的是点分十进制表示法。
      • 点分十进制表示法把32位二进制数平均分成4组，每组8位（一字节），然后按组转换为十进制数，组与组之间使用点（.）隔开。
      • 例如某数据包IP头部的源地址字段值为00111011001101010101001011000101,使用点分十进制表示法，表示为59.53.82.197。
    • IP地址分为网络部分和主机部分，其中，网络部分（网络位或网络号）表示IP地址所在的网络，主机部分（主机位或主机号）标识网络中一个适配器。在IP地址中，网络位从最左侧位开始，到第N位为止；主机位从第N+1位开始，到最右侧位为止
    • 最初在定义IP地址的网络位和主机位时，路由器的处理能力有限。为了减轻路由器的处理负担，IP地址的前8位固定为IP地址的网络位，后24位固定为主机位。
  • 有类IP地址：IP地址的前八位固定为网络位，意味着这种编址方式只能支持256（2的8次方）个网络进行相互通信，难以满足更多新建网络的IP地址需求。IP地址的主机位有24位，表示每个网络可以支持16777216（2的24次方）台主机。
    • 对此人们定义了IP地址的类：
      • A类地址：指第一位二进制数为0的IP地址。A类地址的前8位二进制数为网络位，后24位为主机位。A类地址的理论范围为0.0.0.0~127.255.255.255
      • B类地址：指前两位二进制数为10的IP地址。B类地址的前16位二进制数为网络位，后16位为主机位。B类地址的理论范围为：128.0.0.0~191.255.255.255
      • C类地址：指前三位二进制数为100的IP地址。C类地址的前24位二进制数为网络位，后8位为主机位。C类地址的理论范围为：192.0.0.0~233.255.255.255
      • D类地址：指前四位二进制数为1110的IP地址。D类地址预留为组播地址，理论范围为224.0.0.0~239.255.255.255
      • E类地址：指前四位二进制数为1111的IP地址。E类地址预留为科研机构保留地址，理论范围为240.0.0.0~255.255.255.255
    • 在一个网络中，第一个IP地址代表整个网络，最后一个IP地址代表这个网络的广播地址，其他IP地址分配给这个网络中的主机。例如，在C类地址192.1.1.x中，192.1.1.0代表整个网络，192.1.1.255代表这个网络的广播地址，192.1.1.1~192.1.1.254共254个，可以作为该网络中各个主机的地址

子网掩码

  • IP地址时不同于MAC地址的分层地址，这种地址便于寻址。但是即使在一开始就将IP地址分为网络部分和主机部分，还是难以满足用户的日常需求。因此子网划分应运而生。
  • 子网划分时借用自然分类IP地址的主机位作为“子网位”以此来划分出更多更小的IP子网。
  • 此处对应出现了一个概念叫做子网掩码：
    • 子网掩码又称为网络掩码，地址掩码，它的作用是用来指明一个IP地址的哪些标识位是主机所在的子网。
    • 子网掩码是不能单独存在的，必须和IP地址一起使用，因为它只会告诉你IP地址中哪些位置是网络位哪些位置是子网位。
    • 子网掩码和IP地址一样是32位二进制数，同样使用点分十进制，其中IP地址网络位的对应掩码位为1，主机位为0。如图所示：
    • 有类网络的IP地址和子网掩码总结：
      类 起始位 网络位 主机位 网络数/个 可用主机地址数/个 起始地址 最终地址 子网掩码
      A 0 8 24 128（2的7次方） 16777214（2的24次方-2） 0.0.0.0 127.255.255.255 255.0.0.0
      B 10 16 16 16384（2的14次方） 65534（2的16次方-2） 128.0.0.0 191.255.255.255 255.255.0.0
      C 110 24 8 2097152（2的21次方） 254（2的8次方-2） 192.0.0.0 223.255.255.255 255.255.255.0
      D 1110 N/A N/A N/A N/A 224.0.0.0 239.255.255.255 N/A
      E 1111 N/A N/A N/A N/A 240.0.0.0 255.255.255.255 N/A
    • 如果需要求子网IP地址，只需要对IP地址和子网掩码进行逻辑与运算即可求得子网IP地址
    • IP地址不管是否进行子网划分，都是根据主机位的值区分网络号，主机地址，广播地址。
      • 例如现在有一个B类地址：172.16.0.0，它的子网掩码位255.255.255.0，进行子网划分。
      • 判断：
        • 16位自然网络位（B类地址） + 8位子网位 （子网掩码有24位-16位自然网络位） + 8位主机位
      • 划分出的第一个子网：
        • 网络号：172.16.0000 0000.0 255.255.255.0（子网位全0，第一个IP子网，俗称零子网）
        • 主机地址范围：172.16.0.1~172.16.0.254 255.255.255.0
        • 广播地址： 172.16.0.255 255.255.255.0
      • 划分出的最后一个子网：
        • 网络号：172.16.1111 1111.0 255.255.255.0（子网位全1，最后一个IP子网，俗称广播子网）
        • 主机地址范围：172.16.255.1 ~172.16.255.254 255.255.255.0
  • 子网划分相关计算公式：
    1. 可以划分出多少个IP子网：2ⁿ（n的值为子网位数）
    2. 划分出的每个IP子网，可以提供的主机数量：2ⁿ-2（n为主机位数）
    • 注意：划分出的IP子网能提供的IP地址数目是2ⁿ（n为主机位数）个，划分出的第一个IP地址是网络号，最后一个是广播地址。

