通信：(8) 网络层(第3层)：IPv4 与路由器

1. 网络层的功能1.1 异构网络互联核心问题不同物理网络以太网、WiFi、ATM等如何相互通信解决方案IP协议作为统一的网络层协议屏蔽底层差异关键设备路由器Router连接不同网络进行协议转换和分组转发互连层次• 物理层互连中继器、集线器• 数据链路层互连网桥、交换机•网络层互连路由器最常用异构性表现• 不同的帧格式• 不同的地址格式• 不同的最大传输单元MTU• 不同的访问控制方式1.2 路由与转发路由器的两个功能对比维度路由Routing转发Forwarding定义确定分组从源到目的的路径将分组从路由器输入端口移送到输出端口层次全局性、控制平面功能局部性、数据平面功能时间尺度相对慢秒级到分钟级非常快纳秒到微秒级实现位置路由处理器控制平面交换结构数据平面关键算法• 静态路由• RIP距离向量• OSPF链路状态• BGP路径向量• 查表转发• 最长前缀匹配• 硬件加速TCAM1.3 网络层提供的两种服务对比维度数据报服务Datagram虚电路服务Virtual Circuit代表网络InternetIP协议ATM、帧中继、X.25连接建立❌无连接随时发送✅面向连接需先建立虚电路路由选择每个分组独立路由所有分组沿同一路径传输分组顺序❌可能乱序到达✅按序到达地址格式完整的源和目的IP地址简短的虚电路号可靠性尽最大努力Best Effort可提供可靠传输健壮性✅高路由可动态调整❌低链路故障影响所有连接资源分配不预留资源可预留带宽、缓冲区适用场景突发数据、弹性应用实时业务、恒定速率流上图为数据报原理。1.4 软件定义网络 SDN对比维度传统网络SDN软件定义网络架构控制平面与数据平面紧耦合控制平面与数据平面分离控制方式分布式每个路由器独立决策集中式控制器全局控制可编程性差依赖厂商固件强软件可编程管理复杂度高需逐台配置设备低集中控制器统一管理创新速度慢需更新硬件快软件升级即可典型协议OSPF、BGP、RIPOpenFlow、P4三层架构┌─────────────────────────────────┐ │ 应用层Application │ ← 网络应用防火墙、负载均衡等 ├─────────────────────────────────┤ │ 控制层Controller │ ← SDN控制器OpenDaylight、ONOS ├─────────────────────────────────┤ │ 基础设施层Infrastructure│ ← 交换机、路由器OpenFlow交换机 └─────────────────────────────────┘1.5 拥塞控制对比维度网络层拥塞控制传输层拥塞控制控制目标防止路由器缓冲区溢出防止发送方淹没接收方/网络实现位置路由器队列管理端系统TCP典型机制• RED随机早期检测• 拥塞避免• 流量整形• TCP Reno/CUBIC• 慢启动、拥塞避免• 快速重传/恢复2. IPv4IPv4地址本质32位二进制数人类友好格式点分十进制每8位转成一个0-255的数字2.1 首部字段长度说明版本4位IPv4值为4首部长度4位以4字节为单位最小520字节最大1560字节服务类型8位现称区分服务DS用于QoS总长度16位首部数据的总字节数标识16位唯一标识数据报用于分片重组标志3位DF不分片、MF更多分片片偏移13位分片在原数据报中的相对位置以8字节为单位生存时间TTL8位最大跳数防止无限循环通常64或128协议8位指示上层协议TCP6, UDP17, ICMP1首部校验和16位仅校验首部每跳重新计算源/目的IP各32位IP地址2.2 IPv4 地址与 NAT地址分类传统分类类别范围首字节网络号/主机号默认掩码网络数每网络主机数适用场景A类1-1268位/24位255.0.0.012616,777,214大型组织B类128-19116位/16位255.255.0.016,38465,534中型组织C类192-22324位/8位255.255.255.02,097,152254小型网络D类224-239多播地址---组播E类240-255保留---实验特殊IP地址地址用途0.0.0.0本网络上的本主机启动时127.0.0.1本地环回localhost255.255.255.255受限广播地址网络号.全1定向广播地址网络号.