计算机网络——IPv4&IPv6

核心要点：这是一个非常实用的概念，与 NAT（网络地址转换）相关联。
公有 IP ：全球唯一，可以在互联网上直接访问，由 ISP（互联网服务提供商）分配。
私有 IP ：只能在局域网（LAN）内部使用，不能直接在互联网上路由。例如 192.168.x.x、10.x.x.x 和 172.16.x.x。私有 IP 通过 NAT 技术转换成公有 IP，才能访问互联网。

NAT是什么？

核心要点：NAT 是解决 IPv4 地址短缺的重要技术。

作用：它允许一个私有网络内的多台设备共享一个公有 IP 地址来访问互联网。

解决了什么问题：最主要的是缓解了 IPv4 地址耗尽的危机，同时也提供了一定程度的安全保护，因为外部网络无法直接访问内部的私有 IP。

IPv4数据报结构

IPv4 数据报分为两部分：首部（Header） 和 数据（Payload） 。

其中首部最小长度 20 字节 ，最大长度 60 字节（因为有可选字段）

字段解析

首部区（Header）

Version (版本号)

长度：4 位

值：0100 表示 IPv4；0110 表示 IPv6。

IHL (Internet Header Length)

长度：4 位

表示首部长度，以 4 字节（32 位）为单位。

最小值 5（即 5×4=20 字节），最大值 15（即 60 字节）。

Type of Service (服务类型 / DSCP+ECN)

长度：8 位

主要用于 QoS（服务质量），区分优先级、延迟、吞吐量等需求。

前 6 位：DSCP（Differentiated Services Code Point）

后 2 位：ECN（Explicit Congestion Notification）

Total Length (总长度)

长度：16 位

表示整个 IP 包（首部+数据）的长度，最大为 65,535 字节。

Identification (标识符)

长度：16 位

用于分片时标识同一个数据报，接收端可依此重新组装。

Flags (标志位)

长度：3 位

控制分片行为：

第 1 位：保留（0）

第 2 位 DF（Don't Fragment）：=1 表示禁止分片

第 3 位 MF（More Fragments）：=1 表示后面还有分片

Fragment Offset (片偏移量)

长度：13 位

表示当前分片在原始数据报中的偏移位置，以 8 字节为单位。

Time to Live (TTL，生存时间)

长度：8 位

每经过一个路由器，TTL 减 1，减到 0 时数据报丢弃。

防止数据报在网络中无限循环。

Protocol (协议号)

长度：8 位

指明上层协议类型。常见取值：

1 → ICMP

6 → TCP

17 → UDP

Header Checksum (首部校验和)

长度：16 位

只校验首部部分，不包括数据。

用于发现传输过程中首部错误。

Source Address (源地址)

长度：32 位

发出数据报的设备 IPv4 地址。

Destination Address (目的地址)

长度：32 位

接收数据报的设备 IPv4 地址。

Options（可选字段）

可变长度（0~40 字节）。

用于测试、调试、安全等特殊功能。

Padding（填充）

由于首部必须是 4 字节的整数倍，如果 Options 不是 4 字节倍数，就用 0 填充。

数据区（Payload）

位于首部之后，存放上层协议数据（如 TCP 段、UDP 数据报、ICMP 报文等）。

大小 = Total Length - Header Length。

总结

IPv4 首部最小 20 字节，最大 60 字节。

关键字段：TTL（避免死循环）、分片（Identification+Flags+Offset）、Protocol（上层协议识别）、Checksum（首部错误校验检测）。

Payload 部分承载上层数据（TCP/UDP/ICMP 等）。

解决IPv4地址耗尽的常见手段

1.私有地址 + NAT

私有地址思路：局域网内部使用 RFC1918 定义的私有地址（如 192.168.x.x、10.x.x.x），避免占用宝贵的公网 IPv4。

优点：节省公网地址；灵活部署。

缺点：私有地址不能直接在公网通信，必须依赖 NAT。

NAT思路：在边界路由器上，把多个内网 IP 映射到少量公网 IP。

NAPT/端口复用（最常见）：多个内网地址通过端口号复用同一个公网地址

优点：极大延缓 IPv4 地址耗尽；部署简单。

缺点：破坏端到端通信模型；对 P2P、VoIP 等应用不友好。

DHCP + 动态分配

思路：不是每个用户/设备都长期占用固定 IP，而是通过 DHCP 动态分配。用户下线后，IP 可以回收再用。
优点：提高地址利用率。
缺点：不解决总量不足的问题，只是"更精细化管理"。

