IPv4是什么

子凡 问答 2020-09-21 04:49:51 阅读(...)

网际协议版本4(IPv4)又称互联网通信协议第四版,是网际协议开发过程中的第四个修订版本,也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心,也是使用最广泛的网际协议版本,其后继版本为IPv6。

网际协议版本 4(英语:Internet Protocol version 4IPv4),又称互联网通信协议第四版,是网际协议开发过程中的第四个修订版本,也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4 是互联网的核心,也是使用最广泛的网际协议版本,其后继版本为 IPv6,直到 2011 年,IANA IPv4 位址完全用尽时,IPv6 仍处在部署的初期。

IPv4

IPv4 在 IETF 于 1981 年 9 月发布的 RFC 791 中被描述,此 RFC 替换了于 1980 年 1 月发布的 RFC 760。

IPv4 是一种无连接的协议,操作在使用分组交换的链路层(如以太网)上。此协议会尽最大努力交付数据包,意即它不保证任何数据包均能送达目的地,也不保证所有数据包均按照正确的顺序无重复地到达。这些方面是由上层的传输协议(如传输控制协议)处理的。

2019 年 11 月 26 日,全球所有 43 亿个 IPv4 地址已分配完毕,这意味着没有更多的 IPv4 地址可以分配给 ISP 和其他大型网络基础设施提供商。

简介

网际协议版本 4(英语:InternetProtocolversion4IPv4),又称互联网通信协议第四版,是网际协议开发过程中的第四个修订版本,也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4 是互联网的核心,也是使用最广泛的网际协议版本,其后继版本为 IPv6,直到 2011 年,IANAIPv4 位址完全用尽时,IPv6 仍处在部署的初期。

IPv4 在 IETF 于 1981 年 9 月发布的 RFC 791 中被描述,此 RFC 替换了于 1980 年 1 月发布的 RFC 760。

地址

IPv4 使用 32 位(4 字节)地址,因此地址空间中只有 4,294,967,296(2)个地址。不过,一些地址是为特殊用途所保留的,如专用网络(约 1800 万个地址)和多播地址(约 2.7 亿个地址),这减少了可在互联网上路由的地址数量。随着地址不断被分配给最终用户,IPv4 地址枯竭问题也在随之产生。基于分类网络、无类别域间路由和网络地址转换的地址结构重构显著地减少了地址枯竭的速度。但在 2011 年 2 月 3 日,在最后 5 个地址块被分配给 5 个区域互联网注册管理机构之后,IANA 的主要地址池已经用尽。

这些限制刺激了仍在开发早期的 IPv6 的部署,这也是唯一的长期解决方案。

地址格式

IPv4 地址可被写作任何表示一个 32 位整数值的形式,但为了方便人类阅读和分析,它通常被写作点分十进制的形式,即四个字节被分开用十进制写出,中间用点分隔。

下表展示了几种不同的格式:

此外,在点分格式中,每个字节都可用任意的进制表达。如,192.0×00.0002.235 是一种合法(但不常用)的表示。

分配

最初,一个 IP 地址被分成两部分:网上识别码在地址的高位字节中,主机识别码在剩下的部分中。

为了克服这个限制,在随后出现的分类网络中,地址的高位字节被重定义为网络的类(Class)。这个系统定义了五个类别:A、B、C、D 和 E。A、B 和 C 类有不同的网络类别长度,剩余的部分被用来识别网络内的主机,这就意味着每个网络类别有着不同的给主机编址的能力。D 类被用于多播地址,E 类被留作将来使用。

1993 年,无类别域间路由(CIDR)正式地取代了分类网络,后者也因此被称为“有类别”的。

CIDR 被设计为可以重新划分地址空间,因此小的或大的地址块均可以分配给用户。CIDR 创建的分层架构由互联网号码分配局(IANA)和区域互联网注册管理机构(RIR)进行管理,每个 RIR 均维护着一个公共的 WHOIS 数据库,以此提供 IP 地址分配的详情。

特殊用途的地址

专用网络

主条目:专用网络

在 IPv4 所允许的大约四十亿地址中,三个地址块被保留作专用网络。这些地址块在专用网络之外不可路由,专用网络之内的主机也不能直接与公共网络通信。但通过网络地址转换(NAT),使用这些地址的主机可以像拥有共有地址的主机在互联网上通信。

下表展示了三个被保留作专用网络的地址块(RFC 1918):

