计算机网络 4-2-1 网络层（IPv4）

•         2 IPv4分组
  
•         各协议之间的关系
  
•        
  
  
          IP协议(Internet Protocol, 网际协议)是互联网的核心！
          ARP协议用于查询同一网络中的<主机IP地址，MAC地址>之间的映射关系
          ICMP协议用于网络层实体之间相互通知“异常事件”
          IGMP协议用于实现IP组播
  
• 
  
  
  
  •                 2.1 结构<首部+数据部分>
    
    
    
    •                         看书的素图回忆各字段的作用
      
    •                         首部固定部分20B，可变部分0~40B
      
    •                         注意3个与“长度”相干的字段：418，首总偏
      
                   
    
  •                
    
    
    
  •                                 补充：
                       版本：v4:0100，v6:0110
                       首部长度：固定部分20B，则是5*4=20B,为0101；最大60B，则15*4=60B，为1111
                    一样平常首部长度默认为固定长度
                       实际传输过程中， “数据部分”的长度受下一段链路的最短/最长帧长限定
                    eg： 以太网帧有最短帧长、最长帧长限定
    
         
  
•        
  
  
  
• 
  
  
  
  •                 2.2 命题重点
    
    
    
    •                         2.2.1 分片问题
      
      
      
      •                                 MTU （最大传送单元）：一个链路层数据帧能承载的最大数据量
        
      •                                 如果一个IP数据报的总长度大于下一段链路的MTU，就需要将“数据部分”分片
        
      •                                 易错：除末了一个分片外，其他每个分片的“数据部分”必须是8B的整数倍
        
      •                                 易混
        
        
        
        •                                         标识16bit，用于区分每个分片原本属于哪个IP数据报
          
        •                                         标记3bit, 关注最低位MF、次低位DF
          
          
          
          •                                                 MF=1，表现后面另有分片
            
          •                                                 MF=0， 表现这是末了一个分片
            
          •                                                 DF=1，表现不允许被分片
            
          •                                                 DF=0，表现允许被分片
            
                                                 
          
                                       
        
                             
      
                   
    
         
  

注意：
·IP数据报的“分片”可能在源主机、或任何一个路由器中发生
·只有目的主机才会对分片举行“重组”
·各分片有可能乱序到达目的主机
·由于首部的“片偏移”字段是以×8B为单元，因此，除了末了一个分片外，其他每个分片的数据部分必须是8B的整数倍(片偏移表现的是这个IP数据报它本身承载的数据在原始数据报当中的位置。)

• 
  
  
  
  • 
    
    
    
    •                         2.2.2 TTL字段
      
      
      
      •                                 IP分组每颠末一个路由器，TTL减1，如果已经减到0，该路由器就丢弃分组，并向源主机发送ICMP报文 （通知出现异常）
        
                             
      
    •                        
      
      
      
                   
    
  •                                 不可达：
    
    
                    TTL的初始值通常由源主机设置。
                    每颠末一个路由器，路由器就将TTL减1, 如果TTL减到0,就直接丢弃分组，并向源主机发送ICMP报文
                    注：ICMP报文用于通知一个节点发生了某种“异常”
    
         
  

2.3 ip地址最初的分类方案 

• 路由器和路由器毗连的接口可以不分配IP地址，但路由器和其他节点毗连的接口必须分配IP地址
  
• 附属于同一个网络的全部主机、路由器接口的IP地址“网络号”都类似
  
• 当一台新主机接入网络时，需要给它分配一个IP地址、并设置“默认网关”
  

H1给H7发送IP数据报（166.1.0.0--200.1.1.2）：
        这个IP分组需要发送到另一个网络上，先交给默认网关这台路由器（H1的内部已设置：166.1.0.5）当H1知道了这个默认网关的IP地址之后。通过ARP协议查询到默认网关的IP地址所对应的MAC地址。把这个IP数据包封装成帧，把这个帧的目的MAC地址直接写成b2接口所对应的MAC地址对；
        接下来H1会把这个mac帧发送给交换机，交换机根据MAC地址逐层转发到路由器的b2这个接口，路由器检查目的网络的IP地址网络号，根据转发表检察，把这个数据报从b0接口转发出去。当转发这个IP数据报的时间，也会修改mac帧，把mac帧的目的地址修改为接口的MAC地址。所以会把这个IP数据包重新封装成帧，这个帧的目的MAC地址填写为c0。
        把帧从b0接口转发出去。公司的路由器就收到了这个IP数据包。检查IP数据包的目的地址，检察转发表，确定这个IP数据包接下来从c2这个接口转发出去。那同样根据ARP协议查询对应Mac地址重新封装成帧。
H1给H6发送IP数据报（166.1.0.0--166.1.4.4）：
        先检查源IP和目的IP是否属于同网段，同属同网段就不需要转发到默认网关；h1通过ARP协议查询到h6对应的MAC地址，直接把这个数据包封装成mac帧，把帧发送给交换机，交换机根据mac帧，转交给下一台交换机，交换机再根据mac帧转发到下一个节点，
        该结点是集线器。集线器收到帧之后，会把帧无脑的转发给与之相连的全部结点，h6收到帧检察确认是本身吸收，H5检察不是本身不吸收丢弃