CIDR（无类域间路由）

思路：替代传统 A/B/C 分类，用子网掩码灵活划分网络，避免浪费。

例子：以前 B 类固定 65534 个主机，但很多机构用不了那么多；CIDR 可以按需分配，比如 /20 只给 4096 个地址。

优点：极大提高地址利用率。

过渡到 IPv6（根本解决方案）

IPv6 地址是 128 位，理论上数量几乎无限（2^128）。

优点：彻底解决地址耗尽问题；恢复端到端通信模式。
缺点：升级成本高；推广周期长。

特殊的IP地址

比如全0，全1，以及私有的，还有就是环回地址等，在这里浅浅总结一下

由于全0和全1不能用来标识主机，所以就是对于上面的那些A类，B类，C类地址来说，都实际可用的主机会-2。

IP分片与重组

MTU的介绍

定义：MTU 是最大传输单元 ，它是在数据链路层 （如以太网）中，一个数据帧能承载的最大数据量。

作用：你可以想象一辆卡车，MTU 就是这辆卡车单次运输能装载的货物上限。在网络中，如果一个 IP 数据包的大小超过了路径上某个网络的 MTU，那么它就必须被分片（Fragmentation）。分片会增加网络设备的负担，降低传输效率，因此通常我们都希望尽量避免分片。

常见值 ：对于以太网，标准的 MTU 值通常是 1500 字节。

MSS的介绍

定义：MSS 是最大报文段大小，它是在传输层 （主要是 TCP 协议）中，一个 TCP 报文段能承载的最大有效载荷（Payload）。简单来说，就是 TCP 数据包中，真正用来装载应用层数据的部分的最大值。

作用：MSS 的存在是为了避免 IP 层分片， 在传输层就对数据包进行划分。在 TCP 连接建立时，通信双方会协商一个 MSS 值。这个值会根据路径上的 MTU 来计算。

MSS (最大报文段大小) 的设定直接取决于 MTU (最大传输单元)。

它们之间的关系可以概括为：

在 TCP 协议中，为了避免数据包在网络层被分片，发送方在建立连接时会根据路径上可用的 MTU ，计算出合适的 MSS 值，然后将这个值告诉对方。

MSS 的计算公式是：

MSS=MTU−IP 首部长度−TCP 首部长度

这个公式的目的是确保：当 TCP 报文段（数据部分）加上 IP 和 TCP 的头部之后，总长度不会超过网络链路的 MTU。这样，数据包就能以完整的形式通过网络，避免了分片带来的性能下降和可靠性问题。

简单来说，MTU 是物理链路的"硬性"限制，而 MSS 则是传输层为了遵守这个限制而做出的"主动"调整。

IP数据报会填满吗？

虽然 IP 数据报的总长度最大可以达到 65,535 字节，但我们在实际传输中并不会刻意去填满它。IP数据报的长度通常由上层协议（如 TCP 或 UDP）决定，并且会受到网络中其他参数的限制。

MTU 的限制这是最重要的原因。

网络中的每一个链路都有自己的 MTU（最大传输单元） ，比如标准的以太网 MTU 是 1500 字节。如果 IP 数据报的总长度超过了链路的 MTU，它就会被分片。分片会带来许多问题：

增加路由器负担：路由器需要花费额外的时间和资源来处理分片和重组。
降低效率：任何一个分片丢失都可能导致整个数据包需要重新传输。
增加丢包风险：分片越多，任何一个分片在传输过程中丢失的概率就越高。

因此，为了避免分片，上层协议（尤其是 TCP）会协商一个合适的 MSS（最大报文段大小），确保 TCP 报文段加上 IP 和 TCP 首部后，总长度不超过路径上的 MTU。

