计算机网络 4-2-1 网络层（IPv4）

• 2 IPv4分组

• 各协议之间的关系

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  IP协议(Internet Protocol, 网际协议)是互联网的核心！

  ARP协议用于查询同一网络中的<主机IP地址，MAC地址>之间的映射关系

  ICMP协议用于网络层实体之间相互通知“异常事件”

  IGMP协议用于实现IP组播

• • 2.1 结构<首部+数据部分>

    • 看书的素图回忆各字段的作用

    • 首部固定部分20B，可变部分0~40B

    • 注意3个与“长度”相关的字段：418，首总偏

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  • 补充：

       版本：v4:0100，v6:0110

       首部长度：固定部分20B，则是5*4=20B,为0101；最大60B，则15*4=60B，为1111

    一般首部长度默认为固定长度

       实际传输过程中， “数据部分”的长度受下一段链路的最短/最长帧长限制

    eg： 以太网帧有最短帧长、最长帧长限制

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• • 2.2 命题重点

    • 2.2.1 分片问题

      • MTU （最大传送单元）：一个链路层数据帧能承载的最大数据量

      • 如果一个IP数据报的总长度大于下一段链路的MTU，就需要将“数据部分”分片

      • 易错：除最后一个分片外，其他每个分片的“数据部分”必须是8B的整数倍

      • 易混

        • 标识16bit，用于区分每个分片原本属于哪个IP数据报

        • 标记3bit, 关注最低位MF、次低位DF

          • MF=1，表示后面还有分片

          • MF=0， 表示这是最后一个分片

          • DF=1，表示不允许被分片

          • DF=0，表示允许被分片

注意：

·IP数据报的“分片”可能在源主机、或任何一个路由器中发生

·只有目的主机才会对分片进行“重组”

·各分片有可能乱序到达目的主机

·由于首部的“片偏移”字段是以×8B为单位，因此，除了最后一个分片外，其他每个分片的数据部分必须是8B的整数倍(片偏移表示的是这个IP数据报它自己承载的数据在原始数据报当中的位置。)

• • • 2.2.2 TTL字段

      • IP分组每经过一个路由器，TTL减1，如果已经减到0，该路由器就丢弃分组，并向源主机发送ICMP报文 （通知出现异常）

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  • 不可达：

    TTL的初始值通常由源主机设置。

    每经过一个路由器，路由器就将TTL减1, 如果TTL减到0,就直接丢弃分组，并向源主机发送ICMP报文

    注：ICMP报文用于通知一个节点发生了某种“异常”

2.3 ip地址最初的分类方案 

• 路由器和路由器连接的接口可以不分配IP地址，但路由器和其他节点连接的接口必须分配IP地址
• 从属于同一个网络的所有主机、路由器接口的IP地址“网络号”都相同
• 当一台新主机接入网络时，需要给它分配一个IP地址、并配置“默认网关”

H1给H7发送IP数据报（166.1.0.0--200.1.1.2）：

        这个IP分组需要发送到另一个网络上，先交给默认网关这台路由器（H1的内部已配置：166.1.0.5）当H1知道了这个默认网关的IP地址之后。通过ARP协议查询到默认网关的IP地址所对应的MAC地址。把这个IP数据包封装成帧，把这个帧的目的MAC地址直接写成b2接口所对应的MAC地址对；

        接下来H1会把这个mac帧发送给交换机，交换机根据MAC地址逐层转发到路由器的b2这个接口，路由器检查目的网络的IP地址网络号，根据转发表查看，把这个数据报从b0接口转发出去。当转发这个IP数据报的时候，也会修改mac帧，把mac帧的目的地址修改为接口的MAC地址。所以会把这个IP数据包重新封装成帧，这个帧的目的MAC地址填写为c0。

        把帧从b0接口转发出去。公司的路由器就收到了这个IP数据包。检查IP数据包的目的地址，查看转发表，确定这个IP数据包接下来从c2这个接口转发出去。那同样根据ARP协议查询对应Mac地址重新封装成帧。

