Internet Protocol version 4 網際網路協定版本 4

作者	AM
進度	完成
週次	2021.03 Week 4

前言

你可能是一般用戶，你也可能沒聽過一堆亂七八糟的網路協定，但唯有一個你不能錯過

「Internet Protocol」

咳咳，「Internet Protocol」，也就是網際網路協定，是網際網路協議套組的一部份，通常跟另一個協定 TCP 綁在一起合稱 TCP / IP，在網路系統當中擔任核心角色、維護著基礎結構的和平。

Internet Protocol 😀

「欸你遊戲伺服器的 IP 是多少」，遊戲玩家都知道的經典問句。
嚴格說起來那個東西叫做 IP 位址 ( IP Address )。在這廣大的網路系統當中，位址就好比你家的門牌，而在這一個網路協定當中位址只是他的一部份。除此之外，他還規定如何為你的網路資料做封裝，也就是做成封包。還有定址與基礎路由的工作

這個協定各個版本的規定不同，目前主流且已面市的有 IPv4 與 IPv6 兩種，將分別做介紹。

IPv4 網際網路協定版本 4

前幾個版本去哪了？基本上就是因為無法做為實際用途、或是純粹拿來實驗的
直到 IPv4 才被廣泛部署與使用。

位址 Address

IPv4 的位址是一個 32 位元長度的整數值。
而平時你應該會看到類似這樣的形式 192.168.1.1 ，稱為點分十進制。
把 32 個位元切成 4 份，用逗點隔開，每一份包含 8 個位元的資料並用十進制表示，也是目前最廣泛使用的表示方法，故不討論其他的表示方法。

遮罩與子網路 Mask & Subnet

當一個網路持有大量的 IP 位址時，在管理上是個非常大的問題，你那 500 元的 Router 的 Routing Table 肯定爆滿，效能也挺差的。而且你需要這麼多位址嗎？

因此透過切割網路來分組這些 IP 位址，分割出來的就稱子網路、網段，每個網段都可能持有不同數量的 IP 位址，是留了一個相當的彈性。

至於切割方式就是透過「遮罩」，使用遮罩來辨識你的裝置究竟在哪一個網段，所以知道哪一些 IP 位址資訊是你的裝置需要知道的。

遮罩與位址都是一個 32 位元的數值，有兩種表示方法：

( A ) 長度表示法。/n，例如 /8、/16、/24 ，也就是前 n 個都是 1。
( B ) 位址表示法。像是 255.255.255.0 這種形式。

這兩種是可以互換的，像是 255.255.255.0 轉換成二進址前面 24 個位元都是 1 ，所以在 ( A ) 表示方法就是 24，幹話。然後 8 要轉換成 ( B ) 表示法，也就是前 8 個位元都是 1，你會得到 127.0.0.0

得到遮罩之後，我們要將它與 IP 位址做 AND 運算，方可得到該網段，也能知道你的持有的 IP 在哪了。假設你有一 IP 位址 192.168.0.32 ，遮罩 /17，以下示範：

192.168.0.32        -> 11000000.10101000.00000000.00100000
/17 (255.255.128.0) -> 11111111.11111111.10000000.00000000
-----------------------------------------------------------
                       11000000.10101000.00000000.00000000
											 192.168.0.0 就是你的網段標識了。

修但幾壘，網段標識是什麼，其實你分割出來的網段還要「去頭去尾」，網段首個 IP 位址就是你這個網段的標識，而最後一個叫做廣播位址。以上面的例子就是 192.168.0.0 與 192.168.127.255。

不知道怎麼證明 192.168.127.255 是該網段最後一個位址的，請動手算一次。

另外你可以知道的是，這一個網段被切割成了 2^(17 - 16) 段，每個網段包含 2 ^ (24 - 17) 個 IP 位址。攤牌了，記住 8、16、24，這幾個數字，都是 8 的倍數，恰好點分十進制每一段都是 8 個位元。

出個問題給你，請問 192.168.128.1 ，遮罩 /17 與剛才的位址是同個網段嗎？

192.168.128.1       -> 11000000.10101000.10000000.00000001
/17 (255.255.128.0) -> 11111111.11111111.10000000.00000000
-----------------------------------------------------------
                       11000000.10101000.10000000.00000000
											 192.168.128.0

網段標識顯然不太一樣，證明不在同個網段的。

順帶一題你也可以用 IPv4位址/遮罩長度 來簡寫一個位址與網段關係。

保留位址 Reversed Address

Q：IPv4 的位址長度是 32，意思是有 2^32 個位址可用嗎？從 0.0.0.0 到 255.255.255.255？

A：說對一半，但是實際上能在廣域網路當中使用的會更少，除了每個網段「去頭去尾」之外，因為有些位址被保留下來做特殊用途的！

就好比 192.168.0.0 / 16 這一個子網路，他是常用在區域網路的位址分配上，畢竟位址有限，你可能也只需要一台裝置對外對內處理網際網路流量就好。

所以下次別人拿這個網段的 IP 給你，除非你跟他在同一區域網路內，否則你是連不到的。嗆他

封包結構 Packet Structure

廢話不多說，直接上圖。

封包有兩個部分。

第一個是你的資料、

第二叫做 IP Header，告訴那些裝置你這個封包的基礎資訊、什麼協定、傳哪裡去之類的。

挑幾個重點，剩下請 Google。

Version，佔 4 個位元，表示版本

Protocol，你的資料是什麼協定

TTL，你這個封包可以經過幾個路由，每次通過都會減 1，到 0 就棄包了。

Source Address，來源位址，誰傳的

Destination Address，目標位址，要寄到誰家

目前面臨的問題

想當然爾，世界上有這麼多個人， 2^32 個位址夠分嗎。

實際上在 2011 年 IANA 便將所有的 IPv4 位址分配完了，人類不得不解決這個問題，也就是導入最新的 IPv6 協定，這個協定有著多到和天上星星差不多數量的位址。

當然遷移沒有這麼簡單，到今天都還一堆人在用 IPv4，現階段除了 v6 這個選擇之外，你應該也要參考一下這一篇 NAT 簡介