核心原则是：尽量让数据报的总长度不超过路径上最小的 MTU，以避免分片，从而提高传输效率和可靠性。因此，IP 数据报的长度通常是几百到一千多字节，远小于其理论最大值。

分片&重组的过程

为什么会遇到分片重组？

IPv4 数据报的最大长度是 65,535 字节，但网络中不同的数据链路层（如以太网、Wi-Fi）的 MTU(最大传输单元）往往比这个小。如果 IP 数据报长度超过 MTU，就必须把它拆分成更小的片段（分片）进行传输。

分片的机制

分片发生在发送端或中间路由器，由以下字段控制：

Identification（标识符，16 位）

同一数据报的所有分片都具有相同的标识符。

接收端通过它来判断哪些分片属于同一个原始数据报。

Flags（标志位，3 位）

DF (Don't Fragment)：禁止分片。若为 1 且数据报超过 MTU，则丢弃并返回 ICMP 错误（常用于路径 MTU 发现）。

MF (More Fragments)：是否还有后续分片。

1 → 还有后续分片
0 → 最后一片

Fragment Offset（片偏移，13 位）

表示该分片在原始数据报中的相对位置。

以 8 字节（64 位）为单位，保证分片边界对齐。

举例📌

假设要发送一个 4000 字节的 IP 数据报，但链路的 MTU = 1500。

IP 首部 = 20 字节

每个分片最大数据部分 = 1480 字节（1500 - 20）

于是分片结果：

分片 1：1480 数据，Offset=0，MF=1

分片 2：1480 数据，Offset=1480/8=185，MF=1

分片 3：1040 数据，Offset=2960/8=370，MF=0

重组（Reassembly）

发生位置：只在最终目的主机进行，不在中间路由器重组。

依据：

源地址、目的地址、协议号

Identification（标识符）

过程：

收到分片 → 按照 Offset 放入缓冲区 → 根据 MF 判断是否为最后一片

等到所有分片到齐 → 重新拼接成完整数据报

现代网络的优化方式

分片与重组的优缺点：

优点：允许在不同 MTU 的链路上传输大数据报，保证 IP 的"尽力而为"交付。

缺点：

性能消耗：接收方必须维护缓冲区等待所有分片，增加处理开销。
丢包风险：只要有一个分片丢失，整个数据报都无法重组（必须丢弃）。

由于分片的缺点，现代网络通常尽量避免 IP 层分片：

路径 MTU 发现（PMTUD）：通过设置 DF=1，若路由器发现超过 MTU，就返回 ICMP"需要分片但 DF 设置"消息，发送方据此调整报文大小。
传输层分片：引入了MSS，TCP/UDP 通过MSS自行控制分段，保证 IP 层不再分片。

IPv4与IPv6的区别

IP 地址是网络上设备的唯一标识。上面我们说了解决IPv4地址耗尽问题，最根本的解决方式是IPv6代替IPv4。

地址空间&地址表示形式

IPv4：32位地址，通常用点分十进制表示（如 192.168.1.1）。地址空间有限，大约43亿个（实际上更少，因为有保留地址），已基本用完。
IPv6：128位地址，通常用冒号十六进制表示（如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。地址空间巨大，解决了IPv4地址耗尽的问题，几乎取之不尽。

首部结构

IPv4 首部：最小 20 字节，最大 60 字节（有 Options 字段，格式复杂）。
IPv6 首部：固定 40 字节，格式简化（去掉了校验和、分片字段，改用扩展头）。

👉 IPv6 的设计让路由器转发更高效。

在 IPv6 的中间传输过程中，不需要再对 IP 数据报进行校验

IPv4：有首部校验和 → 路由器逐跳检查，重算 → 保障有限，还增加开销。
IPv6 ：取消首部校验和 → 中间路由器不再做校验，依赖链路层 + 传输层的校验 → 提升性能。

分片与重组

IPv4：支持中间路由器分片，目的主机重组。

IPv6：只允许源端分片，中间路由器不再分片，降低路由器负担。

地址类型

IPv4：单播、广播、多播。

IPv6：单播、多播、任播（anycast）；去掉了广播（因为会引发广播风暴）。

本文章很多图片资源来源：小林coding