哈工大计算网络课程网络层协议之：IP数据报、IP子网、子网掩码详解
哈工大计算网络课程网络层协议之：IP数据报、IP子网、子网掩码详解
文章目录
- 哈工大计算网络课程网络层协议之：IP数据报、IP子网、子网掩码详解
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- Internet网络层
- IP数据报（分组）格式
- IP数据报分片
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- 最大传输单元（MTU）
- IP分片与重组
- IP分片过程
- IP编址
- IP子网（Subnets）
- 有类IP地址
- IP地址与子网划分
- 子网掩码
Internet网络层
主机、路由器网络层主要功能包括：
网络层核心功能之一：就是路由和转发，因此Internet网络层一个需要实现的重要的功能就是设计路由协议，进行路径选择。比如路由协议：RIP、OSPF、BGP等。
**转发表存储了具体的路由信息，表示目的IP地址与对应输出链路端口的映射关系。**也就涉及到IP协议的相关内容：寻址规约、分组格式等。
在Internet网络传输过程中，IP数据分组难免会出现一些差错，此时，网络层需要将这些差错信息传输给相应的路由器或主机，这个时候就需要另一个非常重要的协议：ICPM协议（互联网控制报文协议）。它的作用是提供差错报告，以及路由器信令相关功能。 ICPM协议在一定程度上相当于IP协议的伴生协议，也就是说，实现IP协议，也就要实现ICPM协议，才能实现IP协议中的一些差错报告等功能。
IP数据报（分组）格式
IP数据报格式主要包括两部分：首部，数据段。
固定部分表示在所有的IP数据报中都是固定大小的。
- 版本号： 占4位，表示IP协议的版本号。比如，如果是IPv4的话，这个4位表示的值就是4，如果是IPv6的话，这4位表示的值就是6。
- 首部长度： 占4位。表示IP分组的首部长度。由于4位所能表示的最大值就是15，而首部长度最小就是20，因此IP协议规定，首部长度换算成10进制时，以4字节为单位。比如，当首部长度换算成10进制为5时，其表示的实际IP首部长度为20（5X4）字节
- 服务类型（TOS）字段： 占8位：表示期望获得哪种类型的服务。1998年这个字段改名为区分服务。只有在网络提供区分服务（DiffServ）时使用。一般情况下不适应，通常IP分组的该字段（第二字节）的值为00H。
- 总长度： 占16位，表示整个IP分组的总字节数（首部+数据）。由于是16位的，可以表示的最大范围是65535Byte，最小的IP分组首部：20B，IP分组可以封装的最大数据：65535-20 = 65515B。
- 生存时间（TTL）： 占8位，表示IP分组在网络中可以通过的路由器数（或跳步数）。路由器每转发一次分组，TTL减一。如果TTL=0时，路由器会丢弃该IP分组。此时，路由器一般会向源主机发送一个ICMP的报文。
- 协议： 占8位，表示IP分组封装的是哪个协议的数据包，实现复用/分用。比如：协议值为6时，表示TCP协议，封装的是TCP段。协议值为17时，表示UDP协议，封装的是UDP数据报。
- 首部校验和： 占16位，实现对IP分组首部的差错检测。计算校验和时，该字段置全0。采用的算法就是反码算数运行求和，和的反码作为首部校验和字段。校验和是逐跳计算、逐跳校验的，也就是首部校验和在每跳路由器转发时，一定都是重新计算重新校验的（每一跳转发时，首部字段可能都会有变化，比如TTL-1）。
- 源IP地址、目的IP地址： 各占32位，分别标识发送分组的源主机/路由器（网络接口）和接收分组的目的主机/路由器（网络接口）的IP地址。
- 选项字段： 长度可变，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。
- 填充字段： 长度可变，范围在0~3B之间，目的是补齐整个首部，符合32位对其，即保证首部长度是4字节的倍数。
IP数据报分片
最大传输单元（MTU）
按照网络层结构，IP分组在具体的网络中传输时，会向下封装到数据链路层的数据帧中。不同的数据链路在封装时，对数据帧大小是有限制的。因此，用MTU来表示链路层数据帧可封装数据的上限。
网络链路的最大传输单元（MTU）—链路层数据帧可封装数据的上限
