IPv4

简介

Internet Protocol version 4，网络层核心协议，用于在基于分组交换的网络中进行数据传输。

格式

32 位二进制数，通常以点分十进制表示

	第一字节	第二字节	第三字节	第四字节
二进制	$11000000.$	$10101000.$	$00000000.$	$00000001$
十进制	$192.$	$168.$	$0.$	$1$

• 每个点分十进制数的范围是 0~255
• 总共 有 $2^{32}$ 个地址，约为 42 亿

划分

IPv4 地址包含两部分信息

• 网络号：用于标识网段
• 主机号：用于标识网段中的主机

子网掩码

用 32 位掩码表示，1 表示网络号，0 表示主机号

	十进制	二进制
IP	$192.168.0.1$	$11000000.10101000.00000000.00000001$
子网掩码	$255.255.255.0$	$11111111.11111111.11111111.00000000$
网络号	$192.168.0.0$	$11000000.10101000.00000000.00000000$
主机号	$0.0.0.1$	$00000000.00000000.00000000.00000001$

• IP 地址 & 子网掩码 = 网络号
• IP 地址 & ~子网掩码 = 主机号

CIDR

无类域间路由选择（Classless Inter-Domain Routing）使用斜杠表示法表示网络号长度

子网掩码	CIDR
$255.255.255.0$	$/24$

分类

以前将 IPv4 地址分为五类，固定网络号和主机号长度，因不够灵活已被 CIDR 取代。

类别	前缀	网络号位数	范围	网络数	主机数	适用
A	0	8 位	1.0.0.0 ~ 126.255.255.255	128	16,777,214	超大型网络
B	10	16 位	128.0.0.0 ~ 191.255.255.255	16,384	65,534	中型网络
C	110	24 位	192.0.0.0 ~ 223.255.255.255	2,097,152	254	小型网络
D	1110	-	224.0.0.0 ~ 239.255.255.255	-	-	组播
E	11110	-	240.0.0.0 ~ 255.255.255.255	-	-	保留（实验）

特殊地址

地址	用途
0.0.0.0	表示”任意地址”
127.0.0.0/8	回环地址（localhost）
169.254.0.0/16	APIPA 自动分配（DHCP失败时）
10.0.0.0/8	私有地址 A类
172.16.0.0/12	私有地址 B类
192.168.0.0/16	私有地址 C类
255.255.255.255	受限广播

NAT

网络地址转换（Network Address Translation），用于将私有地址映射为公网地址。

工作原理

sequenceDiagram
box White
    participant A as 主机
    participant B as NAT
    participant C as 互联网
end
    A->>B: 私有地址请求
    note right of A: 192.168.0.10 > 203.0.113.5
    activate B
    B->>C: 公网地址请求
    note right of B: 110.242.0.1 > 203.0.113.5
    deactivate B
    activate C
    C-->>B: 响应数据包
    note left of C: 110.242.0.1 < 203.0.113.5
    deactivate C
    activate B
    B-->>A: 私有地址响应
    note left of B: 192.168.0.10 < 203.0.113.5
    deactivate B

映射表

记录 $IP_{in}:port_{in} \leftrightarrow IP_{out}:port_{out}$ 映射关系

私有地址	内部端口	外部端口	公网地址
$192.168.0.10$	$1000$	$60000$	$203.0.113.5$
…	…	…	…