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04-网络层

概览

  • 在网络间传输数据包

  • 为数据包选择路由

  • 使用有层次的地址结构 与MAC相对

  • 分割网络，控制流量

  • 为网络提供拥塞控制

  • 和其他网络层交互

报文

IP 报文格式
 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |                       Source Address                          |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |                    Destination Address                        |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |        Options (Variable length)              |    Padding    |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 |                    Data (Variable length)                     |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

  • 版本 4位 ipv4为4 ipv6为6

  • 首部长度 4位

    • 单位：4 Bytes

    • 计算方法：4 Bytes * 值

    • 因此最大报头长度为60 Bytes

  • 服务类型 8位

  • 总长度 16位

    • 单位：字节

    • 包括首部和数据

    • 最大长度为65535 Bytes

  • 标识 16位

    • 用于分片，被分片的数据包有相同标识

  • 标志 3位

    • 第0位：始终为0

    • 第1位 DF：为1不分片

    • 第2位 MF：为1更多分片 为0最后一个分片

  • 片偏移 13位

    • 单位：8 Bytes

    • 计算方法：8 Bytes * 值

    • 从原始数据包开始算

  • 生存时间 8位 TTL

    • 单位：跳数

  • 协议 8位

    • 区分 TCP/UDP等协议

    • 为传输层提供指示

  • 首部校验和 16位

    • 仅校验首部

  • 源地址 32位

  • 目的地址 32位

IP地址

  • 逻辑地址

  • 32位，网络地址+主机地址

  • 网络的第一个地址为网络地址

    • 主机地址全为0

    • 用于标识网络

  • 网络的最后一个地址为广播地址

    • 主机地址全为1

    • 用于向网络内所有主机发送数据

  • IP耗尽的解决方案

    • NAT：网络地址转换

    • CIDR：无类别域间路由（通过子网掩码划分子网）

    • IPv6：128位地址

  • 私有地址：10.0.0.0/8 172.16.0.0/12 192.168.0.0/16

分类

类别
网络地址
主机地址
主机数
范围
高位

A

0-7

8-31

224−22^{24}-2

0 - 127

0

B

0-15

16-31

216−22^{16}-2

128 - 191

10

C

0-23

24-31

28−22^{8}-2

192 - 223

110

D 多播

224 - 239

1110

E 保留

240 - 255

1111

子网

  • 通过子网掩码划分子网

  • IP & 子网掩码 = 网络ID + 子网ID

  • IP格式：网络ID + 子网ID + 主机ID

  • 子网内部通信不需要路由器

  • 跨子网通信需要路由器或三层交换机

  • 特点

    • 提供灵活性

    • 在本地分配地址

    • 减少广播域

子网地址长度

全 0 子网

  • 传统来说，子网的主机地址（子网号）不能全0和全1，但是新标准支持

  • 若题目中写zero subnet permitted，则子网号可以全0 也就是2n−12^n -1个子网

  • 在Cisco中

    • ip subnet-zero：允许使用全0子网

    • no ip subnet-zero：不允许使用全0子网

  • 最大限制：确保主机地址剩下至少2位，以容纳网络地址和广播地址和至少一个主机地址

  • 最小限制：子网地址至少2位，子网号不支持全0和全1（子网掩码最大为/30）

  • 假设子网地址nn位，主机地址mm位，则有2n−22^n-2个可用的子网，每个子网有2m−22^m-2个可用的主机地址

  • 可见当m=nm=n时，IP地址利用率最高

划分子网（期末必考）

  • 若需要m个子网，每个子网n个主机，则

    • 子网地址长度：⌈log⁡2(m+2)⌉\lceil \log_2(m+2) \rceil

    • 主机地址长度：⌈log⁡2(n+2)⌉\lceil \log_2(n+2) \rceil

    • 子网掩码中1的个数为网络地址长度+子网地址长度

    • 子网地址=IP地址&子网掩码

  • 先划分范围大的

  • 一条网线两端的两个路由器端口需要分配/30的子网

IP地址分配

  • 静态分配

    • 由管理员手动分配

    • 不能出现重复

  • 动态分配

    • DHCP：Dynamic Host Configuration Protocol