显然，不同链路的MTU是不同的，那么如果传输路径上两个链路的MTU不同该如何处理呢？当一个IP数据报，在一个较大MTU的链路上传输时，是可以封装到数据帧里的，但是当经过路由器转发到下一个较小MTU的链路上时，有可能就装不到一个数据帧里面。这时就涉及到IP分片的问题。
IP分片与重组
大IP分组向较小MTU链路转发时，可以被”分片“（fragmented）。
并不是只要大的IP分组向较小MTU链路转发时，就一定会被分片。路由器是否可以对其进行分片，是根据分组里的某个标志位来看的。 如果此时，路由器发现该IP分组不允许被分片，会将该分组丢弃，同时一般也会发送ICMP报文给源主机。
如果该IP分组允许被分片，则1个IP分组会被分为多片IP分组。
这些IP分片到达目的主机后进行”重组“（reassembled）。也就是说，路由器只管分组，而数据分组到达的最终目的主机负责组装。
但是随着数据分组在传输过程中的不断拆分，各个分组可能会被沿着不同的链路进行传输，到达目的主机的顺序也无法保证，那么目的主机如何才能在接收到这些分组后，识别各个分组的顺序并重新组装呢。这就需要在各个分组中添加一些标识。
因此，在IP首部的相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序。 如果其中的某一分片丢失了，目的主机会在等待一段时间后，如果还没有接收到，则会将整个分组都丢弃。
具体来说，IP首部的总长度、标识、标志位和片偏移字段参与标识分片。
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标识字段： 占16位，标识一个IP分组。IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识。借助于源IP地址、目的IP地址、协议等字段一起，唯一标识一个IP分组。
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标志位： 占3位。最高位的bit保留，没有定义，第二个bit标识DF，最低位的bit标识MF。
- DF：（Don’t Fragment）
- MF：（More Fragment）
这个标志位即标识了路由器是否可以对一个分组进行分片。
- DF=1： 禁止分片。即如果IP分组超过了某个链路的MTU的话，禁止路由器对该IP分组分片。
- DF=0： 允许分片。即如果IP分组超过了某个链路的MTU的话，允许路由器对该IP分组分片。
- MF=1： 非最后一片。这个标志位置1，首先说明这个IP分组不是一个独立的IP分组，而是由IP分组分片出来的分组。而且可以明确的是，这个分片不是最后一片。
- MF=0： 最后一片（或未分片）。即说明是分片的最后一片，又或者是根本没有分片。
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片偏移量： 占13位，一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量。根据片偏移量的相对大小，实际上就可以排序出每个片的顺序。最后一片是MF=0，而且如果MF=0，且是被分片的分组话，那么它的片偏移量肯定不是0。在IPv4的分组格式里，片偏移量的值是以8字节为单位的。
IP分片过程
假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M
若L > M，且DF = 0，则可以/需要分片。
分片后每个分片的标识复制原IP分组的标识。即原IP分组标识是什么，分片后的所有IP分组都取这个一样的标识。
通常分片时，除最后一片，其他分片均按照MTU允许的最大分片进行分片。
由于片偏移量是以8字节为单位，因此除了最后一个分片外，一个最大分片可封装的数据应该是8的倍数。因此，一个最大分片可封装的数据为：
MTU - 20字节的首部带下，表示数据帧携带的数据字节大小。除以8后向下取整，这个就是分片后，一个分片最大可装载的数据量。
此时，一个总长度为L的IP数据报，分片后的总分片数为：
L-20表示原IP数据报减去20字节首部长度，除以d（每个分片最大可封装数据大小） = 分片总数。
每片的片偏移字段取值为：
第一分片的片偏移量一定是0，其他的分片以此类推。
- 每片的总长度字段为：
即除了最后一个分片外，都是最大的数据大小，加上20字节首部大小。最后一片即包含整个数据报剩下的那部分字节数。
- 每片的MF标志位为：
即除了最后一个分片的MF=0外，其他分片的MF都等于1，表示非最后一个分片。
