车载以太网 - 网络层 - IPv4/IPv6

目录

一、网络层基本信息介绍

1、网络协议适用范围

2、IPv4和IPv6的地址

3、Ethernet Frames 的类型

二、两种类型IP地址的定义:

ECU通信的几种方式

路由器(Router)和IP 地址的概念

路由实例介绍

三、IPv4地址介绍

地址分类：

各类型IP可支持的最大网络数量和主机数量参考图示

子网网络

子网掩码例子

共有/私有IPv4 地址和环回地址

IPv4 Packet 包含信息及介绍

IPv6 Packet包含信息及介绍

IPv6地址表示法

IPv6地址:128Bit

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一、网络层基本信息介绍

1、网络协议适用范围

        1）允许跨网络边界路由数据包

        2）为上层UDP和TCP提供服务

        3）允许比第 2 层更灵活的地址分配

2、IPv4和IPv6的地址

        IPv4：4 bytes 的地址 (32 Bit)

        IPv6：16bytes 的地址(128 Bit)

3、Ethernet Frames 的类型

        IPv4：Type类型为0x0800

        IPv6:Type类型为0x86DD

        网络层位于数据链路层之上，第三层引入网络的概念，方便支持更加灵活地寻址，实现报文在不同网段之间进行转发，并未上层协议 TCP/UDP 提供服务;其中P 协议作为以太网网络层协议，包括两种类型IPV4和Iv，IP4 的网络地址长度为4字节32位，IPv6的网络地址长度为16字节128位:

二、两种类型IP地址的定义:

        以太网三层发送的数据包针对不同类型的IP类型,其结构也会不同。我们可根据Ethernet帧Type 字段确认该帧的Payload 部分为那种类型的 packet,Type 值为0x0800即Pv4 PacketType值为0x86DD即IPv6 Packet;

以太网二层的寻址方式基于 MAC地址寻址,那我们看下以太网三层的寻址方式：

Network 1和Network 2属于两个单独的网络

ECU通信的几种方式

        1、相同网络内的数据经交换机转发通信

        2、两个直连的ECU直接进行通信

        3、不同网络的数据如何互相通信?

路由器(Router)和IP 地址的概念

        路由器是连接两个或多个网络的硬件设备，在网络间起到网关的的作用

        Network 1的数据包经路由器转发至Network 2;

        路由器如何对接收的报文进行路由转发？

        那就需要基于IP地址导址，以上图IPv4 网络为例，图中每个车载以太网ECU都会分配个IPv4地址，IPv4地址由点分十进制表示，其中又划分网络号和主机号部分。

路由实例介绍

     若Network 1的 ECU 1(P 地址 192.168.1.10)发送一条报文，给到 ECU 4IP 地址192.168.220)，其中ECU1将自身的IP 地址信息和ECU4的IP 地址信息，分别作为源IP 地址和目的IP 地址存放在报文中，由于 ECU4 和ECU1属于不同网段，所以 ECU1将该报文发送给路由器设备，路由器接收该报文，解析报文的 P 信息并参考自身的路由表，路由表会列出当前路由器的物理端口，比如当前路由器两个物理端口分别连接Network1和Network 2网段，由于不同网络间的通信需配置网关，否则无法进行三层通信，路由器针对连接了不同网段的物理端口进行网关地址的分配，其中 Network 1 的网关地址IP 为192.168.1.1，Network 2的网关地址为192.168.2.1，接着当路由器解析出该报文的目的IP 地址为192.168.2.20，其中192.168.2代表路由器的直连网段NetworkB的网络号，故路由器将该报文通过NetworkB网关IP地址对应的物理端口，路由转发至Network 2，最终由 ECU4 接收该报文。

三、IPv4地址介绍

地址分类：

        前面讲到 IPv4 地址长度为 4 字节，采用点分十进制表示，其数量约为 43 亿个，为了对这些IP 地址进行统筹分配，internet 委员会定义了5种P 地址类型(即A~E类型)在不同场景下使用，每个IP 地址又分为网络号和主机号。

A类:第一个字节第一位为0，且第一个字节定义网络，后三个字节定义主机,用于大型网络

B类:第一个字节前两位为 10，前两个字节定义网络，后两个字节定义主机,用于中等规模网络

C类: 第一个字节前三位 110,前三个字节定义网络，后一个字节定义主机,通常用于小型网络

D类:不区分网络和主机,用于组播使用

E类:保留

各类型IP可支持的最大网络数量和主机数量参考图示

子网网络

当源地址和目标地址的网络不同时，则需要通过路由器在子网之间进行流量交换：

        在刚才5类IP 地址中我们发现A类和B类网络中可分配的主机数量较多，但实际情况是在单个网络中并不需要安排这么多的主机,或者说将网络进一步划分多个子网?这时候就需要引入子网掩码的概念，在 internet 委员会确认网络号 + 主机号之后,可由本地系统管理员进行二次分配，在源主机号(NetworkID)基础上再划分子网号(Subnet D)和主机号(Host D)在IP 地址的划分后，如何让一个主机了解它所属的网络号和主机号，以及任意两台设备是否属于同一网络?

