什么是IPv4？

IPv4地址

在IP网络中通信，每个主机都需要拥有一个IP地址，用于标识主机在网络中的位置。IP地址并不是一种物理地址，而是逻辑地址，即地址是可以被分配、非固定、可修改的。

• 对于一台主机，作为数据的终端，拥有1个IP地址就可以参与到网络中与其他节点进行通讯。
• 对于一个网络设备，作为数据的中转站，每个接口都拥有1个或多个IP地址，用于指导主机数据在网络中的转发。

IPv4地址格式

IPv4使用32位的二进制数来表示IP地址，理论上整个IPv4地址空间最多有约42亿个地址。

IPv4地址可以被写作任何表示一个32位整数值的形式。但为了方便阅读和使用，通常表示为点分格式。下面IPv4地址举例展示了点分十进制和点分十六进制的表达方式。

IPv4地址格式举例

在点分格式中，也支持零的省略写法。例如，对于上面点分十进制的192.168.000.001，可以写为192.168.0.1，也可以写为192.168..1。点分十六进制的0xc0.0xa8.0x00.0x1可以写作0xc0.0xa8.0x0.0x1，也可以写作0xc0.0xa8..0x1。

IPv4地址分类

IPv4地址被划分为网络位和主机位。网络位表示所在的逻辑网络区域，主机位表示该主机在网段中的具体逻辑位置。同一网络区域中所有主机的网络位是同一个。不同的网络位长度表示的网络规模不同。

如果把IP地址和电话号码做类比：电话号码(001)907-1234567中，(001)907是区号，代表美国阿拉斯加州，类似于IP地址中的网络位；1234567是阿拉斯加州内某一个电话机的确切号码，类似于IP地址中的主机位。

当IP数据包在网络中传递时，路由器只关心目的IP地址的网络位，通过识别IP地址的网络位为IP数据包进行路由操作。而只有当数据包达到了目的的网段以后，才通过IP地址的主机位查找具体的接收主机。

IPv4地址根据网络规模的不同，将地址划分为A、B、C三类，称为主类网。同时还定义了用于组播寻址的D类地址，以及被保留用于未来使用的E类地址。这五类地址类由IPv4地址的第一个字节的高位决定。

IPv4地址分类

在主类网地址中，有一部分被用做了私有地址。私有地址是不可以在互联网上使用的，是在企业或组织内部局域网上使用的IP地址。这样，可以不为局域网中的主机分配互联网可用的地址，从而节约有限的IP地址资源。私有地址又称为私网地址或假地址，除此之外，其他可以在互联网上使用的IP地址称为公网地址或真地址。

IPv4五类地址范围

这些地址分类基于早期的IPv4设计，在实际应用中，由于地址空间的有限性和地址耗尽问题，IPv4地址的分配方式已经被广泛调整和优化，例如使用子网掩码进行更精细的网络划分和地址分配。

子网掩码

子网掩码（Subnet Mask）是IPv4地址中用来划分网络和主机部分的32位二进制数，它与IP地址一起使用，形成一个IP网络地址，表示为IP地址/子网掩码（例如，192.168.1.1/255.255.255.192）。

子网划分示例

通过灵活使用子网掩码，可以将一个大的网络划分成多个子网，以便更有效地管理和控制网络流量和安全性。CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由）就是一种灵活的IP地址分配和路由选择方法，它允许根据需要动态分配子网掩码位数，以更有效地利用IP地址空间。CIDR表示法可以用来表示一个IP地址范围及其对应的子网掩码位数，例如192.168.1.1/26表示IP地址范围为192.168.1.0到192.168.1.63，子网掩码为255.255.255.192。

IPv4报文格式

IP层提供的服务是通过IP层对报文的封装与拆封来实现的。IPv4报文的格式分为报头区和数据区两大部分。

IPv4报文的转发控制是由IP头决定的，IP头由两部分组成，前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP报文必须具有的；后一部分是一些可选字段，其长度是可变的。下面详细介绍IP头中的各字段信息。

IP头格式

表1-1 IP头字段解释

字段	长度	含义
Version	4比特	4：表示为IPv4； 6：表示为IPv6。
IHL	4比特	首部长度，如果不带Option字段，则为20，最长为60，该值限制了记录路由选项。以4字节为一个单位。
Type of Service	8比特	服务类型。只有在有QoS差分服务要求时这个字段才起作用。
Total Length	16比特	总长度，整个IP数据报的长度，包括首部和数据之和，单位为字节，最长65535，总长度必须不超过最大传输单元MTU。
Identification	16比特	标识，主机每发一个报文，加1，分片重组时会用到该字段。
Flags	3比特	标志位。字段格式如下： Flags标记位字段格式 Bit 0: 保留位，必须为0。 Bit 1: DF（Don't Fragment），能否分片位，0表示可以分片，1表示不能分片。 Bit 2: MF（More Fragment），表示是否该报文为最后一片，0表示最后一片，1代表后面还有。
Fragment Offset	13比特	片偏移：分片重组时会用到该字段。表示较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。以8个字节为偏移单位。
Time to Live	8比特	生存时间：数据包在网络中的最大生存时间。
Protocol	8比特	协议：下一层协议。指出此数据包携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个进程处理。
Header Checksum	16比特	首部检验和，只检验数据包的首部，不检验数据部分。这里不采用CRC检验码，而采用简单的计算方法。
Source Address	32比特	源IP地址。
Destination Address	32比特	目的IP地址。
Options	可变	选项字段，用来支持排错，测量以及安全等措施，内容丰富。选项字段长度可变，从1字节到40字节不等，取决于所选项的功能。
Padding	可变	填充字段，全填0。

报文分片和重组

IP协议位于TCP/IP模型的网络层，IP报文的发送和接收依赖链路层提供的服务。当IP报文的长度大于链路层MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）时，需要对报文进行分片，以使他们可以在网络上传输。当分片报文通过网络传输到接收端时，接收端将收到的分片报文重组成原始的数据包。IPv4报文分片和重组过程如下：

• 分片
  1. 发送端根据目标主机的MTU，检查将要发送的报文大小。
  2. 如果报文长度超过了MTU，发送端就会将数据包分割成更小的片段，每个片段大小不能超过MTU。
  3. 每个片段都是一个独立的IP报文，但它们共享相同的IP头部信息（除了片偏移和分片标志段不同）。
• 重组
  1. 接收端收到这些分片后，根据每个IP数据包的标识符、片偏移和分片标志来确定它们应该如何组装。
  2. 接收端将所有分片组合成原始IP报文。
  3. 重组后的完整报文被传递给上层协议处理。

例如，一个总长度为4020字节的IP报文，其中IP头长度为20字节，数据区为4000字节，要通过MTU为1500的链路层发送，就需要把报文进行分片。因IP头长度为20字节，分片的数据区长度不能超过1480字节，原始IP报文可以分为3个分片报文，数据区长度分别为1480、1480和1040字节。除标志和片偏移字段外，分片的IP头信息与原始IP报文的IP头信息完全一致。

IPv4报文分片举例