全0本网络全0本主机NAT网络地址转换核心思想私有地址 ↔ 公有地址转换解决IPv4地址短缺NAT类型• 静态NAT一对一映射• 动态NAT多对多映射•NAPT网络地址端口转换多对一映射最常用工作原理修改IP数据报的源/目的IP地址和端口号NAT表维护内部IP:端口 ↔ 外部IP:端口映射关系内部网络 NAT路由器 Internet 192.168.1.10:1234 → 203.0.113.1:5001 → 服务器:80 192.168.1.11:5678 → 203.0.113.1:5002 → 服务器:80 NAT转换表 ------------------------------------ | 内部地址:端口 | 外部地址:端口 | ------------------------------------ | 192.168.1.10:1234| 203.0.113.1:5001 | | 192.168.1.11:5678| 203.0.113.1:5002 | ------------------------------------例互联网 │ └─ [光猫/路由器 公网IP: 203.0.113.1] │ ├─ Wi-Fi: 192.168.1.1/24路由器自己 ├─ 手机: 192.168.1.100/24 ├─ 电脑: 192.168.1.101/24 └─ 智能电视: 192.168.1.102/24工作原理用私有地址 192.168.1.100 访问百度路由器把源IP改成公网IP如203.0.113.1记录映射表192.168.1.100:5000 → 203.0.113.1:6000百度回复给 203.0.113.1:6000路由器查表转发给 192.168.1.100:5000NAT的好处1个公网IP → 供全家几十台设备共享隐藏内部网络结构安全2.3 划分子网与路由聚合2.3.1 子网划分子网划分Subnetting将一个较大的IP网络地址空间逻辑分割为多个较小的子网每个子网具有独立的网络标识但共享相同的IP地址前缀。子网掩码 划分网络部分和主机部分的标尺计算网络地址IP 掩码192.168.1.100 255.255.255.0 192.168.1.0关键定义网络地址标识整个网络的地址主机位全0广播地址标识网络内所有主机的地址主机位全1子网掩码32位二进制数用于区分网络位和主机位子网位从主机位中借位用于子网标识的位未划分子网划分子网192.168.1.0/24254个可用地址192.168.1.0/2662个可用地址192.168.1.64/2662个可用地址全网络广播仅子网内广播单一故障域多个故障域无安全隔离部门间隔离示例C类网络192.168.1.0/24 需要划分4个子网 借2位主机位作为子网位 子网掩码255.255.255.192 或 /26 子网1: 192.168.1.0/26 (00 000000 - 00 111111) 可用主机: 1-62 子网2: 192.168.1.64/26 (01 000000 - 01 111111) 可用主机: 65-126 子网3: 192.168.1.128/26 (10 000000 - 10 111111) 可用主机: 129-190 子网4: 192.168.1.192/26 (11 000000 - 11 111111) 可用主机: 193-254 每个子网可用主机数: 2^6 - 2 62减去网络地址和广播地址2.3.2 路由聚合路由聚合Route Aggregation也称为超网Supernetting是将多个连续的子网合并为一个更大的网络前缀以减少路由表条目数量。为什么需要路由聚合减少路由表大小降低路由器内存需求加速路由查找减少匹配条目数量降低路由更新开销减少BGP/OSPF更新流量路由聚合示例原始路由表 192.168.0.0/24 → 接口0 192.168.1.0/24 → 接口0 192.168.2.0/24 → 接口0 192.168.3.0/24 → 接口0 聚合后 192.168.0.0/22 → 接口0 验证192.168.0.0 - 192.168.3.255 都在 /22 范围内2.4 网络层转发分组的过程输入: IP分组 (源IP10.0.0.1, 目的IP192.168.1.10) 1. 检查目的IP: 192.168.1.10 - 不是本机地址 2. 路由表查询: 192.168.1.0/24 → Gi0/0 0.0.0.0/0 → 10.0.0.1 3. 匹配结果: 192.168.1.0/24 (最长前缀) 4. 数据包处理: - TTL64 → 63 - 校验和重新计算 5. 