目錄
1、分片和重裝配
1.1 分片
1.2 重裝配
2、IPv4數據報格式
3、IP地址分類
3.1 5類地址
3.2 幾類特殊的IP地址
4、子網與子網掩碼
4.1 子網連網
4.2 VLSM
4.3 CIDR
5、IP QoS
6、子網劃分方法
6.1 基本子網劃分，取網絡號
6.2 復雜子網劃分，取網絡號
6.3 給定IP地址和掩碼，計算網絡/子網廣播地址
6.4 復雜子網劃分，獲取有效子網數
IPv4協議（ 4，IPv4）運行在網絡層上，可實現異構的網絡之間互聯互通。它是一種不可靠、無連接的協議。IPv4定義了在整個TCP/IP互聯網上數據傳輸所用的基本單元（由于采用的是無連接的分組交換，因此也成為了數據報），規(guī)定了互聯網上傳輸數據的確切格式；IP軟件完成路由選擇的功能，選擇一個數據發(fā)送的路徑；除了數據格式和路由選擇精確而正式的定義之外，還包括一組不可靠分組傳送思想的規(guī)則，這些規(guī)則指明了主機和路由器應用如何處理分組、何時及如何發(fā)出錯誤信息以及在什么情況下可以放棄分組。IP協議是TCP/IP互聯網設計中最基本的部分。
為了防止因出現網絡路由環(huán)路，而導致IP數據報在網絡中無休止地轉發(fā)，IP協議在IP包頭設置了一個TTL位，用來存放數據報生存期（以跳為單位，每經過一個路由器為一跳），每經過一個路由器，計數器加1，超過一定的計數值，就將其丟棄。
1、分片和重裝配
在理想情況下，整個數據報被封裝在一個物理幀中，可以提高物理網絡上的效率。由于IP數據報經常在許多類型的物理網絡上傳送，而每種物理網絡所能夠傳送的幀的長度是有限的，例如以太網是1500字節(jié)，FDDI是4470字節(jié)，這個限制成為網絡最大傳送單元（ Unit，MTU）。這就使得IP協議在設計上不得不處理這樣的矛盾：當數據報通過一個可傳送更大幀的網絡時，如果數據報大小限制為整個最小的MTU，就會浪費網絡帶寬資源；如果數據報大于最小的MTU，就可能出現無法封裝的問題。為了有效地解決這個問題，IP協議采用了分片和重裝配機制來解決。
1.1 分片
IP協議采用的是遇到MTU更小的網絡時再分片。
1.2 重裝配
為了能夠減少中途路由器的工作，降低出錯，重裝配工作是直到目的主機時才進行的，也就是分片后，遇到MTU更大的網絡時并不重新裝配，而且保持最小分組，直到目的主機接收完整后再一次性重裝配。它使用4個字段來處理分片和重裝配問題：
（1）第一個字段是報文ID字段，它唯一標識了某個站某個協議層發(fā)出的數據；
（2）第二個字段是數據長度，即字節(jié)數；
（3）第三個字段是偏置值，即分片在原來數據報中的位置以8字節(jié)的倍數計算；
（4）第四個字段是M標志，用來識別是否為最后一個分片。
整個分片的步驟為：
（1）對數據塊的分片必須在64位（8B）的邊界上劃分，因為除最后一段外，其他段長都是64位的整數倍；
（2）對得到的每一個分片都加上原來的數據報的IP頭，組成短報文；
（3）每一個短報文的長度字段修改為它實際包含的字節(jié)數；
（4）第一個短報文的偏置值設置為0，其他的偏置值為其前面所有報文長度只和除以8；
（5）最后一個報文的M標志置0（False），其他報文的M標志置為1（True）。
如下所示是一個分片的實例：
2、IPv4數據報格式
IP協議的數據報格式如下所示：
（1）版本：該字段長4位，表示IP的版本號，值為二進制0100表示IPv4
（2）頭部長度（ ，IHL）：該字段長4位，表示IP頭部的長度（即除了數據部分之外），以一個32位的字為基本單位，即4字節(jié)。該字段最小值為5，即20字節(jié)；可取的最大值為15（二進制為1111），表示報頭為60字節(jié)。
