2018 April 23 计算机网络

第五章 网络层(二)

Internet中的网络层

  1. Internet 综述
  2. IP 协议
  3. IP 控制协议
  4. IP 路由
  5. IPv6

Internet 综述

  1. Internet的发展
    1. 1970年：第一个分组交换网ARPA诞生，连接了四所大学
    2. 1972年：ARPA网有40个网点，应用有e-mail、rlogin、FTP，至此，网络的核心技术产生并开始研究网络的互联
    3. 1974年：产生了两个基本的Internet协议：IP协议和TCP协议
    4. 80年代后期：产生了NSF网，它连接了美国所有的超级计算中心，并逐步取代了ARPA网
  2. 技术特点
    1. 使用TCP/IP协议
      1. 因特网是怎样把全球不同的网络互联起来的呢?
      2. 它建立了一个虚拟的网络,他不管这个世界上有多少网络,它提供一个世界语
      3. 你这台机器在你自己的网络传输信息的时候,那就用自己的网络协议去传输,如果你要跟其他的网络交换信息的话,那你要把你这个信息变成世界语的格式来传递,那么这个世界语就是TCP/IP协议
    2. 网络互联结构：各网之间一般采用路由器加专线连接
      1. 各个网络之间是怎样互连起来的呢?
      2. 网络1+路由器—专线—-路由器+网络2
      3. 所有的路由器都认识TCP/IP
      4. 路由器既可以理解子网络的语言,也认识世界语言(TCP/IP)
    3. 层次结构的域名及网络管理
      1. 这么大的一个网络,他是怎样确定他的网络资源呢?请求网络就是为了获取网络的资源
      2. 因特网给他所有资源规定了一个唯一命名的规则-这个名字就是域名
      3. 怎样保证域名的唯一性呢? 采用的就是层次结构
    4. 分布式的管理模式，没有一个Internet管理中心
    5. 开发了通用的应用技术
  3. TCP/IP分层模型
    1. 应用层(应用层+表示层)
    2. 传输层(传输层+会话层)
    3. 互联网层(网络层+网络互联功能)
    4. 主机至网络
    5. 分析:
      1. TCP/IP跟七层网络协议不一样,他是一个四层的协议
      2. 层和层之间是通过网络结构来调用的,层和层之间的接口就相当于是一个函数调用
      3. TCP协议和OSI协议不一样,OSI是一个完整的网络协议,二TCP/IP他只是一个把网络互联起来的协议,他只考虑让两个网络互相认识,至于子网内部的传输,不管
      4. 因此最后一层归纳为主机至网络的一个接口,即网络层到数据链路层的一个接口
  4. Internet的发展方向
    1. Internet 2：美国各大学，主要解决QoS
    2. Ipng：(Next Generation Internet) 美国政府组建机构研究，主要解决已有的Internet的一些限制，如地址、安全和多媒体传输等问题
  5. Internet 中的”I”的注意:
    1. 如果大写,代表全球最大的互联网因特网
    2. 如果小写即internet,代表网络互联技术

IP 协议

  1. 在TCP/IP协议当中他的网络层就是互联网层,互联网层他的主要的协议就是IP协议(当然还有其他协议)
  2. IP协议就是网络互联的协议(Internet Protocol)
  3. IP协议主要就是完成了在不同的网络当中怎样来传递数据包
  4. IP协议提供了一种公共的数据包格式
  5. 在分组交换的网络中怎样来实现网络的互联呢?有3个问题需要解决
    1. 各个不同的网络他的数据包的格式是不一样的
      1. 采用了一种统一的数据包格式-IP包格式
    2. 每一个网络的地址是不一样的,比如:发送方网络地址有2个字节,而接收方网络地址是4个字节,那么怎样把4个字节地址放到2个字节的物理帧里面呢?
      1. 显然是不可行的,因此,在网络互联的情况下,所有的站点都给他赋一个虚拟的地址,不管你在你的物理网络当中的地址是什么,都给他附一个虚拟的地址-IP地址
      2. 举例说明: 就像联合国开大会,每个国家都派代表开会,每个代表在自己的国家都有自己的名字(自己的网络当中的地址),但是在开大会的时候,会给每一个国家的代表起一个名字(**代表),这个名字就是全球唯一的,这就是IP的地址
    3. 不同的网络有不同的长度,就是在IP协议当中怎样解决分段和重组的问题

