网络层

　　网络负责在不同网络之间尽力转发数据报，主要是基于数据报的IP地址进行转发，不负责处理数据报的丢失、充分、乱序等功能，不保证分组交换的时限

一、网际协议IP

• IP协议指的是IPv4
• 与IP协议配套使用的三个协议
  • 地址解析协议ARP
  • 网际控制报文协议ICMP
  • 网际组管理协议IGMP

    

• 网络中间设备
  
  • 物理层：集线器，转发器
  • 数据链路层：交换机，网桥，桥接器，适配器
  • 网络层：路由器
  • 网络层之上：网关

二、IP 地址

1. 分类的IP地址

• 格式：  <网络号>，<主机号>，一般用点分十进制记录IP地址，32位二进制
• 网络号标志主机或路由器所连接到的网络，主机号标志该主机或路由器
• 分类
  • A、B、C类地址的网络号自选分别为1、2、3个字节长，在网络号的类别为分别为0，10，110
  • A、B、C类地址主机号字段分别为3、2、1个字节长
  • D类地址（1110）用于多播，E类地址（1111）保留为以后用
    
• IP地址中的全0表示本网络，全1 表示本地环回地址
  
  
• IP地址是一种分等级的地址结构，IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络奥，剩下的主机号则由得到该网络号单位自行分配
• 路由器仅根据目的主机所连接的网络号转发分组，减少了路由表所占存储空间和查找时间
• 1个路由器至少有2个不同的IP地址，一个主机在一个局域网下至少有一个IP地址
• 具有不同网络号的局域网必须使用路由器互连，转发器/网桥没有主机号，没有IP地址

2. IP地址与硬件地址的区别

• IP地址是网络层和网络层以上各层使用的地址，是一种逻辑地址，IP地址放在IP数据报的首部。
• 硬件地址是数据链路层和物理层使用的地址，是物理地址，硬件地址放在MAC帧的首部。
• 在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报，在局域网的链路层只能看到MAC帧，MAC帧在不同网络转发中MAC地址会变化
• IP数据报首部有源站IP地址，但路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择，通过地址解析协议ARP从网络层使用的IP地址解析出数据链路层的硬件地址
• 地址解析协议ARP：在主机ARP高速缓存中存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，以及存放的地址映射有效时间TTL，进行动态更新，增删改查。 <IP地址：MAC地址：TTL>

3. IP数据报

　一个IP数据报由首部和数据两部分组成，首部的前一部分是固定长度占20字节，后面是可选字段，长度可变。

• 版本：占4位，IP协议版本
• 首部长度：4位，字段最小值是5，最大值是15，当IP首部长度不是4字节的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充
• 区分服务：占8位，一般情况下不适用
• 总长度（576~1500字节）：指首部和数据之和的长度，完整IP数据报的长度，可以传递65536个字节大小的IP数据报，然而数据帧中最大数据传送单元MTU为1600个字节，所以IP数据报总长度不能超过MTU，必须把过长的数据报进行分片处理，IP协议规定在互连网中的所有主机和路由器必须能够接受长度不超过576个字节的数据报，因此IP数据报的数据内容最小是512个字节（首部长度最大是60个字节，还需余出4个字节的富余量）
• 标识：占16位，相同标识字段值使分片后的各数据报片能正确地重装
• 标志：占3位
  • 最低位标记MF：MF=1表示还有分片，MF=0表示已经是最后一个分片
  • 中间标志位DF：DF=0允许分片
• 片偏移：占13位，表示数据报分片后某片在原分组中的相对位置，片偏移以8个字节为偏移单位，每个分片长度一定是8字节的整数位
• 生存时间：8位，数据报在网络中的寿命，跳数，TTL最大数值为255
• 协议：数据报携带的数据使用何种协议，ICMP=1，IGMP=2,IP=4,TCPP=6,UDP=17
• 首部检验和：占16位，检验数据报首部，不包括数据，反码检验
• 源IP地址32位
• 目的IP地址32位
• 可变部分：可选字段，用于支持排错、测量以及安全等

四、IP转发分组流程

• 路由表转发：（目的网络地址，下一条地址），路由器记录了下一跳地址去向哪一个网络
• 分组转发算法
  • 从数据报的首部提取目的主机的IP地址，得出目的网络地址为N
  • 若N是与次路由器直接相连的某个网络地址，则进行直接交付
  • 否则若路由器中 有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中的吓一跳路由器
  • 否则若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一个路由器
  • 否则若路由表中有一个默认路由。则把数据报传送给表中所指明的默认路由器
  • 否则报告转发分组错误

五、划分子网

• 两级IP地址缺点：
  • IP地址空间利用率低
  • 给每一个物理网络分配一个网络号会使得路由表变得很大，网络性能变差
  • 两级IP地址不够灵活
• 三级IP地址，划分了子网
  
  • 格式：  网络号，子网号，主机号
  • 子网号占用了原来的主机号位数，子网号不能全为1或全0
  • 子网掩码： 将网络号/子网号全部置1，主机号全部置0
  • 通过子网掩码和IP地址进行与运算可获得子网的网络地址
• 所有的网络必须使用子网掩码，否则使用默认子网掩码
• 使用子网划分后，路由表的内容包括： 目的网络地址，子网掩码和下一跳地址

六、网际控制报文协议ICMP

• ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况额报告，ICMP报文作为IP数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送
• ICMP报文格式，数据字段长度取决于ICMP的类型

　　　　

 

 

 

• 种类分为ICMP差错报告报文和ICMP询问报文
  

   

   

• ICMP差错报告报
  
  • 终点不可达 ：当路由器或主机不能交付数据报时向源点发送中等不可达报文
  • 时间超过：当路由器收到生存时间为0的数据报时，除丢弃该数据报外，向源点发送时间超过报文，当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，把已收到的数据报片丢弃，并向源点发送时间超过报文
  • 参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段值不正确时，丢弃并向源点发送参数问题报文
  • 改变路由：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器
  • 收到的ICMP差错报告报文的数据字段具有相同格式，把收到的需要进行差错报告的IP数据报首部和数据字段的前8个字节构成ICMP报文的数据字段，在加上对应的ICMP差错报告报文的前8个字节构成ICMP差错报告报文。
  　　　　

   

• ICMP 询问报文
  • 回送请求和回答： ICMP回送请求报文是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文，用于测试目的站是否可达和其相关状态
  • 时间戳请求和回答：ICMP时间戳请求报文是请某台主机或路由器回答当前日期和时间，在ICMP时间戳回答报文中有一个32位的字段，写入的整数代表从1900年1月1日开始到当前时刻一共有多少秒，时间戳请求与回报用于时钟同步和时间测量
• ICMP举例：PING和traceroute

七、IPv6

　IPv6是一个具有更大地址空间的IP 协议

• 更大的地址空间，128位
• 扩展的地址层次结构
• 灵活的首部格式
• 改进的IP数据报首部选项
• 允许协议可以继续扩充
• 支持即插即用，不需要使用DHCP动态主机配置
• 支持资源的鱼粉配
• IPv6首部改为8字节对齐
• IPv6由基本首部和有效载荷组成