计算机网络（自顶向下方法）笔记-网络层02

最新推荐文章于 2023-04-28 11:46:51 发布

原创最新推荐文章于 2023-04-28 11:46:51 发布 · 734 阅读

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本文详细解析了互联网网络层的IP协议、路由选择、数据报格式，包括分片机制、IPV4编址方法，以及DHCP协议和网络地址转换(NAT)的应用。讲解了IP数据报的关键字段、IP地址分配和子网划分，以及动态获取IP地址的过程。

网际协议：因特网中的转发和编址

因特网的网络层有三个主要组件：

IP协议
路由选择部分
报告数据报中的差错和对某些网络层信息请求进行响应的设施

下图是因特网网络层的内部视图：

在这里插入图片描述

1.1 数据报格式

网络层分组被称为数据报，IPV4数据报格式如下图：

在这里插入图片描述

其中的关键字段如下：

版本号：4个比特。通过查看版本号，路由器可以确定如何解释IP数据报的剩余部分，因为不同IP版本使用不同数据报格式。
首部长度：4个比特。确定IP数据报数据部分实际从哪里开始。
服务类型：使不同类型的IP数据报（如要求时延低的数据报）能相互区别开。
数据报长度：16个比特，IP数据报的总长度（首部+数据），以字节计算。IP数据报的理论长度为65535字节，但实际很少超过1500字节。
标识，标志，片偏移：与IP分片有关。IPV6不允许路由器对分组分片。
寿命（TTL）：该字段确保数据报不会永远在网络中循环。数据报每过一个路由器，TTL减1，减到0就丢弃。
协议：仅在达到目的地才有用。指示IP数据报的数据部分交给哪个运输层协议，比如6表示交给TCP，17交给UDP。协议号是将网络层与运输层绑定到一起的粘合剂，端口号则用于运输层和应用层的绑定。
首部校验和：帮助路由器检测收到的IP数据报的比特错误。TCP/IP在运输层与网络层都执行差错检测。
源和目的IP地址：通过源主机通过DNS查找来决定目的地址。
选项：该字段允许IP首部被扩展。很少使用，所以数据报首部不包括该字段的信息
数据：该字段除了包含TCP和UDP外，也可重载其他类型的数据，如ICMP报文。

IP数据报的首部有20字节（假设无选项）。如果数据报承载一个TCP报文段，每个数据报共承载40字节的首部（有20字节的TCP首部）

1.1.1 IP数据报分片

并不是所有链路层协议都能承载相同长度的网络层分组，不同协议承载数据量不同。一个链路层帧能承载的最大数据量叫做最大传送单元（MTU），MTU对IP数据报长度具有严格限制，且每段链路可能使用不同链路层协议，MTU也就不一样。要将较大的IP分组压缩进链路层的有效载荷字段，需要将IP数据报分成小的数据报，这些数据报称为片。

片到目的地运输层前要重新组装，为保持网络简单的原则，IPV4将数据报重新组装的工作放在端系统，而不是在路由器中。标识，标志，片偏移字段就是为了让目的主机执行组装任务的。下面为三个字段的作用：

1. 生成一个数据报时，发送主机为该报设置源和目的地址的同时加上标识号。每当路由器需要对一个数据报分片时，形成的片有初始数据的源和目的地址以及标识号。当目的主机收到一系列数据报时，就能检查标识号以确定哪些数据报是一起的。
2. 由于IP是不可靠的服务，有些片可能永远到不了目的地，所以为了让目的主机相信它已收到了初始数据报的最后一个片，最后一个片的标志比特被设为0，其他标志比特为1。
3. 为了让目的主机确定是否丢失了片，并且能按正确顺序装片，使用偏移字段指定该片在初始IP数据报的位置。

下图为一个4000字节的IP数据报（20字节的首部，3980字节的有效载荷）到达路由器，且必须被转发到一条MTU为1500字节的链路上，所以要被分为三个片。

在这里插入图片描述

假定初始数据报贴身标识号为777，三个片的特点如下表，其中除了最后一片，有效载荷数是8字节的倍数，偏移值也是以8字节为单位的。存在片没有到达目的地，数据报就会丢弃。

在这里插入图片描述

1.2 IPV4编址

路由器和它的任意一条链路间的边界叫接口，所以一台路由器有多个接口。因为每台主机和路由器都能发送和接受IP数据报，IP要求每台主机和路由器接口有自己的IP地址。IP地址技术上是与一个接口想关联的，不是与包括该接口的主机和路由器相关联的。