例子：
- 4000B数据报
- 输出链路MTU = 1500B
- DF = 0
IP编址
IP分组中，需要两个非常重要的字段，来表示一个IP分组从哪里来，到哪里去
- 源地址（SA）：从哪儿来
- 目的地之（DA）：到哪儿去
网络接口：主机/路由器与物理链路的连接
- 实现网络层功能
- 路由器通常有多个接口
- 主机通常只有一个或两个接口（比如，有限的以太网接口，无限的802.11接口）
在进行网络编址的过程中，事实上，需要重点编址的是实现网络层功能的这些接口。编址后的接口可以用来实现IP数据分组的寻址过程。
这些红色的表示网络层中的需要进行IP编址的网络层设备，包括路由器、主机的网络接口。
IP地址：32比特（IPv4）编号标识主机、路由器的接口，比如：11011111 00000001 00000001 00000001。而这些32位的二进制数比较难以记忆和使用。因此为了更方便的使用和记忆，一般会将上述32位拆分成4个8位，每个8bit转换成10进制，再用点号.拼接起来。
上述32位IP地址，采用4个十进制数来表示为：
这种对IP的书写方式，也成为点分十进制IP地址形式，也是目前使用比较广泛的IP地址书写方式。按照这种方式，可以对上述示例图中的每个接口分配一个IP地址，即在网络层中，可以利用这些唯一标识的IP地址，唯一标识这些网络接口。
在Internet网络中，IP地址更准确来说，是与每个网络接口相关联，即某某主机、路由器的IP地址。而一般说某个主机的IP地址，实际上是因为大部分主机往往只有一个网络接口，这个接口地址往往也被当做主机IP地址。
怎么样为接口分配IP地址？
如果我们随意的为接口分配独立的IP地址，再用路由转发表来记录的话，之前也讨论过这个问题，很容易造成路由器的存储、检索性能瓶颈。因此，就像改进后的路由表的目的地址表示一个范围来说，在为接口分配IP地址时，也应该是按照范围进行分配。
IP子网（Subnets）
此时，把32位IP地址划分为两部分：
- 网络号（NetID）—高位比特
- 主机号（HostID）—低位比特
高比特位用来表示一个网络，此时，在进行地址分配时，需要遵循一个基本原则：
- 保证分配到某一个区域网络中的IP地址集合，它们的网络号是相同的，并且主机号是不同的。
如上图所示，红色部分表示的就是该IP地址所属的网络号，不同子网下的网络号是不同的。
这样，具有相同网络号的IP地址的集合就构成了一个IP子网。对于这样一个集合的网络接口，我们可以利用它们相同的网络号来描述这个区域的网络。
IP子网的特点：
- IP地址具有相同网络号的设备接口
- 不跨越路由器（第三及以上层网络设备），就可以彼此物理联通的接口。换句话说，如果中间跨越了路由器，也就不是一个IP子网了。
有了这样的编址方式，在路由转发表中，在存储向哪一个网络中转发数据时，就不需要记录某一个具体的IP地址了，只需要记录相应区域的IP子网地址就可以了。也就是，可以利用一个特殊地址，来描述一个个的IP子网的整体，这个地址就是IP子网地址。
有类IP地址
上述我们介绍了IP子网的概念，具有相同网络号的一组IP地址集合构成了一个IP子网，这些IP地址在不跨越路由器就可以实现彼此的物理联通。
在IP子网的概念下，一个IP地址是由高比特位的网络号和低比特位的主机号共同构成的。那么，这里存在的问题就是这两部分应该各占总的IP长度的多少位比较合适？
显而易见，当网络号占用的比特更多时，能表示的IP子网就更多，但是每个IP子网中包含的主机数就更少。而当主机号更多时，每个子网包含的主机数更多，可以形成更大的网络，但是能够表示的子网个数就相对更少。
最初为了解决这个问题，就涉及到有类IP地址划分的概念。
有类编址
假设下面图中的圆圈包含了整个32位的IP地址空间，所谓的有类IP地址编制，实际上采取的是一个二分法。首先把最高比特位50%的地址空间分给称为A类地址空间，同时定义A类地址的网络号占用8bit，剩余24bit用来表示主机号。由于A类地址网络号的最高位固定为0，因此，网络号所能表示的范围就是0-2的7次方，即0-127，而24位主机号能表示的范围就在0.0.0~255.255.255。
这里网络号最高位固定位0也很好理解，因为32位IP地址所能表示的地址范围为0.0.0.0-255.255.255.255，为了使A类地址占总地址空间的一半，所以把最高8bit位拆成2半，即A类地址最高8bit表示0~127，所以最高位固定为0.
