计算机网络——网络层-IP协议

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IPv4数据报格式

数据报：网络层分组

IPv4数据报.png

IPv4数据报关键字段

• 版本号
  4bit；
  声明数据报的IP协议版本；
  4:IPv4,6:IPv6

• 首部长度
  4bit；
  单位为4byte，即该字段中的数值1代表4byte的长度
  IPv4数据报包含可变数量的选项，故须指定首部的实际长度；
  典型的，数据报不含可变选项，长度为20byte

• 服务类型
  区分不同类型数据报;
  1998 年这个字段改名为区分服务；
  事实上，网络一般不提供区分服务，该字段往往不使用

• 数据报长度
  16bit；
  以byte记的IP分组总长度（首部+有效载荷）

• 标识，标志，片偏移
  与IP分片相关；
  新版本即IPv6不允许在路由器上对分组分片；

• 寿命（Time-To-Live,TTL）
  确保数据报不会永远在网络中循环；
  数据报每经过一台路由器，TTL减一，TTL为0时，数据报被丢弃；

• 协议
  指示IP数据报的有效载荷应当交付哪个特定的运输层协议；
  协议号绑定了网络层与运输层；
  可以是TCP，UDP,ICMP等

• 首部检验和
  用于路由器对IP数据报中比特错误的检验；
  路由器通常丢弃检测出错误的数据报；
  逐跳计算，逐跳检验。数据报上有一些可变字段，如TTL，故路由器必须更新数据报的检验和字段；
  发送方计算检验和时，逻辑上将检验和字段置0，对整个IP分组计算检验和，并将检验和填入检验和字段；
  采用带回卷的反码计算校验和，这样便于检验
  注意IP层只对IP首部计算检验和

• 源和目的地的IP地址
  各32bit
  标识收发双方 网络层接口 的ip地址

• 选项
  选项字段允许扩展IP首部；
  选项字段是可选的，它使得IP首部长度不定，范围在1~40B之间；
  携带安全、源选路径、时间戳和路由记录等内容
  实际上很少被使用
  IPv6中已去掉了选项字段；

• 填充
  确保首部长度是4byte的倍数

• 有效载荷
  有效载荷可以是运输层报文段的数据，也可以是其它类型的数据，如ICMP报文；

IP数据报分片

为何需要分片？

• 链路层协议所能承载的网络层分组长度不同。

最大传送单元(Maximun Transmission Unit,MTU)
一个链路层帧能承载的最大数据量

链路层协议的MTU严格地限制了IP数据报的长度。
问题在于发送方到接收方的路径上，每段链路可能使用不同的链路层协议，不同的链路层协议有不同的MTU。

分片

• 对路由器的一个到达分组，其大小大于相应输出链路的MTU时，路由器对其分片，即将之拆解成多个较小的IP数据报，用单独的链路层帧封装这些小IP数据报，称其为片

• 标识，标志，片偏移字段用于分片组织；

标识

• 同一ip数据报有相同而唯一的标识号，即同一数据报的多个片标识相同；
• IP协议维护一个计数器，每产生一个IP分组标识计数加一，作为该分组的标识；
• 不同IP分组可能有同样的标识，但标识号再结合收发双方ip地址可唯一确定ip分组；

标志

• 标志字段占3bit，包括一个保留位，一个DF (Don't Fragment) 位，一个MF (More Fragment) 位。

• DF =1：禁止分片；
  DF =0：允许分片

• MF =1：非最后一片；
  MF =0：最后一片(或未分片)

偏移

• 偏移字段指示片在原ip数据报中的偏移；
• 占13位
• 片偏移字段以8字节为单位

片组装

• 运输层希望收到完整的未分片的报文；
• 网络核心应当保持简单，片组装工作不应由路由器进行；
• 片的重组工作在端系统中进行；

• 在目的地主机，数据报的有效载荷仅当IP层已完全重构为初始IP数据报时，才会传递给目的地运输层；
• 若一个或多个片一直没有到达目的地，该不完整的数据报将被丢弃；

IPv6废止了分片机制

IPv4编址

网络接口

• 主机/路由器与物理链路的连接

• 主机通常只有一个网络接口（事实上，通常也有多个不同类型的网络接口，如wifi接口，以太网接口）；
• 路由器必须有多个网络接口；

IPv4地址

• 标识网络接口的编号

• 一个IP地址技术上是与一个接口关联的，而非与该接口所在的主机或路由器关联；

• IPv4地址4byte，32bit，故有约40亿个可能的IP地址；

• 点分十进制 地址中的每个字节用它的十进制形式书写，字节间用句点(.)分隔。

• 全球因特网中每台路由器和主机上的每个接口，都必须有一个全球唯一的IP地址（除非使用了NAT技术）

子网

• 在网络拓扑结构的图模型中，将路由器的对应顶点按接口拆分，所得到的新图中，每一个连通分支就是一个子网；
• 不跨越路由器（第三及以上层网络设备）可以彼此物理联通的接口 组成一个子网

子网掩码
a.b.c.d/x；
子网地址的记法，该记法表示接入子网的所有接口的ip地址前x位都应与a.b.c.d的前x位一致；

因特网地址分配策略

分类编址方案

ip地址分类.png

• CIDR被采用前的早期方案；
• 子网主要被分为A,B,C三类，其子网地址长度分别为8，16，24比特；
• D类地址用作广播地址；
• E类地址保留；
• 该方案由于子网大小与组织规模不能良匹配，造成大量地址浪费；

特殊IP

特殊IP.png

私有IP

私有IP.png

无类别域间路由选择（Classless Interdomain Routing,CIDR）

子网寻址
a.b.c.d/x
32bit的地址划分为两部分：

1. a.b.c.d/x的前x位构成了IP地址的网络部分，称作该地址的前缀；一个组织通常被分配一块连续的地址，即地址前缀相同；
2. a.b.c.d/x的后32-x位用于区分该组织的内部设备；

获取地址块

因特网名字和编号分配机构(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers,ICANN)

• 非营利性组织，基于[RFC 2050]管理；
• 负责IP地址分配；
• 管理DNS根服务器；
• 分配域名与解决域名纷争；

ICANN地址支持组织

• ICANN向区域性因特网注册机构分配地址，区域性因特网注册机构和ICANN一起组成了ICANN地址支持组织，处理本地域内的地址分配与管理；

ISP获取地址块
ISP向ICANN地址支持组织申请地址块；

组织获取地址块

• 为获得用于某组织的子网，网络管理员与其ISP联系；
• ISP会从其所拥有的大地址块中，提供一个小地址块；

获取主机与路由器地址

• 一个组织获取了一个地址块后，需要为组织内的主机与路由器接口逐个分配IP地址；

路由器IP

系统管理员常通过远程网络管理工具手工配置路由器中各接口的IP地址

主机IP

• 主机地址可手动配置；
• 但目前，通常通过DHCP动态配置