网络层

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网络层概述

主要任务：实现网络互联，进而实现数据包在各个网络之间的传输

主要问题：

  • 网络层向传输层提供怎样的服务（可靠or不可靠）
  • 网络层寻址问题

核心功能

  • 转发（forwarding）：将分组从路由器的输出端口转移到合适的输出端口
    • 路由器转发表（确定在本路由器如何转发分组）
  • 路由（routing）：确定分组从源到目的经过的路径
    • 路由算法（协议）（routing algorithms）：确定通过网络的端到端路径
  • 连接建立（ATM、帧中继、X.25）
    • 数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接
      • 网络设备（如路由器）参与连接的建立

服务模型

  • 无连接服务（connecting-less service）
    • 不事先为系列分组的传输确定传输路径
    • 每个分组独立确定传输路径
    • 不同分组可能传输路径不同
    • 数据报网络（datagram network）
  • 连接服务
    • 首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径
    • 然后沿该路径（连接）传输系列分组
    • 系列分组传输路径相同
    • 传输结束后拆除连接
    • 虚电路网络（virtual-circuit network）

虚电路网络

虚电路

虚电路：一条从源主机到目的主机。类似于电路的路径（逻辑连接）

  • 分组交换
  • 每个分组的传输利用链路的全部带宽
  • 源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能

数据报网络

  • 网络层无连接
  • 每个分组携带目的地址
  • 路由器根据分组的目的地址转发分组
    • 基于路由协议/算法构建转发表
    • 检索转发表
    • 每个分组独立选路

转发表

最长前缀匹配优先

IPv4协议

Internet网络层

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IP数据报

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  • 版本号：IP协议的版本号
  • 首部长度：IP分组首部长度
  • 服务类型（TOS）：指示期望获得哪种类型的服务
    • 1998年改名为区分服务
    • 只有网络提供区分服务（DiffServ）时使用
    • 一般情况下不使用，通常IP分组的该字段的值为00H
  • 总长度：IP分组的总字节数（首部+数据）
    • 最大IP分组的总长度：65535B
    • 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）：IP分组在网络中可以通过的路由器数（或跳步数）
    • 路由器转发一次分组，TTL减一
    • 如果TTL = 0，路由器则丢弃该IP分组
  • 协议：指示IP分组封装的是哪个协议的数据包
    • 实现复用/分解
    • 6——TCP
    • 17——UDP
  • 首部校验和：实现对IP分组首部的差错检验
    • 计算校验和时，该字段置全0
    • 采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段
  • 源IP地址、目的IP地址：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：携带安全、源选路径、时间戳和路有记录等内容（很少使用）
  • 填充：补齐首部（32位）

IP数据分片

最大传输单元（MTU）：网络链路层存在MTU——链路层数据帧可封装数据的上限

IP分片与重组

大IP分组向较小MTU链路转发时，可以被“分片”

  • 一个IP分组分为多片IP分组
  • IP分片到达目的主机后进行“重组”

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

  • 总长度、标识、标志位和片偏移

  • 标识：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

  • 标志位：

    保留 DF（Don’t Fragment） MF（More Fragment）
    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）

  • 片偏移：一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量

    • 片偏移字段以8字节为单位

IP编址

接口

interface：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（如：有线的以太网接口，无线的802.11接口）

IP地址

32比特（IPv4）：编号标识主机、路由器的接口

  • IP地址与每个接口关联
    • 网络号（NetID）——高位比特
    • 主机号（HostID）——低位比特

有类IP地址

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IP子网

  • 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）可以彼此物理联通的接口

子网划分

  • 网络号（NetID）——高位比特
  • 子网号（SubID）——原网络主机号部分比特
  • 主机号（HostID）——低位比特

子网掩码

  • 形如IP地址
    • 32位
    • 点分十进制形式
  • 取值
    • NetID、SubID位全取1
    • HostID全取0
  • 例如
    • A网的默认子网掩码为：255.0.0.0
    • B网的默认子网掩码为：255.255.0.0
    • C网的默认子网掩码为：255.255.255.0
    • 借用3比特划分子网的B网的子网掩码为：255.255.224.0

子网地址+子网掩码->准确确定子网大小

应用

将IP分组的目的IP地址与子网掩码按位与运算，提取子网地址

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CIDR

无类域间路由（Classless InterDomain Routing）

  • 消除传统的A、B、C类地址界限
    • NetID+SubID→Network Prefix 可以任意长度
  • 融合子网地址与子网掩码，方便子网划分
    • 无类地址格式：a.b.c.d/x ，其中x为前缀长度
  • 提高IPv4地址空间分配效率
  • 提高路由效率
    • 将多个子网聚合为一个较大的子网
    • 构造超网（supernetting）
    • 路由聚合（route aggregation）

DHCP协议

获取IP地址

  • 静态配置
  • DHCP

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）动态主机配置协议

  • 从服务器动态获取：
    • IP地址
    • 子网掩码
    • 默认网关地址
    • DNS服务器名称与IP地址
  • “即插即用”
  • 允许地址重用
  • 支持在用地址续租
  • 支持移动用户加入网络

工作过程

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NAT

NAT（Network Address Translate）网络地址转换

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  • 只需从ISP申请一个IP地址
    • IPv4地址耗尽
  • 本地网络设备IP地址的变更，无需通告外界网络
  • 变更ISP时，无需修改内部网络设备IP地址
  • 内部网络设备对外界网络不可见，即不可直接寻址（安全）

实现：

  • 替换
    • 利用（NAT IP地址，新端口号）替换每个外出IP数据报的（源IP地址，源端口号）
  • 记录
    • 将每对（NAT IP地址，新端口号）与（源IP地址，源端口号）的替换信息存储到NAT转换表中
  • 替换
    • 根据NAT转换表，利用（源IP地址，源端口号）替换每进入内网IP数据报的（目的IP地址，目的端口号），即（NAT IP地址，新端口号）

关于NAT穿透的技术

ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protocol）互联网控制报文协议

支持主机或路由器：

  • 差错（或异常）报告
  • 网络探询

两类ICMP报文

  • 差错报告报文：
    • 目的不可达
    • 源抑制（Source Quench）
    • 超时/超期
    • 参数问题
    • 重定向
  • 网络探询报文
    • 回声（Echo）请求与应答报文（Reply）
    • 时间戳请求与应答报文

ICMP报文：类型+编码（查表）

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报文格式

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差错报告报文

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IPv6协议

最初动机：IPv4地址空间已经分配殆尽

其他动机：

  • 快速处理/转发数据报
  • 支持QoS

IPv6数据报格式：

  • 固定长度的40字节基本首部
  • 不允许分片

对比IPv4

  • 校验和：彻底移除，以减少每跳处理时间
  • 选项：允许，但是从基本首部移出，定义多个选项首部，通过“下一个字段首部”字段指示
  • ICMPv6：新版ICMP
    • 附加报文类型
    • 多播组管理功能

……

少先队长Software Engineer

第四公民