H1给H6发送IP数据报（166.1.0.0--166.1.4.4）：

        先检查源IP和目的IP是否属于同网段，同属同网段就不需要转发到默认网关；h1通过ARP协议查询到h6对应的MAC地址，直接把这个数据包封装成mac帧，把帧发送给交换机，交换机根据mac帧，转交给下一台交换机，交换机再根据mac帧转发到下一个节点，

        该结点是集线器。集线器收到帧之后，会把帧无脑的转发给与之相连的所有结点，h6收到帧查看确认是自己接收，H5查看不是自己不接收丢弃

注意：以上这些特殊地址不能指派给网路中的任何一台主机或路由器“私用”

重要结论：前两行说明，如果一个网络中，主机号占Nbit，那么这个网络中，最多支持台主机&路由器

2.4 子网划分 & 子网掩码

• 2.4.1 子网划分技术

  • ✅子网划分

    • 原理：若某单位租用了一个IP地址段，假设原本主机号占 n bit，那么可以将前k bit抠出来作为子网号，用剩余的n-kbit作为主机号，这样就能划分出2^k个子网（每个子网包含的IP地址块大小相等）

    • 子网划分前，IP地址为两级结构=<网络号，主机号>

    • 子网划分后，IP地址为三级结构=<网络号，子网号，主机号>

    • 注意：每个子网地址中，主机号不能分配为全0/全1 

      • 全0表示子网本身，全1为子网广播地址

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  • 子网划分作用：让一个很大的IP地址块划分成几个相互独立的这种地址块，从而提升IP地址资源的利用率。

  • ✅子网掩码

    • 作用

      • 用子网掩码、IP地址“逐位与”，算出<网络号，子网号>（可合称为“网络前缀”）

      • 只有网络前缀相同的IP地址，才归属于同一个网络 （或子网）

    • 注意

      • 如果一个网络内部进行了子网划分，那么这个网络中的每台主机、每个路由器接口都需要配置IP地址、默认网关、子网掩码

      • 如果一台路由器支持子网划分技术，那么在它的转发表中， 需要包含<目的网络号，子网掩码，转发接口>

  • ✅默认子网掩码

    • 如果一个传统网络 (A/B/C类)内部没有进行子网划分，那么可以将对应此网络的转发表项设置为“默认子网掩码”

      • A类默认255.0.0.0 B类默认255.255.0.0 C类默认255.255.255.0

  • ✅默认路由

    • 默认路由 （默认转发表项）设置：<目的网络号全0，子网掩码全0>

    • 在路由器转发表中，如果所有表项都不匹配，那么将从“默认路由”转发出去

• 2.4.2 主机发送IP数据报的过程

  • 一、判断目的主机和本机是否属于同一个网络

    • ①检查本机IP地址和目的IP地址的网络前缀是否相同（需要用本机配置的子网掩码“逐位与”）

    • ②若网络前缀相同，说明目的主机和本机属于同一个网络；若网络前缀不同，说明不属于同一网络

  • 二、将IP数据报封装成MAC帧并发送到链路上

    • 如果目的主机与本机属于同一个网络，就通过ARP协议找到目的主机的MAC地址，再将IP数据报封装成帧，并将帧发送给目的主机

    • 如果目的主机与本机不属于同一个网络，就通过ARP协议找到默认网关的MAC地址，再将IP数据报封装成帧，并将帧发送给默认网关

• 2.4.3 路由器转发一个IP数据报的过程

  • 一、路由器的某个接口收到一个IP数据报

  • 二、对IP数据报首部进行校验，并从中找到目的IP地址

  • 三、查“转发表”

    • 转发表的表项包含<目的网络号，子网掩码，转发接口>

    • 检查目的IP地址与每个表项能否匹配（将目的IP地址、子网掩码“逐位与”，匹配表项中的目的网络号）

    • 注：至少“默认路由”表项一定是可以匹配成功的

  • 四、转发

    • 根据查转发表的结果，将IP数据报从匹配的接口转发出去

    • 注：如果匹配的“转发接口”和该IP数据报的入口相同，就不用再把IP数据报转发回去

 