IP包格式

  1. 它是在整个因特网上每个路由器都认识的数据包的格式

  2. IP数据包格式如下

    图1

  3. 数据包分为报头部分+SDU部分(真正的传输层交过来的数据)
    1. 数据包的报头又分为固定部分和可变部分
      1. 固定部分是每一个数据包都有这些字段
      2. 而可变部分是如果你需要由这个功能你可以增加
      3. 因此IP包的报头最小长度是,最短的长度是前面的固定部分(有五行,每行4个字节)20个字节(20B)
  4. 报头20个固定字节的内容
    1. IP协议的版本号
      1. 版本为4（Ipv4）
    2. 头部的长度
      1. 头部长以32位字长(即4个字节)为单位, 即一行
    3. 服务类型(基本没用)
      1. 8位（两位保留）
    4. 总长：
      1. 包括报头和数据报，最长216 –1(2个字节)，即 65535个字节
    5. 标识、标志、段偏移：
      1. 用于数据报的分段
    6. 生存时间：
      1. 以秒为单位也,可以经过路由器的个数为单位
    7. 类型或协议
      1. 指的是承载的数据是什么类型的
      2. IP协议通过这个字段把数据包解析,判断交给上层的哪个协议(UDP/TCP…)
        1. TCP: 6
        2. UDP: 17
        3. ICMP: 1
        4. OSPF: 89
    8. 头部校验和
      1. 按16位相加，结果求反
    9. 源和目的地址：32位
    10. IP可选项：用于控制和测试 图1
    11. 充填域：凑成32位的整倍数

P包的分段与重组

  1. 从上面可以看出,IP数据包最长可达65535的长度,但是事实上不是每一个物理网络都支持65535的长度数据,如果物理网络不支持65535长度,这就需要分段与重组
分段
  1. 分段过程
    1. 按MTU的及数据包的实际负载长度计算所需段数并划分，分段应满足两个条件：
      1. 各段在不大于MTU的前提下，尽可能地大,即按照这个物理网络的最大长度分段
      2. 段的长度为8的整倍数
    2. 原数据包的报头作为每段的数据包报头，并修改其中的某些字段，指明：
      1. 属原来的哪个分组(分组标示)
      2. 属原来段中的第几个分段 (偏移量)
      3. 哪一个是段尾(最后一段标志)
  2. 通过标志、标识和段偏移实现
    1. 标识（identifier）：16位
      1. 发送方每发送一个分组(IP包)编号加一 (其实就是IP包的编号)
      2. 各分段的标识相同
      3. 源地址加标识来区分各个分段
    2. 标志（flag）：3位（一位保留）
      图1
      1. DF
        1. = 0 表示本分组允许分段
        2. = 1 表示本分组必须完整到达，途中不允许分段
      2. MF
        1. = 0 表示本段为本分组的最后一个段
        2. = 1 表示本段后面还有更多的分段
    3. 段偏移（fragmentation offset）：13位
      1. 实际偏移量 = 段偏移值 x 8 Byte
  3. IP包分段举例
    1. 一个物理网络的MTU为1500B，现要传输一个IP分组(IP包)（其IP分组头为20B，数据区长度为1400B）到MTU为620B的另一个物理网络，其分段情况为：
    2. 上面的意思是一个数据包的长度为1420B,经过的是一个1500B的网络(这个是没问题的),但是传到下一个网络只有620个字节,因此需要分段发送
    3. 分段如下 图1
      1. 将1400B分为600/600/200这3个分段(600,600,200都是8的整数倍遵循前面讲的规则)
    4. 每个分段的头部其基本部分（如源地址、目的地址等）是copy原IP分组(IP包)的头部，与分段相关的域则应重新生成 图1
分段的重组
  1. 途中的任意一台路由器都无法重组，重组必须在各分段都到达目的地之后才能进行
    1. 每个分段可以走不同的路径
    2. 每个分段不能保证按顺序到达
    3. 减少路由器中保存的信息量及路由器的工作量
  2. 互联网层是遵循尽力而为来传送IP包的，也存在力不从心的时候，此时只能丢弃
  3. IP协议采用非透明重组，主机将遵循：要么重组成功，要么全部丢弃的原则