IP分組首部必須是4字節(jié)的整數倍，不是整數倍時，則需要使用填充字段加以填充，這樣可以保證IP數據部分永遠在4字節(jié)的整數倍時開始，實現IP協議較為方便。
（3）服務類型（Type of ，ToS）：該字段長度為8位，指定特殊數據處理方式。該字段分為兩部分：3位的優(yōu)先權字段（現在已忽略不用）和4位的ToS字段。后來該字段被IETF改名為區(qū)分服務（ ，DS）。該字段的前6位構成了區(qū)分代碼點（ Code Point，DSCP）和顯示擁塞通知（ ，ECN）字段，DSCP用于定義64個不同服務類型，而ECN用于通知擁塞，具體如下圖所示：
（4）報文總長度（Total ）：該字段長度為16位，單位是字節(jié)，指的是首部加上數據之和的長度。所以數據報的最大長度為=65535字節(jié)（64KB）。由于有MTU限制（如以太網單個IP數據報就不能超過1500字節(jié)），所以超過1500字節(jié)的IP數據報就要分段，而總長度是所有分片報文的長度和。IP是一個網絡層的協議，需要考慮IP分組穿越不同網絡的情況，有時，一個IP分組的長度可能無法滿足某些高速網絡中的最小數據幀長的要求，此時需要IP分組最后進行填充。如果沒有總長度字段的指示，處理程序無法識別出哪里是IP分組的結束。
（5）標識符（）：該字段長度為16位，可以唯一地標識一個IP分組。同一數據報分段后，其標識符一致，這樣便于重裝成原來的數據報。
（6）標記字段（Flag）：該字段長度為3位，第1位沒有定義，必須為0；第2位是不分段（DF）位，值為1表示不能分片，為0表示允許分片；第3位是更多分片（MF）位，值為1 表示之后還有分片，為0表示是最后一個分片。
（7）分片偏移字段（ ）：該字段長度為13位，表示數的單位是8字節(jié)，即每個分片長度是8字節(jié)的整數倍。該字段指明當前分片在原始IP分組中的偏移地址。
（8）生存時間（Time to Live，TTL）：該字段長度為8位，用來設置數據報最多可以經過的路由器數，用于防止無限制轉發(fā)。當IP分組通過一個路由器時，該分組的TTL將被減1，如果TTL為零，該IP分組將被丟棄，從而避免循環(huán)路由的問題。該字段由發(fā)送數據的源主機設置，通常為16、32、64、128個。
（9）協議字段（）：該字段長度為8位，指明IP層所封裝的上層協議類型，如ICMP（值為1）、IGMP（值為2）、TCP（值為6）、UDP（值為17）等。
（10）頭部校驗（ ）：該字段長度為16位，是根據IP頭部計算得到的校驗和碼，用于保證首部的完整性。該校驗碼沒有采用復雜的CRC編碼，而是對頭部中每個16比特進行二進制反碼求和（與ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP報頭不對IP報頭后面的數據進行校驗）。另外，由于路由器經常修改TTL的數值，在中給出了一種方法，使得路由器在修改TTL時不需要重新計算整個首部的校驗和。
（11）源IP地址、目的IP地址：該字段長度均為32位，用來標明發(fā)送IP數據報文的源主機地址和接收IP報文的目標主機地址，都是IP地址。
（12）可選字段（）：該字段長度可變，從1字節(jié)到40字節(jié)不等，用來定義一些任選項，如記錄路徑、時間戳等。這些選項很少使用，并且不是所有主機和路由器都支持這些選項。可選項字段的長度必須是32位（4字節(jié)）的整數倍，如果不足，必須填充0以達到此長度要求。
3、IP地址分類