    • BOOTP：BOOTstrap Protocol

    • RARP: Reverse Address Resolution Protocol

路由器

  • 互联网段/网络：把数据包从一个网络传到另一个网络

    • 每个网络有一个唯一的网络号码

    • 属于同一个网络的主机的IP地址的网络号码相同

  • 根据目的地址选择路由，决定最佳路径

  • 工作流程

    1. 解包帧的包头，得知目的IP地址

    2. 计算目的的网络号

    3. 查找路由表，找到下一跳

    4. 重新封装帧，发送到下一跳

ARP Address Resolution Protocol 地址解析协议

ARP 流程

  • 发送方需要知道目的主机的IP和MAC地址以通信

  • ARP协议用于解析IP地址找到MAC地址

同网络间ARP

  1. 广播ARP请求：包含发送方IP和MAC地址，目的IP地址

  2. 目的主机收到ARP请求，其他主机仅记录发送方IP和MAC地址，不响应

  3. 目的主机回应ARP请求

  4. 发送方收到ARP响应并缓存

跨网络间ARP

不同网段之间的IP不经过路由器无法直接连通。

  • 默认网关

    • 用于不同网络间通信

    • 为路由器接口的IP地址

    • 发送方发送ARP请求到默认网关

  • Proxy ARP：路由器代替目的主机响应ARP请求，返回自己的MAC地址

网络层服务

  • Connection-oriented：先建立连接再传输数据（传输层）

  • Connectionless：直接传输数据，不需要建立连接，如IP

  • Circuit-switched：建立固定信道/电路后顺序传输数据（物理层）

  • Packet-switched：将数据分割成数据包传输，不需要固定信道，如IP

路由&路由协议

  • 见第7-8章笔记

VLSM Variable Length Subnet Mask 可变长子网掩码

VLSM 示例

192.168.10.128/26可以划分为

  • 192.168.10.128/27

  • 192.168.10.160/27

  • 192.168.10.192/28

  • 192.168.10.208/28

  • 192.168.10.224/29

  • ……

  • 传统的路由系统：子网掩码长度固定

  • VLSM：子网掩码长度可变，进一步划分子网

  • 优点

    • 提高IP地址利用率

    • 更好的路由聚合：构建超网

  • 缺点：广播地址/网络号浪费

支持VLSM的路由协议

  • RIP v2

  • OSPF

  • EIGRP

  • Integrated IS-IS

  • 静态路由

Route Aggregation 路由聚合/超网

  1. 确定IP的最大值和最小值

  2. 把IP转换为2进制

  3. 最大值和最小值的2进制从高到低进行比较，相同的位数保留，一旦出现不同则停止，将剩余位全部置0，得到聚合后的IP

  4. 相同的位数是聚合后的IP的掩码的长度

  5. 如果出现不连续的IP，不要管中间的空档，还是根据最大值最小值去计算

路由聚合 示例

有IP 200.199.48.0/24 200.199.49.0/24 200.199.50.0/24 200.199.51.0/24

可以合并为200.199.48.0/22

ICMP Internet Control Message Protocol

  • 用于网络设备之间传递错误信息

  • IP层（网络层）的协议

  • 两种报文

    • 差错报文：报告错误，多见

      • 目的站不可达：网络不可达、主机不可达、端口不可达、协议不可达、源路由选择不能完成、目的网络不可知、目的主机不可知

      • 源站抑制

      • 超时

      • 参数问题

      • 改变路由

    • 查询报文：请求网络信息

      • 回送请求/应答：ping

      • 时间戳请求/应答

      • 路由器询问/通告

      • 地址掩码请求/应答

报文格式

 +0------7-------15---------------31
 |  Type | Code  |    Checksum    |
 +--------------------------------+
 |     Varies to type and code    |
 +--------------------------------+
 |          Message Body          |
 |        (Variable length)       |
 +--------------------------------+

  • 发送ICMP报文时，上面的报文作为IP报文的数据部分，与IP报文的报头组成IP数据报发送

ICMP差错报告报文

  • IP报头+ICMP报文的前8字节+收到的IP数据报的报头+收到的ICMP报文的前8字节

不发送ICMP差错报文的情况

  • ICMP差错报告报文本身

  • 第一个分片后的分片

  • 多播地址

  • 特殊地址：127.0.0.0 0.0.0.0

PING Packet InterNet Groper

  • 通过ICMP的Echo Request和Echo Reply报文测试网络连接

  • 测试两个主机间的连通性

  • 直接通过传输层的ICMP

  • 不经过运输层的TCP/UDP

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