Internetworking

1 Introduction

所谓的InternetWorking就是将很多网络连接起来，那么在这种连接的网络下我们该如何传送封包呢？

2 IP and Routers

1 IP Datagram Header Format

IP Address：目前IP地址均是32个bit，称为IPV4。未来会使用IPV6，128个bit。

Identification：Router本身将封包收下来，经过查表后，会将封包从某一个网络或者说port转发出去，但是Router周围的网络是不同的（例如从Ethernet丢到WIFI，或者从WIFI丢到Ethernet），注意每一个网络都有一个很重要的特性称为MTU（Maximal Transmission Unit），MTU规定了在这个网络上传输的封包的大小上限。如果Router收进来的封包太大，并且要进到MTU比较小的网络中时，那么，不可避免的要将封包进行切割，一个封包可能会被切割成好多个封包。封包经过切割之后，最终仍然要将其组合起来，那么这些经过切割的小片段最终进行组合的时候，怎么知道哪些小片段是经同一个封包切割出来的呢？这就是Identification的作用，Id相同则代表这些小片段原来隶属于同一个datagram。

Fragment Offset：datagram经IP（Internet Protocal）传送，只是best effort，因此datagram可能会不见，可能会out of order。因此，将datagram切割成小片段丢到网络中后，最终目的主机收到时，顺序就不见得一致。我们只知道收到的这几个片段是属于同一个IP Address的，而它们的位置（哪个在第一个？哪个在第二个？） 需要Fragment offset来确定，offset即为偏移的意思，记录了每一个小片段相对于Data中开始位置的偏移量。

Protocal：在网络的7层架构中，IP在第三层，而Protocal字段标记了上一层的Protocal是什么，是TCP？是UDP？

Time to Live：封包在Internet上可以存活的时间，设置该时间，避免在已经迷航的封包在Internet上绕了很久还是绕不出去。Router本身在帮助我们转送封包时，会根据网络的状态，随时调整路线，可能存在一个封包经由一个路由器转送出去后，之后又绕回来的情况，封包可能会发生迷路，被不断的转来转去，但是始终绕不出去。遇到这种情况该怎么办？我们不可能让此类封包永久的留存，以防这样的封包越来越多，最终将我们的Internet塞爆掉。假设将Time to Live的值设为128，那么每经过Router的一次转送，这个值就会减1,128就代表经过128个Router之后这个值就会减为0，减为0之后，Router就会将该封包丢掉。

Flags

DF：可以设置datagram在传送过程中不允许被切割。如果datagram要从一个Port送出去，可是这个datagram太大，而且又被告知不允许被切割，那怎么办？只有两条路，一是走另外一条路，二，如果找不到一条可以使datagram经过的网络，那么只能将该datagram丢掉。

MF：目的主机收到小片段后，如果标记为More Fragment，表示后面还有小片段。

Total length：封包的大小。

Header Checksum：header的范围如下图，红线圈起来的部分。

将header的内容做一次检查，避免出错，因为要做Routing。Router收到封包之后，会根据Destination IP Address做检查，避免出错，走错路。因此，header有错误，封包仍然需要丢掉。

version：标记IP的版本。现在全世界最流行的IP版本是第4版。

Type of Service：指出这个封包本身到底应该得到什么样的服务。来看下图：

Type of Service 本身是一个8个bit的栏位。

Precedence：重要性的意思。是一般data的封包？还是网络的控制封包？将封包本身的重要性做了一个设定。

Delay：服务的品质。这个封包传送是正常的延迟还是低延迟。IP封包进到Router之后，由于Router同时要处理的封包的量非常的大（可能是一秒钟几百万甚至几千万），即使经过查表后，确定从某个Port送出去，这个Port处理的封包量仍然很大，也需要Queue起来，一旦Queue起来，就会造成Delay，那么如果是Low Delay的封包，那么在Queue中可能会排在靠前的位置（可以说是有高优先权的意思）。

Throughput：High Throughput 往往与 Low Delay相对应。

Reliability：Router可以先丢掉Normal Reliability的封包。

2 IP Addresses

IP地址总共32位，因此有2^32个IP地址，大约40亿个。因为IP地址在分配的时候，网络有大有小，因此分成了3类：

Class A type：只有7个bit来代表Network，因此全球总共只有2^7 = 128种A类网络，那么一个A类网络有多大呢？2^24个（大型网络）。

Class B type：用14个bit来代表Network，全球共有2^14种B类网络，每个B类网络可以有2^16个Host（中型网络）。

Class C type：用21个bit来代表Network，全球共有2^21种C类网络，每个C类网络有2^8个Host（小型网络）。

3 How datagrams are delivered in an Internet ?

Router在处理封包时，到底封包走哪一条路径，是会根据网络状态实时变化的。Router与Router之间会定时或者不定时的交换网络的状况，因此Router的Forwarding Table会随时更新。同样的Source送到同样的Destination，由于Forwarding Table会变化，因此封包走的路径会不一样。

封包在传送的过程中可能会被切割，封包组合的工作将由Destination来做。

如果封包在传输过程中lost了（可能由于网络拥塞），那么Router会发一个message，告诉Source封包被丢弃的原因，但是Source不会重传。

Router本身在处理封包时，内部有两个重要的Table，一是Routing Table（也叫做Forwarding Table，上图上方中间靠左的Table），二是IP-MAC Table，是IP地址与MAC地址的对照表（上图上方中间靠右的Table）。