注意：以上这些特殊地址不能指派给网路中的任何一台主机或路由器“私用”
重要结论：前两行阐明，如果一个网络中，主机号占Nbit，那么这个网络中，最多支持

台主机&路由器
2.4 子网划分 & 子网掩码

•         2.4.1 子网划分技术
  
  
  
  •                 ✅子网划分
    
    
    
    •                         原理：若某单元租用了一个IP地址段，假设原本主机号占 n bit，那么可以将前k bit抠出来作为子网号，用剩余的n-kbit作为主机号，这样就能划分出2^k个子网（每个子网包罗的IP地址块大小相称）
      
    •                         子网划分前，IP地址为两级结构=<网络号，主机号>
      
    •                         子网划分后，IP地址为三级结构=<网络号，子网号，主机号>
      
    •                         注意：每个子网地址中，主机号不能分配为全0/全1 
      
      
      
      •                                 全0表现子网本身，全1为子网广播地址
        
                             
      
                   
    
  •                  
    
    
    
    
  •                                 子网划分作用：让一个很大的IP地址块划分成几个相互独立的这种地址块，从而提拔IP地址资源的利用率。
    
  •                 ✅子网掩码
    
    
    
    •                         作用
      
      
      
      •                                 用子网掩码、IP地址“逐位与”，算出<网络号，子网号>（可合称为“网络前缀”）
        
      •                                 只有网络前缀类似的IP地址，才归属于同一个网络 （或子网）
        
                             
      
    •                         注意
      
      
      
      •                                 如果一个网络内部举行了子网划分，那么这个网络中的每台主机、每个路由器接口都需要设置IP地址、默认网关、子网掩码
        
      •                                 如果一台路由器支持子网划分技术，那么在它的转发表中， 需要包罗<目的网络号，子网掩码，转发接口>
        
                             
      
                   
    
  •                 ✅默认子网掩码
    
    
    
    •                         如果一个传统网络 (A/B/C类)内部没有举行子网划分，那么可以将对应此网络的转发表项设置为“默认子网掩码”
      
      
      
      •                                 A类默认255.0.0.0 B类默认255.255.0.0 C类默认255.255.255.0
        
                             
      
                   
    
  •                 ✅默认路由
    
    
    
    •                         默认路由 （默认转发表项）设置：<目的网络号全0，子网掩码全0>
      
    •                         在路由器转发表中，如果全部表项都不匹配，那么将从“默认路由”转发出去
      
                   
    
         
  
•         2.4.2 主机发送IP数据报的过程
  
  
  
  •                 一、判断目的主机和本机是否属于同一个网络
    
    
    
    •                         ①检查本机IP地址和目的IP地址的网络前缀是否类似（需要用本机设置的子网掩码“逐位与”）
      
    •                         ②若网络前缀类似，阐明目的主机和本机属于同一个网络；若网络前缀差别，阐明不属于同一网络
      
                   
    
  •                 二、将IP数据报封装成MAC帧并发送到链路上
    
    
    
    •                         如果目的主机与本机属于同一个网络，就通过ARP协议找到目的主机的MAC地址，再将IP数据报封装成帧，并将帧发送给目的主机
      
    •                         如果目的主机与本机不属于同一个网络，就通过ARP协议找到默认网关的MAC地址，再将IP数据报封装成帧，并将帧发送给默认网关
      
                   
    
         
  
•         2.4.3 路由器转发一个IP数据报的过程
  
  
  
  •                 一、路由器的某个接口收到一个IP数据报
    
  •                 二、对IP数据报首部举行校验，并从中找到目的IP地址
    
  •                 三、查“转发表”
    
    
    
    •                         转发表的表项包罗<目的网络号，子网掩码，转发接口>
      
    •                         检查目的IP地址与每个表项可否匹配（将目的IP地址、子网掩码“逐位与”，匹配表项中的目的网络号）
      
    •                         注：至少“默认路由”表项一定是可以匹配成功的
      
                   
    
  •                 四、转发
    
    
    
    •                         根据查转发表的结果，将IP数据报从匹配的接口转发出去
      
    •                         注：如果匹配的“转发接口”和该IP数据报的入口类似，就不用再把IP数据报转发回去
      
                   
    
         
  

 

