详解网络层-网络层概述和编址王道计算机网络笔记

Posted 2022-12-30

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层的传输单位是数据报，数据报是一个比较长的数据，分组是对数据报进行切割得到的一部分 功能：

• 路由选择与分组转发（最佳路径）
• 异构网络互联。4G，wifi，校园网等网络之间可以通信
• 拥塞控制。如果所有结点都来不及接收分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态，因此要采取一定措施，缓解这种拥塞

IP数据报格式

IP数据报的首部分为固定部分和可变部分，固定部分占20B

• 版本指明使用IPv4/IPv6

• 首部长度：单位是4B，占用4位，可以从0000到1111，如果为1111，对应十进制数15，15×4B=60B，即IP数据报的首部为60B，其中固定部分20B，可变部分40B。因为固定部分为20B，因此最小为5，对应二进制数0101。 可以看到可变部分最后有一个填充部分，为了把可变部分填充为4B的整数倍，否则无法用首部长度表示

• 区分服务：指示期望获得那种类型的服务

• 总长度：首部长度+数据长度，单位是1B，占16位，最大取值对应十进制数为$2^16-1=65535$

• 标识、标志、片偏移后面讲

• 生存时间（TTL）：IP分组的保质期，经过一个路由器-1变成0则丢弃。确保分组不会永远在网络中循环

• 协议：数据部分使用的协议

• 首部检验和：只校验分组的首部，而不校验数据部分，不重要

• 源地址和目的地址：各占32位

• 可选字段：0~40B，用来支持排错、测量以及安全等措施

• 填充：全0，把首部不成4B的整数倍

IP数据报分片

最大传送单元MTU：数据链路层数据帧可封装数据的上限，以太网的MTU是1500字节，也就是下图的数据部分

• 标识：同一数据报的分片使用同一标识。使分片知道自己是哪一家的
• 标志：占三位，只有后两位有意义 中间位DF：DF=1，（满足）禁止分片；DF=0，允许分片 最低位MF：MF=1，后面还有分片；MF=0，代表最后一片/没分片
• 片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置，以8B为单位。 占13位，如0……01，换成十进制即为1，$1\\times 8B=8B$，也就是说这个分片从数据报的数据部分8B开始往后 除了最后一个分片，每个分片一定是8B的整数倍

总长度占16字节，单位是1B 片偏移占13字节，单位是8B 首部长度占4字节，单位是4B

例题

定义需要分片为长度不超过1420B的数据报分片

因为每一个分片都需要携带相同长度的首部，因此每个分片最大数据部分为1400B， 第一个分片数据部分为1400B，第二个1400B，第三个1000B

然后计算片偏移，第一个分片显然是从0B-1399B，因此片偏移为0；第二个分片从1400B-3799B，片偏移为$\\frac1400B8B=175$，类似地，第三个分片片偏移为为350 ]

IPv4地址

分类的IP地址

IP地址=<网络号>,<主机号> 11011111.00000001.00000001.00000001=223.1.1.1（点分十进制）

上图共有6个逻辑上的网络 每个路由器总是有两个或两个以上IP地址，路由器的每个接口都会有不同网络号的IP地址

最前面固定的几位可以看做标志位

• 特殊IP地址

环回地址就是自己给自己发，检测设备是否可以正确的接受发送数据、网络层是否能正常工作等

• 常用的三种类别IP地址的使用范围

A的最大可用网络数要-2，减去的是全0和127（环回地址）；每个网络中的最大主机数也要-2，减去全0和全1 B的最大可用网络数要-1，减去的是128.0不可指派，也就是全0；每个网络中的最大主机数也要-2，减去全0和全1 C的最大可用网络数要-1，减去的是192.0.0不可指派，也就是全0；每个网络中的最大主机数也要-2，减去全0和全1

• 私有IP地址

网络地址转换NAT

网络地址转换NAT：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址

如果此时A要与B通信，A发出一个数据报，那么该数据报的源地址就是192.168.0.3，目的地址是213.18.2.4，端口号（假设）是30000，这时数据报到NAT路由器处，根据NAT转换表，需要将LAN端映射成WAN端，即该数据报的源地址就是172.38.1.5，目的地址是213.18.2.4，端口号是40001

同理如果B向A发送一个数据报，那么该数据报的源地址就是213.18.2.4，目的地址是172.38.1.5，端口号（假设）是40001，这时数据报到NAT路由器处，根据NAT转换表，需要将WAN端映射成LAN端，即该数据报的源地址就是213.18.2.4，目的地址是192.168.0.4，端口号是30001

子网划分与子网掩码

分类IP地址的缺点：

• IP地址空间的利用率有时很低（某公司申请了一个B类网络，但是可能只有几台主机，但认为自己公司未来可能扩张，因此不想申请C类网络，但是很多IP地址实际上没用上，因此利用率很低）
• 两级IP地址不够灵活（单位要在一个新的地方马上开通一个新的网络，显然这是需要时间的）