IP地址

  1. 在Internet网络当中,每一个数据包在寻找路径的时候,都是根据目的站点的地址来寻找路径的
  2. 也就是说每一台机器要上Internet,必须有一个全网唯一的一个IP地址
  3. 如何保证这个IP地址是全网唯一的呢?采用了分层的方法
IP地址分类与表示

  1. 层次结构和分类 图1

    1. IP地址把地址分成了2个部分,NetID(网络号)/HostID(主机号)
      1. 网络号: Internet主机机构控制的是网络号,一个单位组建一个网络需要向Internet申请网络号(NetID),分配的是惟一的
      2. 主机号:由这个单位自己为自己分配的主机号,也是唯一的
      3. 因为Internet机构不会把一个网络号分给2个单位,惟一的;一个网络内部也不会把一个主机号分配给两台主机,也是惟一的;上面两种一组合就是全球唯一了
    2. 按照网络号和主机号不同的长度,可以把IP地址分为A/B/C/D/E类
      1. 常见的是A/B/C三大类
        1. 每一个IP地址唯一的对应了一个网络接口(单址传输)
      2. D类: 一个IP地址对应了一组接口(多组传输),当发送一个消息,多个接口同时收到
      3. E类: 保留着没有使用的那一部分
    3. ABC三类特点:
      1. A类:刚开始做互联网时,认为在互联网当中网络不会很多很多,所以把1个字节划分给网络号(0-127),3个字节划分给主机号
      2. B类: 后来越来越多,网络号为2个字节,主机号长度2个字节
      3. C类: 网络号为3个字节,主机号长度2个字节
      4. 网络/主机号总长4个字节
      5. 如何判断ABC类
        1. 看第一个字节如果小于127就是A类,前1个字节为网络号,最后一个字节为主机号
        2. 大于127就是B类,前2个字节为网络号,最后一个字节为主机号
        3. 大于191就是c类,那么前3个字节为网络号,最后一个字节为主机号
        4. 例如: 202.120.1.154,C类,主机号为154
  2. IP地址的表示
    1. 由于IP地址是32位二进制,如果直接表示是记不住的,因此,采用点分十进制表示,如：202.120.1.154
      1. 什么是点分十进制?
        1. IP地址4个字节,每个字节看成一个10进制的数,所以每个字节的值是0-255,每个字节之间用”.”分开,因此这种方法称为点分十进制表示方法.
    2. 当组网的时候,要给每台主机分配一个IP地址,但是在这些IP地址当中有些IP地址是不分配个任何主机的–特殊地址 图1
      1. 前缀是指: 网络号
      2. 后缀指: 主机号
  3. 私有网络IP地址
    1. 除了特殊地址不能用外,还有一些地址也不用-私有IP地址,
    2. Internet也是一种网络互联的技术,很多单位比如规模比较大,内部也有很多小的网络,我想把这些小的网络互联起来,但是为这个单位是一个独立的孤岛,我不想与互联网连接,那么我就没有必要想Internet申请IP地址,但是我需要用IP的技术来互联,那么每台机器也必须有一个地址,那么Internet机构就留出了这些用户.
    3. 即自己组了一个网络,但是有不想跟Internet相连,但是有用到IP的技术,那么就可以用这些地址 图1
      1. 如果建的私有网络比较大,那么在A类中选择
子网划分
  1. 分好一个一个网络后,在主干网上的路由器就有一张路由表,这张路由表不是对每台机器有个路由向,而是每个网络有个路由向,因为路由器的端口连着的是一个网络,因此主干路由器的路由表上面是每一个网络的地址.
  2. 一个数据包过来要进行路由的步骤:
    1. 拿出数据包的目的IP地址,从目的IP地址抽取出网络号(IP地址是由网络号+主机号组成)
    2. 用这个号到路由表中去找
    3. 如何判定网络号的长度呢?
      1. 判断目的地址是A/B/C类然后在分别取值(A类:1个字节,B类2个字节,C类3个字节),因此主干网上面的路由器放的是每个网络,不是一台主机
  3. 为什么好子网划分?