下图是一个路由器用于互联7台主机：

在这里插入图片描述

观察左上侧主机和它们连接的路由器接口，IP地址前24比特是相同的，互联这3台主机接口和1个路由器的网络形成一个子网。IP编址为这个子网分配一个地址：223.1.1.0/24，后面的/24记法也称子网掩码，指示32比特中前24比特定义了子网地址。图中存在3个IP子网。

子网的IP定义并不局限于多台主机到路由器接口的以太网段，也可以是路由器间的接口。下图中，每两个路由器接口间也是一个子网。

在这里插入图片描述

因特网的地址分配策略被称为无类别域间路由选择（CIDR）。它将子网寻址一般化，32比特的地址被分为两个部分，形如a.b.c.d/x，其中x指示了地址的第一部分中的比特数。这大大减少了路由器中转发表的长度，因为这种形式足以将数据报转发到组织内的任何目的地。剩余的32-x比特可以认为是用于区分组织内部设备的，其中所有设备具有相同的网络前缀。

在CIDR被使用前，具有不同比特位数的子网地址被分类编址为A,B,C类网络。一个B类子网可支持65534台主机，C类可支持256台主机。一个有2000台主机的组织被分了个B类地址，就会导致剩下的63000个地址无法被其他组织使用。

还有一种类型的IP地址：255.255.255.255，即广播地址。当一台主机发出一个目的地址为该地址的数据报时，该报文会交付同一个网络的所有主机。

主机或子网要得到它们的地址，需要看一个组织如何获得一个地址块，再看一个设备如何从该组织的地址块中分配到一个地址。

获取一块地址

为了获取一块IP地址用于一个组织的子网，网络管理员会与它的ISP联系，ISP会将自己被分配的地址块中一块分配给该组织。
获取主机地址：动态主机配置协议

主机地址可以由管理员手动配置，但是通常还是使用动态主机配置协议（DHCP），该协议允许主机自动获取一个IP地址，且还可以让主机知道子网掩码，第一条路由器地址（默认网关）和它本地DNS服务器地址。DHCP是一个即插即用协议，当主机加入/离开时，DHCP服务器要更新其可用的IP地址表。DHCP协议是4个步骤的过程，如下图所示：

其中，yiaddr表示你的因特网地址。
1. DHCP服务器发现：新到的主机首要任务是发现一个与其交互的DHCP服务器。可以通过使用一个DHCP发现报文实现，客户在UDP分组中向端口67发送该发现报文。但是主机不知道服务器地址。所以该主机生成包含DHCP发现报文的IP数据报，使用广播地址且使用本主机源地址0.0.0.0。
2. DHCP服务器提供：DHCP服务器收到一个发现报文后，使用DHCP提供报文做出响应，仍然使用广播地址。客户主机可能会收到多台服务器的响应。
3. DHCP请求：客户从中挑选一台DHCP服务器，并向该服务器提供一个DHCP请求报文进行响应，回显配置参数。
4. DHCP ACK：服务器用DHCP ACK报文对DHCP请求报文进行响应，证实所要求的参数。
网络地址转换（NAT）：当一个ISP为一个组织分配了一段连续的IP地址，此时该组织需要更多的地址，该怎么办？图中是一台NAT使能路由器的运行情况：

右侧的4个接口具有相同的网络地址10.0.0/24。地址空间10.0.0.0/8是保留的3部分IP地址空间之一（还有172.16.0.0 - 172.31.255.255和192.168.0.0 - 192.168.255.255），这些地址用于图中家庭网络等专用网络或有专用地址的地域。具有专有地址的地域是指其地址仅对该网络中的设备有意义的网络。如果仅在给定网络中有意义，如何向全球因特网发送或接受分组？NAT可以解决。

图中所有离开路由器的报文都有一个源IP地址138.76.29.7，且进入家庭的报文目的IP地址也是这个，NAT隐藏了家庭网络的细节。路由器和家庭网络空间的计算机的IP地址依旧是DHCP服务器提供的地址。

到达NAT路由器的数据报的目的地址全部一样，如何将每个分组转发给相应的内部主机？使用NAT路由器的NAT转换表即可，表项中包含了端口号和IP地址。路由器使用目的IP地址与目的端口号从NAT转换表中检索出家庭网络使用的IP地址和端口号。