在剩下的50%地址空间中，继续进行二分，即继续在最高8bit所能表示的128~255之间进行二分，因此，B类地址所能表示的地址范围就在：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255。同时，在B类地址中，定义前16位bit作为网络号，后16位作为主机号。
因为A类地址的高8bit最大是127，因此B类地址的最高位应该是1，同时为了满足二分的特性，次高位应该是0。
最后，剩余1/4的地址空间的最高2bit一定是11，再进行二分的话就是接着根据第三高位进行拆分，划分给C类地址。显然这部分地址的高8位表示的地址范围在：192~223之间。同时，定义C类地址的高24位为网络号，低8位为主机号。
对于剩余的1/8的地址空间，再进行最后一次的二分，拆分成两个占6.25%地址空间的D类地址和E类地址。高8bit表示的地址范围分别是：
- E类地址：224~239
- D类地址：240~255
这两类地址，不再区分网络号和主机号，一般这两类地址空间用作特殊目的。这类地址一般用来命名或标识互联网中的一组主机，这组主机理论上可以分布在互联网中的每个地方。在这种情况下，这类地址只能作为IP分组的目的地址，也就是只能往这类地址发送数据。这类地址也被成为多播地址，或是组播地址。
通过上面的饼状图也能看出，在IP网络中，A类地址+B类地址+C类地址占据了整个IP地址范围的87.5%，也都根据上述IP编制中提及的，划分了网络号和主机号，因此都可以用来标识互联网中的一个唯一网络接口的。
但也有一些特殊的IP地址，是不能够被分配给主机使用的，比如下述的一些特殊IP地址：
IP地址与子网划分
子网掩码
子网掩码形如IP地址，也是32位地址的形式，区别在于对网络号和子网号对应的bit位全部取1，对应主机号bit位全部写0。
例如：
- A类网络的默认子网掩码为：255.0.0.0
- B类网络的默认子网掩码为：255.255.0.0
- C类网络的默认子网掩码为：255.255.255.0
此时，假设B类网络借用主机号的3bit来划分子网，将该子网的主机号的最高3bit都置为1，那么此时该子网的掩码为：255.255.224.0。
因此，子网地址+子网掩码 = 准确确定子网大小。
例如：
- 子网：201.2.3.0、子网掩码：255.255.255.0
由于子网掩码是255.255.255.0，子网号对应的bit全部取1，也就是该子网的IP地址24位都表示网络号，我们就知道这个子网就是一个标准的C类网络。
假设我们想将这个子网，划分为等长的4个子网，就是针对该C类网络的8位主机号，进行均等的划分，256/4=64，因此划分后的每个子网的IP地址为：
现在我们知道了如何对子网进行划分，那么如上图所示，当路由器将这些不同的子网关联在一起后，路由器如何确定应该将IP分组转发到那个子网去呢？
这个时候，路由器的转发表除了要保存子网的地址外，还必须伴随着相关的子网掩码。
此时，路由器转发表的检索过程为：
- 将IP分组的目的IP地址与子网掩码按位与运算，提取对应的子网地址。
例如：目的IP地址：172.32.1.112，子网掩码为：255.255.254.0
将目的IP地址与子网掩码按位做与操作后，得到的结果为：
因此，该目的IP地址对应的子网地址位：172.32.0.0（子网掩码：255.255.254.0）
这个子网对应的地址范围，也就是主机号所能表示的IP地址范围为：172.32.0.0~172.32.1.255。