虚拟专用网络

主条目:虚拟专用网

通常情况下,路由器根据数据报文的目的地址决定转发数据报文的下一跳地址。使用专用网络地址作为目的地址的数据包通常无法被公共路由器正确送达,因为公共路由器没有相应的路由信息,即无法得知如何才能转发到该 IP 地址。因此,这就需要通过一种方法,将指引数据报文转发的下一跳地址和真正要传输的目的地址分离开。于是就使用虚拟专用网,将 IP 报文封装在其他报文内,以便于通过公网上的公共路由器,达到能处理该报文内层数据的网络设备上解除报文后,该数据包可以被继续转发到目的地址。

将数据报文封装的过程中,可以将数据报文封装于 IP 报文中,也可以使用多协议标签交换协议等,通过其他协议引导数据报文转发。也可以封装同时加密数据,以保护数据内容。

链路本地地址

主条目:链路本地地址

RFC 5735 中将地址块 169.254.0.0/16 保留为特殊用于链路本地地址,这些地址仅在链路上有效(如一段本地网络或一个端到端连接)。这些地址与专用网络地址一样不可路由,也不可作为公共网络上报文的源或目的地址。链路本地地址主要被用于地址自动配置:当主机不能从 DHCP 服务器处获得 IP 地址时,它会用这种方法生成一个。

当这个地址块最初被保留时,地址自动配置尚没有一个标准。为了填补这个空白,微软创建了一种叫自动专用 IP 寻址(APIPA)的实现。因微软的市场影响力,APIPA 已经被部署到了几百万机器上,也因此成为了事实上的工业标准。许多年后,IETF 为此定义了一份正式的标准:RFC 3927,命名为“IPv4 链路本地地址的动态配置”。

环回地址

主条目:127.0.0.1

地址块 127.0.0.0/8 被保留作环回通信用。此范围中的地址绝不应出现于主机之外,发送至此地址的报文被作为同一虚拟网络设备上的入站报文(环回),主要用于检查 TCP/IP 协议栈是否正确运行和本机对本机的链接。

以 0 或 255 结尾的地址

一个常见的误解是以 0 或 255 结尾的地址永远不能分配给主机:这仅在子网掩码至少 24 位长度时(旧的 C 类地址,或 CIDR 中的/24 到/32)才成立。

在有类别的编址中,只有三种可能的子网掩码:A 类:255.0.0.0,B 类:255.255.0.0,C 类:255.255.255.0。如,在子网 192.168.5.0/255.255.255.0(即 192.168.5.0/24)中,网上识别码 192.168.5.0 用来表示整个子网,所以它不能用来标识子网上的某个特定主机。

广播地址允许数据包发往子网上的所有设备。一般情况下,广播地址是借由子网掩码的比特反码并和网上识别码运行 OR 的比特运算得到,即广播地址是子网中的最后一个地址。在上述例子中,广播地址是 192.168.5.255,所以为了避免歧义,这个地址也不能被分配给主机。在 A、B 和 C 类网络中,广播地址总是以 255 结尾。

但是,这并不意味着每个以 255 结尾的地址都不能用做主机地址。比如,在 B 类子网 192.168.0.0/255.255.0.0(即 192.168.0.0/16)中,广播地址是 192.168.255.255(主机位全 1)。在这种情况下,尽管可能带来误解,但 192.168.1.255、192.168.2.255 等地址可以被分配给主机。同理,192.168.0.0 作为网上识别码不能被分配,但 192.168.1.0、192.168.2.0 等都是可以的。

随着 CIDR 的到来,广播地址不一定总是以 255 结尾(广播地址是指主机位都为 1 的地址,255 只是其中一种情况)。比如,子网 203.0.113.16/28 的广播地址是 203.0.113.31。过程如下:

网络:203.0.113.16

掩码:255.255.255.240

掩码反码:0.0.0.15

OR 操作:

00010000 | 00001111 = 00011111 =31

一般情况下,子网的第一个和最后一个地址分别被作为网上识别码和广播地址,任何其它地址都可以被分配给其上的主机。

地址解析

主条目:域名系统

互联网上的主机通常被指定,但 IP 报文的路由是由 IP 地址而不是这些名字决定的。这就需要将域名翻译(解析)成地址。

域名系统(DNS)提供了域名转换为 IP 地址的服务。与 CIDR 相像,DNS 是层级结构。

地址空间枯竭

主条目:IPv4 地址枯竭

从 20 世纪 80 年代起,一个很明显的问题是 IPv4 地址在以比设计时的预计更快的速度耗尽。这是创建分类网络、无类别域间路由,和最终决定重新设计基于更长地址的互联网协议(IPv6)的诱因。