在上图中，中间的Router连接了3个网络，左边是LAN 1，右边是LAN 2，下方是LAN n。LAN 1有2个Station，一个是A，一个是HOST X，LAN 2也有2个Station，一个是B，一个是HOST Y。左下方的Router连接了LAN 1和LAN m。其中中间的Router接LAN 1的IP地址为140.114.77.65，接LAN 2的IP地址为140.114.78.66。

如果B要将一个封包丢给Y（注意，B和Y同时连接在LAN 2），封包该如何准备呢？首先，IP的datagram中，Source IP地址即为B的IP地址，Destination IP地址为Y的IP地址，因为B和Y在同一个网络上，因此传送该封包不用经过Router，直接传送给Y的MAC。如下图：

如果B要将一个封包丢给A，封包该如何准备？由于B跟A在不同网络中，因此传送封包必须经过Router。Source IP地址为B的IP地址，Destination IP地址为A的IP地址。这个封包是哪一个网卡送的呢？显然是MAC(B)。由于B和A不再同一网络，传送封包必须经过Router，因此Destina MAC地址填Router的网卡位置MAC(R)。如下图：

当B将这个封包丢到网络中后，Router就会收这个封包，因为填写了Router的MAC地址。Router将这个封包收起来后，接下来要做的事情是查表。由于目的IP是A的IP地址——140.114.77.60，在Routing Table中发现77这个网段是与Router直接相连的，因此可以直接送给A，但是要送给A，必须有A的MAC地址，这可以通过查找IP-MAC Table。Router将封包送给A，如下图：

两个例子总结如下：

如果两个Host在同一个网络，那么不用经过Router，就可以将封包直接送给目的地，否则要先丢给Router，再由Router转送，由最后一个Router丢给Destination。

4 example

再来看以下一个例子：

上图有4个网络：10.0.0.0、20.0.0.0、30.0.0.0以及40.0.0.0，由F、G、H三个Router连接。Routing Table针对G。

如果G要送封包到20.0.0.0，经查询为直接相连，说明20.0.0.0与Router G直接相连，那么Router G可以将封包直接送达（送到20.0.0.0这个网段上的Host）。同理，30.0.0.0也与Router G直接相连。

如果我们收到一个封包，其目的地是10.0.0.0这个网段，经查表为20.0.0.5，非直接相连，即需要丢给下一个Router，Router相应Port的IP地址为20.0.0.5。注意，并非一个Router一个IP地址，是Router的每一个Port对应一个IP地址。IP Address不是绑定电脑，是绑定Port。每一个Port都会有一个IP Address。例子中，Router F连接两个网络，左边Port的IP Address为10.0.0.5，右边Port的IP Address为20.0.0.5。

如果我们收到一个封包，其目的地是40.0.0.0这个网段，经查表为30.0.0.7，非直接相连，即需要丢给下一个Router，Router相应Port的IP地址为30.0.0.7。

那么怎么产生这样的Routing Table呢？Router之间平常会通过Routing Protocol进行信息交换。经过这样的交换，Router G就知道左边有一个F，右边有一个H…当有了Routing Table之后，封包进来就查表，如果直接相连，就直接送给Destination，如果不是直接相连，就送给Router。但是无论是送给目的Host，还是送给Router，都需要知道对方的MAC Address，因此Router本身还需要查一个表，就是IP Address与MAC Address的对照表。

5 小结

forwarding table maps network number into next hop：Forwarding Table即Routing Table，会告诉我们下一个网段或者说Router在哪里。

each host has a default router：每台Host必须设定一个default router，因此我们在操作笔电时，必须进入电脑，设定default router。通信的对象如果与我们在不同的网段，那么我们必须将封包丢给default router，从而丢给下一个Router。

3 IP Subnetting

通过上一小节的介绍，我们已经知道IP地址中，Class A的数量比较少，但是每一个Class A都是一个比较庞大的网络（拥有的主机号多）；Class B是一个比较中型的网络，每一个Class B大致拥有6万多个主机号；而Class C分类比较多，但是每一个Class C的size比较小，只有256个IP Address的分配。像这样，只有Class A、Class B、Class C，弹性就不够，因为有时网络中的Host数量未必是这样的等级，可能会造成使用率不佳的状况。

所谓的IP Subnetting就是在原来Class A、Class B、Class C的架构之下，再加上另外一个level，称为子网络。

例如，每个Class B Type的IP Address有2^16 = 65536个IP Address可以用，通常用Subnet Mask的值来作为子网络的规模。如果其Subnet Mask为255.255.255.0，说明前24位均为1，后8位为0，那么子网络的大小只有8个bit，即有2^8=256个IP Address可用。如果Subnet Mask为255.255.255.128，说明前25位均为1，后7位为0，那么子网络的大小只有7个bit，即有2^7=128个IP Address可用。下面来看个例子：

左下角的无线网：Subnet mask为255.255.255.128即11111111 11111111 11111111 10000000，说明子网络的规模为2^7=128个host，也就是说这个子网络最多能有128个IP。显然，这个子网络的范围为128.96.34.0到128.96.34.127。

上方的Network 2：Subnet mask同样是255.255.255.128。这个子网络的范围为128.96.34.128到128.96.34.255。

右下角的Network 4：Subnet mask为255.255.255.0，说明子网络的规模是2^8=256个host。这个子网络的范围为128.96.33.0到128.96.33.255。