[吴功宜]计算机网络学习笔记--第五章 网络层

教材：计算机网络（第四版）
作者：吴功宜 吴英
出版社：清华大学

第五章 网络层

5.1 网络层与IP协议

• 网络层基本概念：网络层通过路由选择算法，为IP分组从源主机到目的主机选择一条合适的传输路径，为传输层端—端数据传输提供服务

5.2 IPv4协议的基本内容

5.2.1 IP协议的主要特点

• IP协议：是一种无连接、不可靠的分组传送服务的协议

  (分组→类似数据报P30)

• IP协议是点-点的网络层通信协议

  IP协议是针对源主机—路由器、路由器—路由器、路由器—目的主机之间的数据传输的点—点的网络层通信协议

• IP协议屏蔽了互联的网络在数据链路层、物理层协议与实现技术上的差异

  （IP协议承上启下）

IP协议是为了在分组交换(Packet-switched，又译为包交换)计算机通信网络的互联系统中使用而设计
IP层只负责数据的路由和传输，在源节点与目的节点之间传送数据报，但并不处理数据内容。
数据报中有目的地址等必要内容，使每个数据报经过不同的路径也能准确地到达目的地，在目的地重新组合还原成原来发送的数据 

5.2.2 IPv4分组格式

1. IPv4分组结构

• IP分组也称为IP数据报

• IPv4分组：分组头和数据。IP分组头长度为20B~60B（就是一串数字）

  • 分组头长度可变，每行宽度为4B
  • 前五行为分组头必需有的域，长度为20B（5行*4B）
  • 第六行为选项域，最长为40B

2. 分组头格式

（1）版本字段

• 长度：4位

• 版本字段值为4，表示IPv4

  版本字段值为6，表示IPv6

（2）协议字段

• 长度： 8位

• 作用： 表示使用IP协议的高层协议类型

• 标识使用何种协议，通过该字段指示了IP分组应该交给哪个传输层协议

  （IP数据部分须按什么协议来进行解析，可参考第六章UDP协议）

  

（3）长度

• IP分组头有两个长度字段：分组头长度（报头长度）、总长度

• 分组头长度字段

  • 长度： 4位

  • 作用：它定义了以4字节为一个单位的分组头的长度

    （定义了分组头有多少行）

  • 分组头中除了IP选项字段与填充字段之外，其他各项是定长的

  • IP分组的分组头长度必须为4字节的整数倍。如果不是4字节的整数倍，则由填充字段（填充域）“添0”补齐

  • 分组头长度字段最小值为5($4B\times 5行=20B$)

    （分组头最少有五行）

    最大长度为15 ($4B\times 15行=60B$)

    （分组头长度为4bit，取值范围为：0000B-1111B，也就是0~15行，但规定了分组头最少必须要有五行，因此 分组头的长度范围是5~15行）

• 总长度字段

  • 长度： 16位
  • 作用： 定义以字节为单位的分组总长度，是分组头长度与数据长度之和
  • 总长度字段长度为16位，它能表示的IP分组最大长度为65535（$2^{16}－1$）字节，其中包括分组头长度
  • $IP分组中高层协议的数据长度=分组的总长度-分组头长度$

（4）区分服务字段（服务类型字段）

• 长度： 8位
• 作用： 用于指示路由器如何处理该分组

（5）生存时间（time-to-live，TTL）字段

• 长度： 8位
• 作用： 设定分组在Internet中的“寿命”，它通常是用转发分组最多的路由器跳数（hop） 来度量
• 生存时间TTL的初始值由源主机设置，经过一个路由器转发之后，TTL值减1
• 当TTL的值为0时，丢弃分组并发送ICMP报文通知源主机

（6）头校验和字段

• 长度： 16位

  （P216 中写的是8位，估计是印错了）

• 作用： 保证分组头部数据完整性

• IP分组只对分组头进行校验，不包括分组数据

  • IP分组头之外的部分属于高层数据，高层数据都会有相应的校验字段，IP分组不对高层数据进行校验
  • 每经过一个路由器，IP分组头都要改变一次，数据部分并不改变。设置头校验和只对变化部分进行校验是合理的，可以减少路由器对每个接收分组的处理时间，提高路由器的运行效率

（7）地址字段

• 地址字段包括源地址与目的地址（点-点传输）

• 在分组的整个传输过程中，无论采用什么样的传输路径或如何分片，源地址与目的地址始终保持不变

  （在物理链路层中，物理地址在转发时会改变）

• 源地址字段

  • 长度： 32位
  • 作用： 表示发送分组的源主机的IP地址

• 目的地址字段

  • 长度： 32位
  • 作用： 表示接收分组的目的主机的IP地址

3. IP分组的分片与组装

（1） 最大传输单元（MTU）与IP数据报分片

• MTU(Maximum Transmission Unit)：最大传输单元

  每个数据链路层能够确定发送的一个帧的最大长度

• 分片： 实际使用的网络最大传输单元长度比IP数据报最大长度短，使用它们传输IP数据报时，要对其进行分片传输

  如：Ethernet的MTU的长度为1500B，因此，在使用这些网络传输IP分组时，要将IP分组分成若干较小的片（fragment）来传输

• IP数据报（作为网络层数据）→数据链路层（封装成帧）→物理层（传输到另一物理层）

  • 一个数据报可能要通过多个不同的物理网络

  • 不同的物理网络的数据链路层的MTU长度可能不同（MTU长度由物理网络所采用的协议决定，如PPP协议规定它的信息帧的信息字段最长为1500B，P117）

• 由于IP协议是数据链路的上一层，所以它必须不受数据链路的MTU大小的影响能够加以利用

• 因此，路由器将接收到的帧进行拆包和处理，然后封装成另外一个帧，并准备转发到目的主机时，首先根据下一个网络的数据链路层MTU，决定该分组在转发之前是否需要分片

（2）IP数据报分片的基本方法

先确定片长度，然后将原始IP分组包括分组头分成第1片，若剩下的数据仍大于片长度，再进行第2次分片，第2个分片数据加上分组头构成第2个片，如此直到剩下的数据小于片长度

（3）域标识、标志和片偏移

在IP分组的报头中，与一个分组的分片、组装相关的域有

• 标识域