IP協議給每一臺主機分配一個唯一的邏輯地址——IP地址。IP地址使用32位的二進制來表示，為了方便使用，經常將IP寫成10進制的形式，中間使用“.”符號將字節(jié)分開，這種表示方法叫做點分十進制表示法。IP地址分為網絡號和主機號兩部分，網絡號標識一個網絡，一般網絡號由互聯網信息中心（）統一分配。主機號用來表示網絡中的一個主機，它一般由網絡中的管理員來具體分配。
（1）網絡地址：主機號全0表示網絡地址，不能做源、目標地址；
（2）廣播地址：主機號全1表示廣播地址，不能做源地址；
（3）子網掩碼：網絡號部分全為1，主機號部分全為0；用于計算網絡地址用，只需將IP地址和子網掩碼做與操作，就可得到網絡地址。
3.1 5類地址
根據IP地址的前4位將IP地址分為5類：A類用于大型網絡，B類用于中型網絡，C類用于小型網絡，D類用于組播，E類保留用于實驗。各類地址特征如下：
（1）A類地址：第一位固定為0，子網位8位，主機位24位
A類地址范圍：1.0.0.0~127.255.255.255
A類地址中的私有地址：10.X.X.X，即在互聯網上不適用，而只在局域網絡中的地址，網絡號為10，網絡數為1個，地址范圍為10.0.0.0~10.255.255.255。
A類地址中的保留地址：127.X.X.X，用作環(huán)回（）地址ipv4地址的主要表示格式是，環(huán)回地址（典型的是127.0.0.1）向自己發(fā)送流量。發(fā)送到該地址的數據不會離開設備到網絡中，而是直接回送到本主機。該地址既可以作為網絡地址，又可以作為源地址，是一個虛IP地址。
（2）B類地址：前兩位固定為10，子網位16位，主機位16位
B類地址范圍：128.0.0.0~191.255.255.255
B類地址中的私有地址：172.16.0.0~172.31.255.255
B類地址中的保留地址：169.254.X.X，如果將PC機上的IP地址設為自動獲取，而PC機又沒有找到響應的DHCP服務，那么最后PC機可能得到保留地址中的一個IP。
（3）C類地址：前三位固定為110，子網位24位，主機位8位
C類地址范圍：192.0.0.0~223.255.255.255
C類地址中的私有地址：192.168.X.X，地址范圍為192.168.0.0~192.168.255.255。
（4）D類地址：前四位固定為1110，不分網絡地址和主機地址
D類地址范圍：224.0.0.0~239.255.255.255。其中，223.0.0.1代表所有主機與路由器；224.0.0.2代表所有組播路由器；224.0.0.5代表OSPF路由器；224.0.0.6代表OSPF指定路由器/備用指定路由器；224.0.0.7代表ST路由器；224.0.0.8代表ST主機；224.0.0.9代表RIP-2路由器；224.0.0.12代表DHCP服務器/中繼代理；224.0.0.14代表RSVP封裝；224.0.0.18代表虛擬路由器冗余協議（VRRP）。
（5）E類地址：前四位固定為1111，不分網絡地址和主機地址
E類地址范圍：240.0.0.0~255.255.255.255。
3.2 幾類特殊的IP地址
地址名稱
地址格式
特點
可否作為源地址
可否作為目標地址
有限廣播
255.255.255.255
廣播不被路由，會被送到相同物理網絡段上的所有主機
N
Y
直接廣播
主機字段全1，如192.1.1.255
廣播會被路由，并會發(fā)送到專門網絡上的每臺主機
N
Y
網絡地址
主機位全0，如192.168.1.0
表示1個子網
N
N
全零地址
0.0.0.0
代表任意主機
Y
N
環(huán)回地址
127.X.X.X
向自己發(fā)送數據
Y
Y
