1. IPv4协议深度解析与实战案例1.1 IPv4报文结构拆解IPv4报文就像一封传统信件由信封首部和信纸数据组成。首部固定20字节最大可扩展至60字节。我抓包分析过一个典型IPv4报文其结构如下版本号4位0100表示IPv4相当于信封上标注V4首部长度4位0101表示20字节5×4字节就像信封厚度服务类型8位现代网络常用DSCP标记优先级比如视频通话会标记为EF加速转发总长度16位我实测MTU为1500字节时数据部分通常为1480字节扣除20字节首部生存时间TTL8位Windows默认128Linux默认64。用tracert命令时能看到每跳TTL减1的过程协议字段8位6表示TCP17表示UDP。就像信封内注明是合同还是家书分片三件套标识、标志、片偏移特别值得注意。当发送4000字节大包时会被分成分片11480字节MF1偏移0分片21480字节MF1偏移185分片31040字节MF0偏移3701.2 子网划分实战技巧某企业分配到B类地址172.16.0.0/16需要划分16个子网。根据公式2ⁿ≥16n4因此子网掩码为255.255.240.0/20。每个子网有2¹²-24094个可用地址。子网划分三步法确定需要的主机数→计算主机位根据子网数→计算网络位校验剩余主机位是否满足需求例如将192.168.1.0/24划分为4个子网每个子网60台主机2²≥4 → 借2位子网掩码255.255.255.192剩余6位主机位→2⁶-26260满足需求子网地址192.168.1.0/26、192.168.1.64/26等1.3 ARP协议工作原理当主机A(192.168.1.2)访问主机B(192.168.1.3)时A检查ARP缓存若无B的MAC地址A广播ARP请求谁的IP是192.168.1.3B单播回复我是192.168.1.3MAC是00-1A-2B-3C-4DA更新ARP缓存开始通信抓包可见ARP操作码1为请求2为应答。免费ARP源目IP相同用于地址冲突检测。2. IPv6技术演进与核心改进2.1 IPv6地址体系精要IPv6地址就像电话号码升级长度从32位→128位相当于从7位座机号升级到13位手机号表示法冒号十六进制如2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334压缩规则连续0可用::替代但只能出现一次地址类型对比类型IPv4示例IPv6示例单播192.168.1.12001:db8::1组播224.0.0.1FF02::1任播无2001:db8::100环回127.0.0.1::12.2 NDP协议取代ARPIPv6通过邻居发现协议(NDP)实现地址解析节点A发送ICMPv6邻居请求(NS)到目标地址的请求节点组播地址节点B通过邻居通告(NA)响应包含自己的MAC地址双方建立邻居缓存相当于ARP缓存优势基于组播而非广播减少网络风暴风险支持地址自动配置。2.3 无状态地址自动配置当设备接入IPv6网络时生成链路本地地址(FE80::/10 EUI-64)发送路由器请求(RS)接收路由器通告(RA)获取全局前缀组合前缀EUI-64形成全球单播地址EUI-64生成示例 MAC地址00-11-22-33-44-55 → 插入FFFE → 0211:22ff:fe33:44553. 过渡技术与协议对比3.1 双栈技术部署在路由器配置示例interface GigabitEthernet0/0 ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 ipv6 address 2001:db8::1/64 ipv6 enable排错要点ping -6测试IPv6连通性netsh interface ipv6 show neighbors查看NDP缓存3.2 隧道技术实现6to4隧道配置示例# Linux端 ip tunnel add tun6to4 mode sit remote 192.0.2.1 local 203.0.113.2 ip link set dev tun6to4 up ip -6 addr add 2002:cb00:71ff::1/16 dev tun6to4 ip -6 route add 2000::/3 via ::192.0.2.13.3 协议字段对比表特性IPv4IPv6地址长度32位128位首部长度20-60字节固定40字节分片路由器可分片仅发送端可分片校验和首部校验取消校验依赖上层和链路层QoS支持TOS字段流标签(20位)广播支持取消用组播替代4. 典型习题精讲4.1 分片计算题解析题目UDP数据报4192B经MTU1500B的以太网传输IP首部20B求分片参数。解答每个分片最大数据量1500-201480B分片数⌈(41928)/1480⌉3片UDP首部8B分片参数分片11480BMF1偏移0/80分片21480BMF1偏移1851480/8分片31232BMF0偏移3702960/84.2 IPv6地址转换将IPv4地址192.0.2.1转换为IPv6兼容地址::192.0.2.1IPv6映射地址::ffff:192.0.2.1Python实现代码def ipv4_to_mapped(ipv4): parts list(map(int, ipv4.split(.))) return f::ffff:{parts[0]:02x}{parts[1]:02x}:{parts[2]:02x}{parts[3]:02x} print(ipv4_to_mapped(192.0.2.1)) # 输出::ffff:c000:2014.3 路由聚合演练将以下路由聚合成最简形式2001:db8:1000::/482001:db8:1001::/482001:db8:1002::/48步骤对比第三个16位块0x10000001000000000000 0x10010001000000000001 0x10020001000000000010最长公共前缀44位2001:db8:1000::/44 计算机网络核心协议深度解析——从IPv4到IPv6的演进与实战习题精讲