子网划分方案

  • FLSM定长子网掩码：划分出的每个IP子网掩码的长度相同
  • VLSM可变长子网掩码：根据每个IP网段内需要的主机地址的 实际数目 灵活调整 不同IP子网的 掩码长度
    • VLSM：应从需要主机地址数目最多的网段开始分析，如图：
      1. IP网段A需要50台PC+路由器AR1的一个接口=51个主机地址
      2. 2ⁿ-2>51 n最小取6，主机位6位，网络位则有：32-6=26位，子网掩码为255.255.255.192
      3. 假如给网段A分配的网络号为192.168.1.0/26，那么对应的主机地址范围是192.168.1.1/26——192.168.1.62/26，广播地址为192.168.1.63/26
      4. IP网段B同理

IPv6

IPv6地址格式：

  • 128位2进制数组成
  • 划分成8段，每段16位2进制，转换成4个十六进制数
  • 段与段之间使用“：”隔开
  • 这种方法叫做“冒号十六进制”

IPv6地址的组成和分类：

前缀位 + 接口标识符位 根据前缀长度判断前缀位和接口标识符位

  • 注意：
    1. IPv6地址中没有类的概念
      2.IPv4地址可以分为单播，组播，广播地址；而IPv6地址可以分为单播，组播，任播地址，没有广播地址！！！！

Pv6单播地址

分为全球单播地址（可理解为公网地址—IPv6）、本地链路地址、站点本地地址、回环地址、未指定地址、内嵌IPv4地址。

  • 全球单播地址：
    • 2xxx:xxxxx/3 ~ 3FFF: :FFFF
    • 2001::/16 IPV6因特网地址
    • 2002::/16 6to4过渡地址
  • 本地链路地址：FE80::/10 (前10位以FE80开头)
  • 站点本地地址：FEC0::/10（已经弃用，已部署的ipv6站点含有）
  • 未指定地址：0:0:0:0:0:0:0:0/128 => ::/128
  • 回环地址：0:0:0:0:0:0:0:1/128 => ::1/128
  • 内嵌IPv4地址：::192.168.30.1 => ::C0A8:1E01

IPv6组播地址

全部以FF开头

任播地址

任播地址的格式和全球单播地址相同，但是配置的时候需要注明这个地址是任播地址。

IPv6地址压缩原则

  1. 段内前导0压缩（也就是每段左边的0可以不写）
  2. 全0段压缩（某一段是4个0，可以用一个0替代）
  3. 连续N段全0段，可以用“：：”表示

三大运营商使用的IPv6地址：

  • 电信是240e开头的（240e::/20）
  • 移动是2409开头的（2409:8000::/20）
  • 联通是2408开头的（2408:8000::/20）

一些特殊的IP地址

IPv4中：

0.0.0.0

不确定地址（任意地址）严格来说，0.0.0.0已经不算是一个地址了，而是一个集合——所有不清楚的主机和目的网络

255.255.255.255

限制广播地址，对本机来说这个地址表示本网段内所有主机（注意：这个地址不能被路由器转发！）

127.0.0.1

本地环回地址，也叫本机地址（Localhost），表示自己。

224.0.0.1

组播地址，注意它和广播的区别。从224.0.0.0到239.255.255.255都是这样的地址。224.0.0.1特指所有主机，224.0.0.2特指所有路由器。

169.254.x.x

如果你的主机使用了DHCP功能自动获得一个IP地址，那么当你的DHCP服务器发生故障，或响应时间太长而超出了一个系统规定的时间，Wingdows系统会为你分配这样一个地址。如果你发现你的主机IP地址是一个诸如此类的地址，很不幸，十有八九是你的网络不能正常运行了。

10.x.x.x; 172.16.x.x～172.31.x.x; 192.168.x.x

私有地址，这些地址被大量用于企业内部网络中。一些宽带路由器，也往往使用192.168.1.1作为缺省地址。私有网络由于不与外部互连，因而可能使用随意的IP地址。保留这样的地址供其使用是为了避免以后接入公网时引起地址混乱。在Internet上，这类地址是不能出现的。

IPv6中

已经在IPv6中全部阐述，请查看IPv6内容