一些市场力量也加快了 IPv4 地址的耗尽,如:

互联网用户的急速增长;

总是开着的设备:ADSL 调制解调器、缆线调制解调器等;

移动设备:笔记本电脑、PDA、移动电话等。

随着互联网的增长,各种各样的技术随之产生以应对 IPv4 地址的耗尽,如:

网络地址转换(NAT);

专用网络的使用;

动态主机设置协议(DHCP);

基于名字的虚拟主机;

区域互联网注册管理机构对地址分配的控制;

对互联网初期分配的大地址块的回收。

随着 IANA 把最后 5 个地址块分配给 5 个 RIR,其主地址池在 2011 年 2 月 3 日耗尽。许多地址分配和消耗的模型都预测第一个耗尽地址的 RIR 会在 2011 年的下半年出现。

广泛被接受且已被标准化的解决方案是迁移至 IPv6。IPv6 的地址长度从 IPv4 的 32 位增长到了 128 位,以此提供了更好的路由聚合,也为最终用户分配最小为 2 个主机地址的地址块成为可能。迁移过程正在进行,但其完成仍需要相当的时间。

网络地址转换

主条目:网络地址转换

对地址的快速分配和其造成的地址短缺促成了许多有效应用地址的方法,其中一种就是网络地址转换(NAT)。

分片和组装

主条目:IP 分片

互联网协议(IP)是整个互联网架构的基础,可以支持不同的物理层网络,即 IP 层独立于链路层传输技术。不同的链路层不仅在传输速度上有差异,还在帧结构和大小上有所不同,不同 MTU 参数描述了数据帧的大小。为了实现 IP 数据包能够使用不同的链路层技术,需要将 IP 数据包变成适合链路层的数据格式,IP 报文的分片即是 IP 数据包为了满足链路层的数据大小而进行的分割。

在 IPv6 不要求路由器执行分片操作,而是将检测路径最大传输单元大小的任务交给了主机。

分片

当设备收到 IP 报文时,分析其目的地址并决定要在哪个链路上发送它。MTU 决定了数据载荷的最大长度,如 IP 报文长度比 MTU 大,则 IP 数据包必须进行分片。每一片的长度都小于等于 MTU 减去 IP 首部长度。接下来每一片均被放到独立的 IP 报文中,并进行如下修改:

总长字段被修改为此分片的长度;

更多分片(MF)标志被设置,除了最后一片;

分片偏移量字段被调整为合适的值;

首部检验和被重新计算。

例如,对于一个长 20 字节的首部和一个 MTU 为 1,500 的以太网,分片偏移量将会是:0、(1480/8)=185、(2960/8)=370、(4440/8)=555、(5920/8)=740、等等。

如果报文经过路径的 MTU 减小了,那么分片可能会被再次分片。

比如,一个 4,500 字节的数据载荷被封装进了一个没有选项的 IP 报文(即总长为 4,520 字节),并在 MTU 为 2,500 字节的链路上传输,那么它会被破成如下两个分片:

假设下一跳的 MTU 为 1,500 字节,那么每一个分片都会被再次分成两片(由于数据片段只有在目的主机才重新被组成数据报,因此再次分片是针对每个在网络中传输的数据帧):

第 3 和 4 片是从原始第 2 片再次分片而来,所以除了分片后的最后一个分片外 MF 为都为 1。

重组

当一个接收者发现 IP 报文的下列项目之一为真时:

DF 标志为 0;

分片偏移量字段不为 0。

它便知道这个报文已被分片,并随即将数据、标识符字段、分片偏移量和更多分片标志一起储存起来。

当接受者收到了更多分片标志未被设置的分片时,它便知道原始数据载荷的总长。一旦它收齐了所有的分片,它便可以将所有片按照正确的顺序(通过分片偏移量)组装起来,并交给上层协议栈。

辅助协议

互联网协议定义并激活了网络层,它使用一个逻辑地址系统。IP 地址并不以任何永久的方式绑定到硬件,而且事实上一个网络接口可以有许多 IP 地址。为了正确地交付一份报文,主机和路由器需要其它机制来识别设备接口和 IP 地址之间的关联。地址解析协议(ARP)为 IPv4 执行这种 IP 地址到物理地址(MAC 地址)的转换。

此外,反向操作有时候也是必须的,比如,一台主机在启动时需要知道自己的 IP 地址(除非地址已经被管理员预先设置)。被用于这一用途的协议有动态主机设置协议(DHCP)、引导协议(BOOTP)和比较不常用的 RARP。

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