IPv4¶
IPv4分组¶
IPv4分组的格式¶
IPv4首部的部分重要字段¶
Tip
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IPv4 基本首部最小 20B（IHL=5），IHL 的单位是 4B
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路由器每转发一跳：TTL 减 1，因此首部校验和需要随之更新
| 字段 | 作用 | 易错点 |
|---|---|---|
| Version | 固定为 4 | - |
| IHL（首部长度） | 4B 为单位；决定“数据从哪里开始” | 把单位当字节 |
| Total Length（总长度） | 首部+数据，单位字节；用于分片计算 | 忘了包含首部 |
| Identification（标识） | 同一原始数据报的各分片相同 | - |
| Flags（DF/MF） | DF=不允许分片；MF=后面还有分片 | MF 在最后一片为 0 |
| Fragment Offset（片偏移） | 指示该片数据在原报文中的位置 | 单位是 8B |
| TTL | 抑制环路 | “时间秒数”是误解 |
| Protocol | 指明上层：ICMP=1，TCP=6，UDP=17 | 不要与端口混淆 |
| Header Checksum | 只校验首部 | IPv6 中取消 |
Tip
实际传输过程中，IP分组（数据报）数据部分的长度实际受下一段链路的最短/最长帧长度的限制。
最大传送单元（MTU）
一个链路层数据帧能承受的最大数据量称为最大传送单元（MTU）。以太网的MTU为1500字节。
IP数据报分片¶
为什么会分片¶
不同链路层的 MTU 不同；当某段链路 MTU 小于 IPv4 数据报长度时，如果 DF=0，则路由器可以分片。
分片做题模板
给定：
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链路 MTU
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IPv4 首部长度 \(H\)（无选项时 \(H=20\)）
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原始数据报总长度 \(L\)
步骤：
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每片最大数据载荷（不含首部）：
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\(D_{\max} = MTU - H\)
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除最后一片外，每片数据长度必须是 8B 的整数倍：
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\(D = \left\lfloor \frac{D_{\max}}{8} \right\rfloor \times 8\)
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分片数：
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前面若干片用 \(D\) 装满，最后一片装剩余
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字段填写：
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Identification：所有分片相同
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MF：除最后一片外为 1，最后一片为 0
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Fragment Offset：第 \(k\) 片（从 0 开始）偏移 = \(\frac{k \cdot D}{8}\)
分片与重组位置¶
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分片：IPv4 可以在路由器发生
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重组：只在 目的主机 发生（路由器不重组）
Warning
如果在路由转发的过程中，下一链路的MTU小于IP分组的长度，但是DF又不等于0（不允许分片），路由器会丢弃该IP分组，并向发送方回复一个ICMP包用于报告异常。
IPv4地址与NAT¶
IPv4地址¶
编址的核心：前缀 + 主机号¶
在 CIDR 时代，IPv4 地址最重要的表示是：
a.b.c.d/x（\(x\) 为网络前缀长度）
理解两件事就足够做题：
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同一网段判断：把 IP 与掩码按位与（AND），网络号相同即同网段
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主机数：若主机位数为 \(h=32-x\)，理论主机数 \(2^h\)，可用主机数通常为 \(2^h-2\)
特殊地址¶
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网络地址：主机位全 0
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广播地址：主机位全 1（IPv4 有广播；IPv6 没有）
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私有地址段：
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10.0.0.0/8 -
172.16.0.0/12 -
192.168.0.0/16
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默认网关¶
默认网关是“本机发往外网时的第一跳路由器接口 IP”，它与“子网掩码”一起决定：
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哪些目的在本地直达
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哪些目的需要交给网关转发
网络地址转换¶
NAT 解决什么¶
- IPv4 地址不足：让多个内网主机共享少量公网地址
常见 NAT 形态¶
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静态 NAT：一对一映射（消耗公网地址）
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动态 NAT：地址池映射
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NAPT（端口复用）：多对一，通过端口区分连接（最常见）
NAT 的体系结构副作用¶
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破坏端到端可达性：外部主动访问内网主机困难
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某些协议/应用需要穿透：端口映射、打洞等（了解即可）