训练一：H3→H6（同一子网内的两台主机）：在局域网的内部就完成了IP数据包的传送   

             H3要检查目的地址与源是否从属于同一个网络：用配置的子网掩码和目的地址逐位相与。网络前缀都相同这个目的地址和源从属于同一个网络之内。h3直接把这个IP数据包封装成mac帧，并且在mac帧当中直接说明h6的这个MAC地址。到达集线器，集线器会把帧无脑的转发给h5和h6两台主机。h5主机不会接收这个mac帧，因为目的地址和自己的mac地址不相同，而h6主机会接收这个帧，拆掉mac帧的首部和尾部，得到IP数据包。由于IP地址和自己的IP地址是匹配的，所以h6这台主机就会接收这个IP数据包

训练二：H1→H3（不同子网内的两台主机）

        要判断目的地址和的源IP地址是否同属于同一个网络，把目的地址和源的IP地址和本机内配置好的子网掩码进行逐位与运算，得到两个IP地址的网络前缀。由于二者的网络前缀不相等。

所以就说明这个目的结点和源不在同一个网络内。于是h1需要把这个IP数据包发送给默认网关，让他帮忙转发。转发给b3路由器

        路由器的网络层需要决定这个地址应该往哪转发。首先要和转发表的子网掩码进行相与。相与的结果再和目的网络号进行比较，可以看出和第二行匹配，就会从b2接口把这个IP数据包转发出去。

训练三：H1→H7（采用子网划分技术的网络→传统网络）

        如果它没有进行子网划分，设置默认子网掩码

训练四：H7→H1（传统网络→采用子网划分技术的网络）

训练五：主机H1发往Internet的某个IP数据报如何传输？(设目的IP地址=111.2.3.4)

• 2.5 CIDR无分类编址

  • 2.5.1 基本原理

    • 取消了IP地址传统的A/B/C/D/E 分类。采用无分类编址CIDR,IP地址块分配更灵活，利用率更高，一定程度上缓解了IP地址耗尽 （时代背景：1993年）

    • IP地址={<网络前缀>，<主机号>}，其中网络前缀不定长

    • CIDR记法

      • 128.14.32.153/30, 表示在这个IP地址中，网络前缀占30bit, 主机号2bit

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  • 2.5.2 CIDR地址块的子网划分

    • 定长子网划分

      • 在一个CIDR地址块中，把主机号前k bit抠出来作为定长子网号，这样就能划分出2^k个子网 （每个子网包含的IP地址块大小相等）

      • 缺点：每个子网都一样大，不够灵活，IP地址利用率低，浪费有限的IP地址资源

    • 变长子网划分

      • 在一个CIDR地址块中，划分子网时，子网号长度不固定（每个子网包含的IP地址块大小不同）

    • 注意：在每个子网中，主机号全0、全1的IP地址不能分配给特定节点私用

  • 2.5.3 子网划分解题技巧

    • CIDR地址块的子网划分技巧：可以利用类似于“从根到叶构造二叉哈夫曼树”的技巧

      • ⚠️原始CIDR地址块作为根节点（假设可以自由分配的主机号占 h bit）

      • ⚠️每个分支节点必须同时拥有左右孩子，左0，右1（反过来也行）

      • ⚠️每个叶子结点对应一个子网，根据根节点到达叶子结点的路径来分析子网对应的IP地址块范围

      • ⚠️整棵树的高度不能超过h-1（因为即便最小的子网也至少要保留2bit主机号）

例子： 

注意：路由器和主机相连的链路，需要给路由器节点也分配一个ip地址

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• 2.6 路由聚合

• •         对于一个路由转发表，如果几条路由表项的转发接口相同，部分网络前缀也相同，那么可以将这几条路由表项聚合为一条。这种地址的聚合称为路由聚合，也称构成超网。

  • • 缺点：

              ● 路由聚合可以减少路由表的大小。

              ● 路由聚合可能会引入额外的无效地址。

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存在1： 目的IP地址和转发表多个表项匹配--最长前缀匹配原则

        目的地址128.14.32.131与路由器转发表均匹配，则采用最长前缀匹配原则进行匹配，表项2匹配的长度最长，则从G3转发出去