练习一：H3→H6（同一子网内的两台主机）：在局域网的内部就完成了IP数据包的传送   
             H3要检查目的地址与源是否附属于同一个网络：用设置的子网掩码和目的地址逐位相与。网络前缀都类似这个目的地址和源附属于同一个网络之内。h3直接把这个IP数据包封装成mac帧，而且在mac帧当中直接阐明h6的这个MAC地址。到达集线器，集线器会把帧无脑的转发给h5和h6两台主机。h5主机不会吸收这个mac帧，因为目的地址和本身的mac地址不类似，而h6主机会吸收这个帧，拆掉mac帧的首部和尾部，得到IP数据包。由于IP地址和本身的IP地址是匹配的，所以h6这台主机就会吸收这个IP数据包
练习二：H1→H3（差别子网内的两台主机）
        要判断目的地址和的源IP地址是否同属于同一个网络，把目的地址和源的IP地址和本机内设置好的子网掩码举行逐位与运算，得到两个IP地址的网络前缀。由于二者的网络前缀不相称。
所以就阐明这个目的结点和源不在同一个网络内。于是h1需要把这个IP数据包发送给默认网关，让他帮忙转发。转发给b3路由器
        路由器的网络层需要决定这个地址应该往哪转发。起首要和转发表的子网掩码举行相与。相与的结果再和目的网络号举行比较，可以看出和第二行匹配，就会从b2接口把这个IP数据包转发出去。
练习三：H1→H7（采用子网划分技术的网络→传统网络）
        如果它没有举行子网划分，设置默认子网掩码
练习四：H7→H1（传统网络→采用子网划分技术的网络）
练习五：主机H1发往Internet的某个IP数据报怎样传输？(设目的IP地址=111.2.3.4)

•         2.5 CIDR无分类编址
  
  
  
  •                 2.5.1 根本原理
    
    
    
    •                         取消了IP地址传统的A/B/C/D/E 分类。采用无分类编址CIDR,IP地址块分配更机动，利用率更高，一定程度上缓解了IP地址耗尽 （时代背景：1993年）
      
    •                         IP地址={<网络前缀>，<主机号>}，此中网络前缀不定长
      
    •                         CIDR记法
      
      
      
      •                                 128.14.32.153/30, 表现在这个IP地址中，网络前缀占30bit, 主机号2bit
        
                             
      
    •                        
      
      
      
    • 
      
      
      
      •                                
        
                             
      
                   
    
  •                 2.5.2 CIDR地址块的子网划分
    
    
    
    •                         定长子网划分
      
      
      
      •                                 在一个CIDR地址块中，把主机号前k bit抠出来作为定长子网号，这样就能划分出2^k个子网 （每个子网包罗的IP地址块大小相称）
        
      •                                 缺点：每个子网都一样大，不敷机动，IP地址利用率低，浪费有限的IP地址资源
        
                             
      
    •                         变长子网划分
      
      
      
      •                                 在一个CIDR地址块中，划分子网时，子网号长度不固定（每个子网包罗的IP地址块大小差别）
        
                             
      
    •                         注意：在每个子网中，主机号全0、全1的IP地址不能分配给特定节点私用
      
                   
    
  •                 2.5.3 子网划分解题技巧
    
    
    
    •                         CIDR地址块的子网划分技巧：可以利用类似于“从根到叶构造二叉哈夫曼树”的技巧
      
      
      
      •                                 ⚠️原始CIDR地址块作为根节点（假设可以自由分配的主机号占 h bit）
        
      •                                 ⚠️每个分支节点必须同时拥有左右孩子，左0，右1（反过来也行）
        
      •                                 ⚠️每个叶子结点对应一个子网，根据根节点到达叶子结点的路径来分析子网对应的IP地址块范围
        
      •                                 ⚠️整棵树的高度不能超过h-1（因为即便最小的子网也至少要保留2bit主机号）
        
                             
      
                   
    
         
  

例子：

 

注意：路由器和主机相连的链路，需要给路由器节点也分配一个ip地址

​​​​​​​

•         2.6 路由聚合
  
• 
  
  
  
  •                         对于一个路由转发表，如果几条路由表项的转发接口类似，部分网络前缀也类似，那么可以将这几条路由表项聚合为一条。这种地址的聚合称为路由聚合，也称构成超网。
    
  • 
    
    
    
    •                        
                              缺点：
                                      ● 路由聚合可以减少路由表的大小。                       
                                      ● 路由聚合可能会引入额外的无效地址。
      
                   
    
  •                
    
    
    
         
  

存在1： 目的IP地址和转发表多个表项匹配--最长前缀匹配原则

        目的地址128.14.32.131与路由器转发表均匹配，则采用最长前缀匹配原则举行匹配，表项2匹配的长度最长，则从G3转发出去

免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！更多信息从访问主页：qidao123.com:ToB企服之家，中国第一个企服评测及商务社交产业平台。

继续阅读请点击广告