IPv4的讲解

1.1 介绍

定义

IPv4（Internet Protocol Version 4）协议族是TCP/IP协议族中最为核心的协议族。它工作在TCP/IP协议栈的网络层，该层与OSI参考模型的网络层相对应。网络层提供了无连接数据传输服务，即网络在发送分组时不需要先建立连接，每一个分组（也就是IP数据报文）独立发送，与前后的分组无关。

目的

网络层的IPv4协议族为数据链路层和传输层实现互通提供了保障。IPv4协议族可以屏蔽各链路层的差异，为传输层提供统一的网络层传输标准。

1.2 原理描述

1.2.1 IPv4简介

IPv4协议族

IPv4协议族是TCP/IP协议族中最为核心的协议族。IPv4协议族主要包括地址解析协议ARP（Address Resolution Protocol）、逆地址解析协议RARP（Reverse Address Resolution Protocol）、互联网控制消息协议ICMP（Internet Control Message Protocol）、传输控制协议TCP（Transmission Contronl Protocol）和用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）等协议。

从图以看出来，ARP和RARP的功能是地址解析，介于数据链路层和网络层之间，所以常常被调用。ICMP协议的功能是为了更有效地转发IP数据报文和提高数据报文交付成功的机会，是介于网络层和传输层之间的协议。

ARP协议

ARP是用来将IP地址解析为MAC地址的协议，可以分为动态和静态两种类型。另外ARP还有扩展应用功能，包括Proxy ARP功能、免费ARP、ARP安全以及ARP-Ping。

RARP协议

RARP和ARP正好相反，是将主机的MAC地址解析为IP地址的协议。

ICMP协议

为了更有效地转发IP数据报文和提高数据报文交付成功的机会，在网络层使用ICMP协议。ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP报文作为IP层数据报文的数据，加上数据报文的首部，组成IP数据报文发送出去。

1.2.2 IPv4地址

在IP网络上，如果用户要将一台计算机连接到Internet上，就需要向因特网服务提供方ISP（Internet Service Provider）申请一个IP地址。

IP地址是在计算机网络中被用来唯一标识一台设备的一组数字。IPv4地址由32位二进制数值组成，但为了便于用户识别和记忆，采用了“点分十进制表示法”。采用了这种表示法的IP地址由4个点分十进制整数来表示，每个十进制整数对应一个字节。例如，IPv4地址使用二进制的表示形式为00001010 00000001 00000001 00000010，采用点分十进制表示法表示为10.1.1.2。

IPv4地址由如下两部分组成：

网络号码字段（Net-id）。IP地址的网络号码字段用来标识一个网络，网络号码字段的前几位用来区分IP地址的类型。

主机号码字段（Host-id）。主机号码字段用来区分一个网络内的不同主机。对于网络号相同的设备，无论实际所处的物理位置如何，它们都是处在同一个网络中。

IPv4地址的特点

IPv4地址的主要特点有：

IP地址是一种非等级的地址结构，IP地址不能反映任何有关主机位置的地理信息，只能通过网络号码字段判断出主机属于哪个网络。

当一台主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号码Net-id是不同的，这种主机称为多地址主机（Multihomed Host）。主机上的每个接口都对应着一个IP地址，因此多接口主机会有多个IP地址。

在IP地址中，所有分配到网络号码Net-id的网络都是平等的。

IPv4地址分类

为了方便IP地址的管理及组网，IP地址分成五类，

目前大量使用的IP地址属于A、B、C三类IP地址中的一种。D类地址是组播地址，E类地址保留。A、B、C、D、E类的类别字段分别是二进制数0、10、110、1110、1111，通过网络号码字段的前几个比特就可以判断IP地址属于哪一类，这是区分各类地址最简单的方法。在IETF（Internet Engineering Task Force）发布的RFC1166 Internet Numbers中详细描述了各类IP地址。

在使用IP地址时要注意，一些IP地址是保留作为特殊用途的，一般的用户不能使用。表1-1列出各类IP地址的范围。