1. IPv4协议深度解析与实战案例1.1 IPv4报文结构拆解IPv4报文就像一封传统信件由信封首部和信纸数据组成。首部固定20字节最大可扩展至60字节。我抓包分析过一个典型IPv4报文其结构如下版本号4位0100表示IPv4相当于信封上标注V4首部长度4位0101表示20字节5×4字节就像信封厚度服务类型8位现代网络常用DSCP标记优先级比如视频通话会标记为EF加速转发总长度16位我实测MTU为1500字节时数据部分通常为1480字节扣除20字节首部生存时间TTL8位Windows默认128Linux默认64。用tracert命令时能看到每跳TTL减1的过程协议字段8位6表示TCP17表示UDP。就像信封内注明是合同还是家书分片三件套标识、标志、片偏移特别值得注意。当发送4000字节大包时会被分成分片11480字节MF1偏移0分片21480字节MF1偏移185分片31040字节MF0偏移3701.2 子网划分实战技巧某企业分配到B类地址172.16.0.0/16需要划分16个子网。根据公式2ⁿ≥16n4因此子网掩码为255.255.240.0/20。每个子网有2¹²-24094个可用地址。子网划分三步法确定需要的主机数→计算主机位根据子网数→计算网络位校验剩余主机位是否满足需求例如将192.168.1.0/24划分为4个子网每个子网60台主机2²≥4 → 借2位子网掩码255.255.255.192剩余6位主机位→2⁶-26260满足需求子网地址192.168.1.0/26、192.168.1.64/26等1.3 ARP协议工作原理当主机A(192.168.1.2)访问主机B(192.168.1.3)时A检查ARP缓存若无B的MAC地址A广播ARP请求谁的IP是192.168.1.3B单播回复我是192.168.1.3MAC是00-1A-2B-3C-4DA更新ARP缓存开始通信抓包可见ARP操作码1为请求2为应答。免费ARP源目IP相同用于地址冲突检测。2. IPv6技术演进与核心改进2.1 IPv6地址体系精要IPv6地址就像电话号码升级长度从32位→128位相当于从7位座机号升级到13位手机号表示法冒号十六进制如2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334压缩规则连续0可用::替代但只能出现一次地址类型对比类型IPv4示例IPv6示例单播192.168.1.12001:db8::1组播224.0.0.1FF02::1任播无2001:db8::100环回127.0.0.1::12.2 NDP协议取代ARPIPv6通过邻居发现协议(NDP)实现地址解析节点A发送ICMPv6邻居请求(NS)到目标地址的请求节点组播地址节点B通过邻居通告(NA)响应包含自己的MAC地址双方建立邻居缓存相当于ARP缓存优势基于组播而非广播减少网络风暴风险支持地址自动配置。2.3 无状态地址自动配置当设备接入IPv6网络时生成链路本地地址(FE80::/10 EUI-64)发送路由器请求(RS)接收路由器通告(RA)获取全局前缀组合前缀EUI-64形成全球单播地址EUI-64生成示例 MAC地址00-11-22-33-44-55 → 插入FFFE → 0211:22ff:fe33:44553. 过渡技术与协议对比3.1 双栈技术部署在路由器配置示例interface GigabitEthernet0/0 ip address 192.168.1.1 255.255.255.0 ipv6 address 2001:db8::1/64 ipv6 enable排错要点ping -6测试IPv6连通性netsh interface ipv6 show neighbors查看NDP缓存3.2 隧道技术实现6to4隧道配置示例# Linux端 ip tunnel add tun6to4 mode sit remote 192.0.2.1 local 203.0.113.2 ip link set dev tun6to4 up ip -6 addr add 2002:cb00:71ff::1/16 dev tun6to4 ip -6 route add 2000::/3 via ::192.0.2.13.3 协议字段对比表特性IPv4IPv6地址长度32位128位首部长度20-60字节固定40字节分片路由器可分片仅发送端可分片校验和首部校验取消校验依赖上层和链路层QoS支持TOS字段流标签(20位)广播支持取消用组播替代4. 典型习题精讲4.1 分片计算题解析题目UDP数据报4192B经MTU1500B的以太网传输IP首部20B求分片参数。解答每个分片最大数据量1500-201480B分片数⌈(41928)/1480⌉3片UDP首部8B分片参数分片11480BMF1偏移0/80分片21480BMF1偏移1851480/8分片31232BMF0偏移3702960/84.2 IPv6地址转换将IPv4地址192.0.2.1转换为IPv6兼容地址::192.0.2.1IPv6映射地址::ffff:192.0.2.1Python实现代码def ipv4_to_mapped(ipv4): parts list(map(int, ipv4.split(.))) return f::ffff:{parts[0]:02x}{parts[1]:02x}:{parts[2]:02x}{parts[3]:02x} print(ipv4_to_mapped(192.0.2.1)) # 输出::ffff:c000:2014.3 路由聚合演练将以下路由聚合成最简形式2001:db8:1000::/482001:db8:1001::/482001:db8:1002::/48步骤对比第三个16位块0x10000001000000000000 0x10010001000000000001 0x10020001000000000010最长公共前缀44位2001:db8:1000::/44 RELATED READING
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