4、子網與子網掩碼
IPv4采用的是32位IP地址設計限制了地址空間的總容量，出現了IP地址緊缺的現象，而IPv6（采用128位IP地址設計）還不能夠很快地進入應用，這時就需要采取一些措施來避免IP地址的浪費。因此出現了子網連網和可變長子網掩碼（VLSM）兩種技術。
4.1 子網連網
子網連網，出自的定義。它的主要思想就是將IP地址劃分成3個部分：網絡號、子網號、主機號。也就是說，將原先的IP地址的主機號部分分成子網號和主機號兩部分。說到底，也就是利用主機號部分繼續(xù)劃分子網。子網可以用“子網掩碼”來識別。例如，可以將一個C類地址進行劃分子網，劃分如下圖所示：
將最后8位——原來的主機號，拿出兩位用來表示子網，則可以產生兩個子網（01和10，由于00代表網絡，11代表廣播不能用來表示具體的網絡），每個子網可包含62個主機（~，同樣的代表網絡，代表廣播被保留）。值得一提的是，這時子網掩碼就發(fā)生了變化，不是255.255.255.0（11 ），而是255.255.255.192（11 ）。
在從C類地址中劃分子網的時候就可以參照下表進行：
主機號中用于表示子網號的位數
子網劃分后相對應的子網掩碼
總共可用的子網地址數
每個子網可用的主機地址數
2位
255.255.255.192
2
62
3位
255.255.255.224
6
30
4位
255.255.255.240
14
14
5位
255.255.255.248
30
6
6位
255.255.255.252
62
2
采用了子網連網技術后，雖然在一定程度上緩解了這個問題，但又引發(fā)一個新問題，即使得每個子網的主機數相等，難以有效地滿足實際的需要，又引起了新的IP地址浪費。VLSM技術正是針對這個問題行之有效的解決方案。
4.2 VLSM
VLSM（ ）是一種產生不同大小子網的網絡分配機制（在中有詳細說明）。VLSM用直觀大的方法在IP地址后面加上“/網絡及子網編碼位數”來表示。例如，192.168.123.0/26表示前26位表示網絡號和子網號，即子網掩碼為26位長，主機號6位長。利用VLSM技術，可以多次劃分子網，即分完子網后ipv4地址的主要表示格式是，繼續(xù)根據需要劃分子網。所以使用VLSM技術來節(jié)約IP地址，可以將其理解為把大網分解成小網。
4.3 CIDR
無類路由選擇協議（ Inter ,CIDR）是為了應對VLSM而產生的，是一種路由技術，也就是說，如果使用VLSM技術進行子網劃分，那么在互連是使用的路由器就必須能夠支持CIDR。在一個有類別的網絡中（只區(qū)分A、B、C等大類的網絡），路由器決定一個地址的類別，并根據該類別識別網絡和主機，而在CIDR中，路由器使用前綴來描述有多少位是網絡位，剩下的位則是主機位。CIDR顯著提高了IPv4的可擴展性和效率，通過使用路由聚合（或稱超網）可有效地減小路由表的大小，節(jié)省路由器的內存空間，提高路由器的查找效率。該技術可以理解為把小網合并為大網。
5、IP QoS
QoS指一個網絡能夠利用各種基礎技術，為指定的網絡通信提供更好的額服務能力，是網絡的一種安全機制，是用來解決網絡延遲和阻塞問題的一種技術。
QoS機制的工作原理是，優(yōu)先于其他通信為某些通信分配資源。要做到這一點，首先必須識別不同的通信。通過“數據包分類”，將到達網絡設備的通信分為不同的“流”，然后每個流的通信被引向轉發(fā)接口上的相應“隊列”，每個接口上的隊列都根據一些算法接受“服務”。隊列服務算法決定了每個隊列通信被轉發(fā)的速度，進而決定分配給每個隊列和相應流的資源。
為提供網絡QoS，必須在網絡設備中預備或配置下列各項：