    1. 比如这个单位比较大,向Internet申请了一个B类地址,一个B类地址可以支持65535台主机
    2. 如果这个单位的主机组网用以太网,65535台主机用一个一台网组,那就会一直竞争,数据无法正常传输,解决办法:对于以太网来说规模不能够大,要把它分成一个一个的小网络
    3. 若把以太网分成一个一个的小网络,对于主干网他是只认网络的,因此,这就需要向Internet申请多个网络的B类IP地址,这样就回造成地址的浪费.
    4. 现象: 原来只需要一个B类地址就可以搞定65535台主机的,但是现在把主机分成1000个主机一个的小网络,那么就需要1000个B类地址,这就造成了很大的浪费.
    5. 那么如何解决这个问题呢?
      1. 关键问题是Internet分配一个地址只能对应一个网络,主干网查找路由就是通过这个地址的网络号,来查找对应的网络
      2. 如果这个网络地址能够对应一组网络呢? 问题就解决了
      3. 子网划分就是用来解决这个问题的.
  4. 简介
    1. 随着网络规模的扩大，虽然能为一个网络提供大量的IP地址（如B类地址），但通常在一个网络（如以太网）内支撑不了那么多的主机
    2. 如果再申请一个IP地址，那将造成地址的浪费
    3. 问题在于一个网络ID(网络号)，只能对应一个网络，而不是一组网络
    4. 解决的方法是允许在内部将一个网络分成若干个子网，而对外仍像一个网络
    5. 一个网络中的主机都必须具有相同的网络ID
    6. 然而子网之间的数据传输，必须通过路由器
  5. 如下图:
    图1
    1. 如上图,中央路由器接到数据包,要根据中央路由器的路由表查找是哪一个端口的那一台主机,那么这个路由表就非常长了
    2. 那么如何解决这个问题呢?能不能像Internet一样,主干网路由器下面连着是子网的路由器呢?只要把数据包,转送给子网路由就行了呢? 那么中央路由器只需要8个路由就行了.
    3. 那么就存在一个问题,中央路由器如何确定每个子网的网络号呢?Internet中是通过目的地址,拿到网络号寻找对应的子网,但是中央路由器如何找到对应的子网呢?那就需要每个内部的子网也需要有一个网络号-子网号
    4. 在内部的网络号成为子网号,实现方法跟Internet一样,把内部地址也分成网络号(ID)+主机号(ID)
    5. 那么如何划分呢?
      1. 我们知道中央路由器的地址是由Internet分配的—网络号(ID)+主机号(ID)
      2. 网络号(ID)是由Internet分配的,不可以自定义的,但是主机号是由我们自己定义的
      3. 因此我们可以这样定义: 网络号+(子网号(内部网络号)+ 主机号(内部主机号)),即把Internet分配的IP的主机号部分自定义成:子网号+内部主机号
  6. 主机的IP地址分配
    1. 任意指派
      1. 对B类网络，主路由器上的路由表中至少有65536个表项
    2. 按子网划分
      1. 从IP地址的主机号的高位部分取出若干位作为子网的标识(子网号(ID))，其余作为子网中的主机标识(主机 号(ID))，在子网中，主机标识可任意指定 图1
  7. 子网掩码
    1. (假设当前为B类地址,那么子网长2个字节)子网中的网络号多长,主机号多长呢? 每个单位的划分不一样的,有可能2个byte给子网号,剩下的给主机号,或者其他,那么如何知道一个单位的子网号有多长呢? – 子网掩码
    2. 子网掩码的作用
      1. 因为子网地址长度不是固定的，所以必须说明设备地址中的哪一部分是包含子网的网络地址段，地址中哪一部分是主机地址段
    3. 子网掩码使用与IP编址相同格式
      1. 子网掩码的网络地址部分和子网地址部分全为1，它的主机部分全为0
    4. 一个标准C类IP地址网络号3个字节,主机号1个字节,那么他的的掩码为：(前面3个字节全部为1,后面一个字节为0)
      1. 子网掩码的表示方法也是用点分十进制表示
      2. 255.255.255.0
    5. 例1
      1. 一个C类主机地址为202.120.3.99，子网号为 011，其掩码应为：255.255.255.224