划分子网与路由聚合¶
划分子网¶
子网划分的本质：从主机位借若干位做子网号，让一个大网段变成多个更小网段。
做题最常见两种问法：
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给定需求主机数，求最小前缀长度：
- 找到最小 \(h\) 使 \(2^h-2 \ge N\)，则前缀 \(x=32-h\)
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给定前缀，求每个子网可用主机数：
- \(h=32-x\)，可用 \(2^h-2\)
子网掩码和默认网关¶
子网掩码（Subnet Mask）¶
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掩码的本质就是前缀长度的另一种表示：前缀位全 1，主机位全 0
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例：
/24等价于255.255.255.0
默认网关（Default Gateway）¶
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只要目的 IP 不在本地网段，就把二层帧的目的 MAC 设置为“网关的 MAC”，交给网关继续转发
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这里会自然连到 ARP（见后文）
无分类编址CIDR¶
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用前缀长度表示网络规模：
/x -
转发使用最长前缀匹配（LPM）：更具体的路由优先
最长前缀匹配（LPM）怎么理解¶
如果同时存在：
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192.168.0.0/16 -
192.168.1.0/24
目的为 192.168.1.123 时应选 /24，因为它匹配位数更多、范围更小、更精确。
路由聚合¶
路由聚合（超网）的目的：减少路由表项。
常见题型：判断能否聚合/写出聚合前缀。
一个够用的判定方法：
- 若多个网络块 连续 且数量为 \(2^k\)，通常可把前缀缩短 \(k\) 位进行聚合
（真正做题时，以二进制前缀共同前缀长度为准。）
网络层转发分组的过程¶
把一次“跨网段通信”拆成三步，基本就不会写错：
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主机判断目的是否同网段（靠掩码）
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同网段：直达
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不同网段：交给默认网关
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二层寻址（ARP）
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直达：解析“目的主机 IP → 目的主机 MAC”
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走网关：解析“网关接口 IP → 网关 MAC”
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路由器转发
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查表（最长前缀匹配）决定下一跳/出口
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TTL 减 1，必要时产生 ICMP
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重新封装下一跳链路层帧发出
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地址解析协议¶
IP地址与硬件地址¶
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IP 地址：端到端（跨网段）的逻辑标识，用于路由选择
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MAC 地址：一跳范围（同一链路）的链路层标识，用于本地交付
Tip
IP 决定“走哪条路到哪张网”，MAC 决定“这一跳交给谁”。
地址解析协议¶
ARP（Address Resolution Protocol）解决的问题：
- 在同一链路内，已知对方 IPv4 地址，求对方 MAC
基本过程：
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主机广播 ARP Request（谁是 X.X.X.X？告诉我你的 MAC）
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目标主机单播 ARP Reply
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双方（通常）缓存 ARP 表项（会老化）
Warning
ARP 不跨路由器传播（广播域被路由器隔离）。
动态主机配置协议¶
DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）解决的问题：
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主机自动获取：IP、子网掩码、默认网关、DNS 等配置
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典型过程：Discover → Offer → Request → Ack（DORA）
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租约（lease）与续租概念
网际控制报文协议¶
ICMP（Internet Control Message Protocol）用于：
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差错报告：目的不可达、超时（TTL=0）等
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诊断查询：Echo（ping）
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ping：ICMP Echo Request/Reply -
traceroute：利用 TTL 递增触发路由器返回 ICMP Time Exceeded，从而“探测路径上的路由器”
408 高频易错点清单¶
408 高频易错点清单
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片偏移单位：8B
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IPv4 重组位置：目的主机
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TTL 语义：每跳减 1（不是秒）
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ARP 只在本地链路：不跨路由器