（1）消息分類，讓設備把通信分成不同的流；
（2）隊列和隊列服務算法，處理來自不同流的通信。
通常把這些一起稱為“通信處理機制”。單獨的通信處理機制并沒有用，它們必須按一種統一的方式在很對設備上預備或配置，這種方式為網絡提供了有用的端到端“服務”。因此，要提供有用的服務，既需要通信處理機制，也需要預備和配置機制。
QoS相關技術與服務有如下幾種。
1、集成服務（）與資源預留協議（RSVP）
集成服務是在傳送數據之前，根據業(yè)務的QoS需求進行網絡資源隔離，從而為該數據流提供端到端的QoS保證。
資源預留協議是的核心，是一種信令協議，用來通知網絡節(jié)點預留資源。資源預留的過程從應用程序流的源節(jié)點發(fā)送Path消息開始，該消息會沿著流所經路徑傳到流的目的節(jié)點，并沿途建立路徑狀態(tài)；目的節(jié)點收到該Path消息后，會向源節(jié)點回送Resv消息，沿途建立預留狀態(tài)，如果源節(jié)點成功收到預期的Resv消息，則認為在該路徑上資源預留成功。如果資源預留失敗，資源預留協議會向主機發(fā)回拒絕消息。
能提供端到端的QoS保證。但對路由器的要求很高，當數據流數量很大時，路由器的處理能力會遭到很大的壓力。的可擴展性很差，能以在核心網絡實施。
2、區(qū)分服務（）
區(qū)分服務是將用戶的數據流按照服務質量要求劃分等級，任何用戶的數據流都可以自由進入網絡，但是當網絡出現擁塞時，級別高的數據流在排隊和占用資源時比級別低的數據流有更高的優(yōu)先權。
主要通過以下兩個機制來完成不同QoS業(yè)務要求的分類。
（1）DS標記。起源于，但屬于相對簡單、粗劃分的控制系統。取代了IPv4的服務類型字段和IPv6的通信量類字段，并重新定義為DS。路由器根據DS字段的值來處理分組的轉發(fā)。因此，利用DS字段的不同數值就可以提供不同等級的服務質量。
在使用DS字段之前，用戶和網絡服務提供商（ISP）商定一個服務等級協定（ Level ，SLA），通過SLA約定服務類別（吞吐量、分組丟失率、時延等）和每一類別所允許的通信量。
（2）每跳行為（Per Hop ，PHB）。當數據流通過網絡時，路由器會采用每跳行為來處理流內的分組。“行為”可以是“迅速轉發(fā)這個分組”或“丟棄這個分組”。每跳則強調行為只涉及到本路由器轉發(fā)的這一跳行為，而一下路由器的處理方式與本路由器無關。
6、子網劃分方法
6.1 基本子網劃分，取網絡號
A類保留第一個位，后面為0；B類保留前兩位，后面全0；C類保留前三位，后面全0.
6.2 復雜子網劃分，取網絡號
將掩碼為255的部分對應的部分照抄，然后非255的部分，將掩碼和IP地址均轉化為2進制作與運算。
6.3 給定IP地址和掩碼，計算網絡/子網廣播地址
根據規(guī)則：網絡/子網號是網絡/子網中的最小數據字，廣播地址是網絡/子網中的最大數字值，網絡中有效、可分配的地址則是介于網絡/子網號和廣播地址之間的IP地址。
（1）基本子網劃分，取廣播地址。掩碼為255的部分照抄，為0的部分改為255.
（2）復雜子網劃分，取廣播地址。對于255部分照抄，0部分轉為255，對于其他部分先用256減去該值得到x，然后找到與IP地址中對應數最接近x的倍數y，再將y-1即可。
6.4 復雜子網劃分，獲取有效子網數
例如，IP地址是140.140.0.0，子網掩碼是255.255.240.0。則先找到特別的掩碼位240，轉換成二進制數，因此得到主機位是4，則以為基數進行增長：140.140.0.0，140.140.16.0，140.140.32.0，140.140.48.0,...,140.140.248.0。