转发: - 下一跳: 192.168.1.1 (直接连接) - 通过Gi0/0接口发送 - ARP解析192.168.1.10的MAC地址2.5 地址解析协议 ARPARPAddress Resolution Protocol将IP地址解析为MAC地址IP地址32位逻辑地址网络层MAC地址48位物理地址数据链路层ARP请求广播查询MAC地址ARP响应单播返回MAC地址2.6 动态主机配置协议 DHCPDHCPDynamic Host Configuration Protocol自动分配IP地址和其他网络参数DHCP四步交互DORADHCP Discover客户端广播发现服务器DHCP Offer服务器提供IP地址DHCP Request客户端请求特定IPDHCP Ack服务器确认分配客户端 路由器/中继 DHCP服务器 │ │ │ │ 1. DHCP Discover │ │ │ (广播: 0.0.0.0:68) │ │ ├─────────────────────────►│─────────────────────────►│ │ │ │ │ │ 2. DHCP Offer │ │ │ (单播/广播: 提议IP) │ │ │◄─────────────────────────┤ │◄─────────────────────────┤ │ │ │ │ │ 3. DHCP Request │ │ │ (广播: 请求IP) │ │ ├─────────────────────────►│─────────────────────────►│ │ │ │ │ │ 4. DHCP ACK │ │ │ (单播/广播: 确认) │ │ │◄─────────────────────────┤ │◄─────────────────────────┤ │ │ │ │ ✓ 客户端获得IP地址开始使用 Discover: 客户端寻找服务器 Offer: 服务器提供IP地址 Request: 客户端请求使用该IP ACK: 服务器确认分配2.7 网际控制报文协议 ICMPICMPInternet Control Message Protocol用于网络诊断和错误报告的网络层协议3. 路由器3.1 冲突域与广播域特性冲突域广播域定义信号冲突发生的区域广播帧传播的区域层次物理层Layer 1数据链路层Layer 2边界设备交换机、网桥路由器影响范围仅影响发送设备影响整个广播域内所有设备典型大小通常为单个网段可能覆盖多个网段解决方法交换机分隔冲突域路由器分隔广播域设备冲突域影响广播域影响说明集线器无分隔所有端口同一冲突域无分隔所有端口同一广播域信号放大广播所有端口交换机分隔每端口独立冲突域无分隔所有端口同一广播域基于MAC地址转发广播帧泛洪路由器分隔每个接口独立冲突域分隔每个接口独立广播域基于IP地址转发不转发广播帧3.2 路由器的组成和功能硬件架构----------------------------------------- | CPU | | - 运行操作系统IOS、NX-OS、VRP等 | | - 处理路由协议、管理任务 | | - 维护路由表、ARP表等 | ---------------------------------------- | 控制总线 ---------------------------------------- | 交换矩阵 | | - 专用ASIC芯片实现线速转发 | | - 无阻塞架构Non-blocking | | - 背板带宽 端口数 × 2 × 速率 | ---------------------------------------- | 数据总线 ---------------------------------------- | 端口模块 | | - 物理接口以太网、光纤、串口等 | | - PHY芯片电信号/光信号转换 | | - 缓冲区应对突发流量 | -----------------------------------------路由器体系结构1. 路由选择Route Selection运行路由协议OSPF、BGP等计算最优路径维护路由表路由表示例: 192.168.1.0/24 Direct 0 Gi0/0 10.0.0.0/8 OSPF 110 Gi0/1 0.0.0.0/0 BGP 20 Gi0/22. 分组转发Packet Forwarding查找FIB转发信息库TTL减1更新校验和选择出接口转发决策流程: 1. 检查目的IP是否为本地 2. 查找路由表最长前缀匹配 3. TTL减1 → 校验和更新 4. 转发到下一跳3. 网络地址转换NAT私有IP ↔ 公网IP转换端口复用NAPT内网: 192.168.1.100:5000 → 公网: 203.0.113.1:6000 内网: 192.168.1.101:5000 → 公网: 203.0.113.1:6001