申请到一个网络后，划分子网是自己的选择，不需要向运营商申请。虽然划分了一个网络，但是对外仍表现为一个网络，即外面的网络看不见本网络内子网的划分

子网号能否全0全1要看情况，主机号不能全0全1，全0就是本网络，全1就是广播

假设此时有一个外部网络的数据报要发给145.13.3.10

子网掩码是一个与P地址相对应的、长32bit的二进制串，它由一串1和跟随的一串0组成。其中，1对应于IP地址中的网络号及子网号，而0对应于主机号。计算机只需将IP地址和其对应的子网掩码逐位“与”(逻辑AND运算)，就可得出相应子网的网络地址。

例如：已知IP地址是141.14.72.24，子网掩码是255.255.192.0，求网络地址 255是8个1，0是8个0，因此子网地址是141.14.xxx.0 192=11000000，72=01001000，与的结果是01000000即64 因此子网网址为141.14.64.0

如果子网掩码是255.255.224.0，求网络地址 结果一样141.14.64.0

但第一个子网掩码占了18位，剩下14位都是主机号，第二个子网掩码占了19位，剩下13位都是主机号

例：某主机的IP地址为180.80.77.55，子网掩码为255.255.252.0。若该主机向其所在子网发送广播分组，则目的地址是

子网网络地址为180.80.xxx.0 252对应11111100，这里可以看出子网掩码有8+8+6=22位，77对应01001101，取前6位进行与运算，得到01001100，对应76，因此子网掩码是180.80.76.0 现在需要进行广播，因此主机号全是1，之前说网络号占22位，剩下10位都是主机号，因此加上之前算的子网掩码后6位，即为180.80.010011 11.255，因此就得到了180.80.79.255

使用子网掩码的情况

• 一台主机在设置IP地址信息的同时，必须设置子网掩码
• 同属于一个子网的所有主机及路由器的相应端口，必须设置相同的子网掩码
• 路由器的路由表中，所包含信息的主要内容必须有目的网络地址、子网掩码、下一跳地址

使用子网掩码时路由器的分组转发算法如下：

1. 从收到的分组的首部提取目的P地址，记为D
2. 先判断是否为直接交付。对路由器直接相连的网络逐个进行检查：用各网络的子网掩码和D逐位相“与”，看结果是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付，否则间接交付，执行步骤3.
3. 若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则将分组传送给路由表中所指明的下一跳路由器：否则，执行4.
4. 对路由表中的每一行（目的网络地址、子网掩码、下一跳地址）中的子网掩码和D逐位相“与”，其结果为N。若N与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下一跳路由器：否则，执行步骤5.
5. 若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器：否则，执行步骤
6. 报告转发分组出错。

无分类编址CIDR

无分类域间路由选择即CIDR

• 消除了传统A、B、C类地址划分

  CIDR记法：IP地址后加上/，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数，e.g.128.14.32.0/20

• 融合子网地址与子网掩码，方便子网划分 CIDR把网络前缀相同的连续的IP地址组成一个CIDR地址块 128.14.35.7/20是某CIIDR地址块中的一个地址 变成二进制：10000000 00001110 00100011 00000111 最小地址：10000000 00001110 00100000 00000000 最大地址：10000000 00001110 00101111 11111111 地址块：128.14.32.0/20 地址掩码（子网掩码）：11111111 11111111 11110000 00000000

应用

• 构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合 方法：将网络前缀缩短

例如，在如图所示的网络中，如果不使用路由聚合，那么R1的路由表中需要分别有到网络1和网络2的路由表项。不难发现，网络1和网络2的网络前缀在二进制表示的情况下，前16位都是相同的，第17位分别是0和1，并且从R1到网络1和网络2的路由的下一跳皆为R2。若使用路由聚合，在R1看来，网络1和网络2可以构成一个更大的地址块206.1.0.0/16，到网络1和网络2的两条路由就可以聚合成一条到206.1.0.0/16的路由。

例：某路由表中有转发接口相同的4条路由表项， 其目的网络地址分别为35.230.32.0/21、35.230.40.0/21、 35.230.48.0/21、 35.230.56.0/21， 将该4条路由聚合后的目的网络地址为，35.230.32.0/19

• 最长前缀匹配

在使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果（跟网络掩码按位与），应选择具有最长网络前缀路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体

例如：有三个网络地址206.0.68.0/22、206.0.71.128/25、206.0.71.0/25，现发出一个数据报，目的地址为206.0.71.130 与第一个网络的子网掩码进行与运算，结果为206.0.68.0/22，可以发送给第一个网络 与第二个网络的子网掩码进行与运算，结果为206.0.71.128/25，可以发送给第二个网络 与第三个网络的子网掩码进行与运算，结果为206.0.71.128/25，不可以发送给第三个网络 我们得到可以发给一、二两个网络，但是根据最长前缀匹配，显然第二个网络匹配了25位，长于第一个网络22位，因此发给第二个网络