      2. 划分方法如下图:

        图1

      3. 包含子网地址的网络号 = IP地址∧掩码
      4. 掩码也可用更简洁的方式表示：202.120.3.99/27，其中27表示掩码中1的个数
    6. 例2
      1. 某单位有三个部门，分别有自己的网络，虽然每个部门的主机数都比较少，但也需要三个C类地址（因为没有比C类地址更小的了），掩码为：255.255.255.0
      2. 如下图 图1
        1. 可以看出向Internet申请了3个C类地址,201.120.1.*/201.120.2.*/201.120.3.*
        2. 一个C类地址可以连接256台主机,这样就造成了极大的浪费.
      3. 采用子网划分
        1. 选择子网号长度
          1. 三个子网一共只有10台主机，因此一个C类地址就足够了
          2. 子网和主机所需位数的分配：可以根据子网数或者每个子网中的主机数来决定
          3. 如按子网数来决定：3个子网需要2位编码：00，01，10，11，但一般00和11保留，因此3个子网需要3位编码，则子网掩码为：202.120.1.0/27
        2. 采用子网划分技术，可节约IP地址，图中掩码为：255.255.255.224
        3. 如下图 图1
    7. 例3
      1. 某单位有多个部门，每个部门的机器数为20个左右，现申请有一个C类地址 202.10.23.0，问： 就目前而言，如何划分子网较为合理，请确定子网掩码，每个子网中主机数最多为多少台?
      2. 析:用3位表示子网号，5位表示主机号是合理的，所以：掩码为：255.255.255.224；最多的子网个数：8(6)个每个子网中主机数最多可接：32 – 2 = 30（台）某个主机IP地址及其掩码也可写成：202.10.23.47/27
    8. 例4

      1. 某主干网（通信子网）使用一个C类地 200.120.8.0，主干网的结构如下图所示，图中有A、B、C、… … H、I 等9个路由器，所示的两个子网分别通过其边界路由器X和Y与主干网连接，应如何设计主干网的子网划分策略，即确定掩码，以分配路由器的端口地址

        图1

      2. 析:

        1. 两个原则：
          1. 两个路由器上相互连接的两个端口必须在同一个子网
          2. 该子网中不可能包含第三个端口
        2. 每个子网中仅有两个有效地址
        3. 所以，掩码为：255.255.255.252
CIDR-Classless InterDomain Routing
  1. CIDR:无类域间路由
  2. 为什么要引入CIDR
    1. 一个B类地址对大多数机构来说还是太大，C类地址又太小，网络地址本身又非常紧缺
  3. 解决办法：（RFC1519）
    1. 以可变长分块的方式分配所剩的C类网络，把若干个C类地址（必须是连续的）捆绑成一个组地址，作为一个分配单元
    2. 甚至也可把256个C类地址合成一个B类地址
  4. 引入CIDR的好处
    1. 提高IP地址的利用率
    2. 缩短路由表
NAT-Network Address Translation
  1. 简介
    1. 网络地址转换产生的原因: IP地址不够,引起的一种补救的方法
    2. 一般来说每台主机都有一个IP地址才能进入Internet网络，但是现在很多时候申请不到IP地址,比如有1000台机器,但是却值申请到了一个C类地址(256),那怎么办呢?—NAT就是一种补救的方法
    3. 形象举例: 一个穷人家有10个人,却只有3套新衣服,为了让每个人出去都有新衣服穿,那么这十个人,出去就传这3套中的一套,回来之后再换给其他人.这就是NAT的思想
    4. 那么问题来了,假设目前只有一个C类地址,最多256个机器,目前有1000台机器,但是如何来组网呢?因为每台机器必须有一个IP地址.那就需要使用–私有地址了.
    5. 还有一种情况使用私有地址: 单位为了安全而不向Internet公开单位内部的地址，所以企业内部的主机通常都使用私有地址，当内部主机要访问Internet时，必须进行“网络地址转换”，即把私有IP地址转换成公开IP地址
    6. 私有地址是大家都能用,并且不需要想Internet申请的.但是私有地址只能内部使用,不能出去,主干网不识别.
    7. 因此,在单位内部用私有地址为每台主机分配一个IP,在内部通信时大家都用这个唯一第IP地址来通信,一旦访问外部网络,需要转换成合法IP,用完之后在让下个用
  2. NAT的工作过程
    1. 要实现网络地址转换,在这个单位的出口的路由器上要具备NAT功能
      1. 有了这个NAT功能,它就能检查这个机器是否出去,出去就给一个合法地址,不出去就用原来的私有地址.
    2. 假设内部网络使用内部网络地址192.168.44.0，并已申请到公开IP地址为202.120.8.65-202.120.8.79，内部主机PC3的IP地址为192.168.44.89
    3. PC3发出一个请求通过ISP访问Internet，目的IP地址为202.120.1.154
    4. Router（Firewall）(路由器)将对请求IP包和返回的应答IP包作NAT(网络转换) 图1
    5. 回来的IP包如何到达源端
      1. 如果PC3发送数据包出去,分配的IP为202.120.8.70,使用完毕后,PC2也发送数据包出去,如果分配的地址也为202.120.8.70,当服务器分别对PC3/PC2返回数据包,此时这两个包的目的地址都是202.120.8.70,那么如何知道哪个返回给PC3,那个返回给PC2呢? 更深入一点,同一台主机上的不同应用进程之间呢?
      2. 解决办法:
        1. 利用传输层(传输层的数据包记录了源/目的端口号)的源端口号字段(区分不容的应用进程)
          1. IP包承载的数据主要就是TCP或UDP
          2. TCP/UDP里面标识的是源进程/目的进程
          3. TCP/UDP通过端口号来标识源进程/目的进程
        2. 在NAT中有一张映射表 图1
          1. 这个表中记录了源地址/源端口号
        3. 请求IP包和应答IP包的NAT
          1. 当请求IP包到达路由器时，将IP包中的源IP地址和源端口号信息填入NAT表（映射表），同时将对应的NAT表表项序号(0,1,2….65535)取代IP包中的源端口号字段，并将选定的合法地址（即公开IP地址）取代IP包中的源IP地址字段，重新计算校验和并发送
            1. 比如:上图中的192.168.44.89:33030,映射到NAT表中,为第12051项,选定的合法IP为:202.120.8.70,因此NAT后IP地址为: 202.120.8.70 : 12051
          2. 当应答IP包从ISP发回来时，路由器将抽取该应答IP包中目的端口号字段，查NAT表将表中对应的内容放回目的IP地址字段和目的端口号字段，发回源节点
  3. NAT存在的问题
    1. NAT违反了IP的体系结构
      1. IP规定一个IP地址对应一个网络接口，而在NAT中，某个地址可能会对应成千上万个地址
    2. NAT将Internet的无连接服务变成了有连接服务
      1. 因为NAT必须包含所有经过它的连接信息
    3. NAT违反了网络分层原则
      1. 在第三层用了第四层协议格式中的字段(端口号)
    4. 如果IP包的载荷不是TCP或UDP，则NAT无法工作
      1. 因为在其他协议的信息中不包含源端口号
    5. 在有些应用中NAT可能会出错
      1. 在有些应用中，发送方会将源IP地址嵌在它的消息中，接收方必须从信息中取用源IP地址，但NAT不作此类处理，因而将导致错误
  4. 综上所述,IP如何发送数据包呢?
    1. 一个数据包在源站点看一下目的站点是不是跟我是同一个网络(只要看源地址与目的地址的网络号是否相同即可),如果相同就直接通过这个当前子网传递过去,反之,发送到NAT
    2. NAT根据目的地址在路由表中查找,找到下一站的地址
    3. 下一站再经过地址解析找到下一站…

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