【计算机网络】第四章 网络层（2）

三．IPv4协议

0. Internet网络层

 

1. IP数据报格式

 

（1）首部长度：4位，IP分组首部长度，以4字节为单位

（2）区分服务：8位，指示期望获得哪种类型的服务，只在网络提供区分服务时使用，一般情况下不使用，取00H

（3）总长度：16位，IP分组的总字节数（首部 + 数据）

　　·最大IP分组总长度：65535B

　　·最小IP分组首部：20B

　　·IP可封装的最大数据：65535 - 20 = 65515B

（4）生存时间：8位，IP分组在网络中可通过的跳步数，路由器转发一次减一，TTL = 0时丢弃

（5）协议：8位，指示IP分组封装的是哪个协议的数据包

（6）首部校验和：16位，实现对IP分组首部的差错检测，计算时置0，反码算术运算求和，由于TTL等会变化，校验和逐跳计算

（7）源/目的IP地址：32位，标识主机/路由器的IP地址

（8）选项字段（长度可变）：1 - 40B，携带安全信息、源选路径、时间戳、路由记录等，实际很少使用

（9）填充字段（长度可变）：0 - 3B，补齐首部，符合32位对齐，即保证首部长度为4字节的倍数

（10）标识：16位，标识一个IP分组，IP协议利用一个计数器，每产生一个IP分组加一

（11）标志位：3位

　　·DF：1禁止分片，0允许分片

　　·MF：1非最后一片，0最后一片或未分片

（12）片偏移：13位，一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量，以8字节为单位

2. IP分片

（1）最大传输单元（MTU）：链路层数据帧可封装数据的上限，不同链路的MTU不同

 

（2）分片与重组

　　·大IP分组向较小MTU链路转发时，可以被分片

　　·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

　　·若分片不全，等待一段时间后丢弃所有分片

（3）过程

　　·假设原IP分组总长度为L，带转发链路的MTU为M，若L > M且DF = 0，则需要分片

　　·分片时每个分片的标识复制原IP分组

　　·通常，除最后一个分片，其他分片均分为MTU允许的最大分片

　　·一个最大分片可封装的数据是8的倍数，则可封装数据为：

 

　　·需要的总片数为：

 

　　·每片的片偏移取值为：

 

　　·每片的总长度为：

 

　　·每片MF标志位：除最后一片，全部取1

　　·举例：

 

3. IP编址

（1）编址对象：接口

　　·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，主机通常有一到两个

（2）IP地址：32比特的二进制数

　　·编号标识主机、路由器的接口，与每个接口关联

（3）地址分配

　　·网络号为高位比特，主机号为低位比特

　　·同一个接口连接的主机网络号相同，构成一个IP子网，不跨越路由器

4. IP地址

（1）有类IP地址：A、B、C用于标识网络

　　·A类（50%）：8位Net ID为0.0.0.0 - 127.255.255.255

　　·B类（25%）：16位Net ID为128.0.0.0 - 191.255.255.255

　　·C类（12.5%）：24位Net ID为192.0.0.0 - 223.255.255.255

　　·D类（6.25%）：32位Net ID为224.0.0.0 - 239.255.255.255

　　·E类（6.25%）：32位Net ID为240.0.0.0 - 255.255.255.255

（2）特殊IP地址

 

（3）私有IP地址：可以被重用

5. IP子网划分与子网掩码

 

（1）子网划分：将原网络主机号部分比特划为子网号

（2）子网掩码

　　·形如IP地址，Net ID、Sub ID全1，Host ID全0

　　·应用：将IP分组目的IP地址与子网掩码按位与运算，提取子网地址

 

（3）子网地址 + 子网掩码 -> 准确确定子网大小

6. CIDR（无类域间路由）

（1）消除传统的A、B、C类地址界限，融合子网地址与子网掩码，方便子网划分

（2）无类地址格式：a.b.c.d/x，其中x为前缀长度

（3）优点：提高IPv4地址空间分配效率，提高路由效率

（4）路由聚合：将多个子网聚合为一个较大的子网（即超网）

　　·聚合条件：部分子网地址连续，且个数满足2的幂次，不满足2的幂次需要在路由表中添加额外判断内容

　　·层级编址使路由信息通告更高效

（5）黑洞现象：应该发送到组织1的消息，错发到Fly-By-Night-ISP

　　·解决办法：在ISPs-R-Us添加组织1 的地址，应用最长前缀匹配优先原则