        这就要使用子网掩码，举例来说:比如两人名叫张伟，一名张伟来自李家村，另一名张伟来自包家村，那如何区分?

        那就需要村长来区分，子网掩码相当于村长的角色，子网掩码共 4 字节 32 位，和IP 地址(与运算)后可获取其对应的IP 网络号，大部分情况下,当网络中只要不超过 254 台主机时,子网掩码默认为 255.255.255.0，网络主机数超过最多限制数时，则需修改子网掩码，扩大网段，或划分 VLAN,使用不同子网。

子网掩码例子

        子网掩码   255.255.255.0

        IP 地址： 192.168.1.10

        子网掩码：255.255.255.0

        网络地址：   192.168.1 

        主机地址： 10

共有/私有IPv4 地址和环回地址

 公有/私有IPv4地址

 环回地址

        IP 地址除了A~E类型外,还包括 Local 公有、Private 私有IP 地址、Loopback 环回地址的概念;首先我们来看公有IP 地址和私有IP 地址，公有P 可直接访问互联网(internet)，而私有IP 用于当公有IP 地址不足时在内部网络中使用。注意:私有iP 地址在一个局域网内不能分配给多台主机，私有P 发送的数据不能直接通过路由器转发至Internet 上，需通过路由器进行私有P 地址转化为公有P 地址，该过程称你为“网络地址转换”从A~C类IP地址选取部分范围作为私有IP 地址:

A类私有IP 地址范围:10.0.0.0-10255255.255

B类私有IP地址范围:172.16.00-17231.255255

C类私有IP地址范围:192.168.0.0-192.168.255.255

环回IP 地址(Loopback)范围 127.000-127255255.255

        若主机发送一条报文，该报文的目的IP 地址为环回P 地址时，那该报文不会通过硬件发送至网络的其他设备上，而只会传回自身从而形成一个环路，环回P 地址常用于本地TCP/IP 配置、网络逻辑测试的情况。

IPv4 Packet 包含信息及介绍

         首先IPv4 Packet包，其由IP Header 和 Payload 数据组成，IP Header 最小长度为20个字节，前12个字节提供数据控制信息，后8 个字节提供P 地址信息(包括源IP 地址信息和目的IP地址信息，IP地址信息后面为Options可选区域。

Version：4位Version(版本号)，指示IP版本(4表示IP版本是IPv4)IHL:4位IHL表示IP Header 长度，其长度范围在 20-60个字节间:IP Header Len = IHL * 0x05

Type of Service：8位TOS服务字段，定义网络可靠性、优先级、时延和吞吐量等参数 Total Length：16位Total Length表示 Packet 包的总长度

Identification：16位ldentification 标识符

Flags：3位Flags标志位

Fragment：13位分片偏移量三者，用于当发送的数据超过最大数据包长度1500个字节 时进行分片发送的功能。

TTL：8位TTL生存周期，规定一个数据包在网络的生存时间，用于防止一个数据包在 网络中无限循环转发。

Protocol：8位Protocol协议号，标识上层协议

Header Check Sum: 16位 Header ChecksumIP 报头校验和，只用于校验数据包 Header 部分

Source IP Address：32位的源IPV6地址(4byte)

Destination IP Address：32位的目的IPv6地址(4byte)

IPv6 Packet包含信息及介绍

IPv6 Header结构相较 IPv4 简单，IPv6 使用固定长度的 Header，长度为40字节，其中只保留数据转发所必须的重要信息存放在IPv6 Header 内。

 Version：4位的Version 版本号信息(version=6)

Traffic Class：8位的 Traffic Class流量等级，指示Pv6 数据流通信类别/优先级(功能类似 IPV4TOS字段)

Flow Label：20位Flow Label 流标签，用于区分和标记不同的数据流量，实现对 Qos(Qualityof Service)的支持

Payload Length：16位Payload Length表示有效负载的长度

Next Header：8位Next Header 标识下一选项Header 或上层协议 Header 的类型

Hop Limit：8位Hop Limit，功能类似于Pv4的TTL字段，通过在路由器之间的转发次数 限定包的生命周期。

Source IP Address：128位的源IPV6地址(16bvte)

Destination IP Address：128位的目的IPv6地址(16byte)

IPv6地址表示法

IPv6地址:128Bit

FE80:0000:0000:0000:385AAA34:BD1B:CB2D  (Complete)

FE80:0:0:0:385A:AA34:BD1B:CB2D  (Reduced zeros)

FE80::385A:AA34:BD1B:CB2D (Reduced blocks)

IPv6地址长度为16字节(128位)，采用冒分十六进制表示法;即Pv6地址按每16位划分为一组，每组转换成四个十六进制数，每组之间用冒号隔开，基于冒分十六进制法，IPv6地址还可以进一步简化为两者短格式。

格式一：可以省去任意组的前导0来简化IPv6 地址，0000可简化为0。

格式二：针对多个连续组全为0的情况时，可用双冒号".:"简化，但注意一个Pv6 地址中”..只能出现一次。