计算机网络 网络层_ip地址转物理地址

网络层

2021-6-3
大二上课笔记，谢希仁版，图源教材

物理层笔记
数据链路层笔记
运输层笔记(tcp)

1. 网络层提供的服务

本章节向大家介绍网络层的内容，先介绍网络层在计算机网络中提供什么服务，然后介绍网络层的核心内容——IP协议，然后介绍服务于IP协议的相关内容。

1.1 虚电路

对于网络层提供的服务，曾有争议，有人认为应该学习电信网成功的经验，让网络提供可靠服务，提供一种面向连接的服务，这会在两台计算机之间搭建一条虚电路，两台主机之间的通信是可靠的，但是这带来的问题是，两台主机之间通信会十分缓慢。

1.2 无连接

互联网的设计思路则是无连接服务，因为电信网成功的原因是因为，电话机的终端是简单的，并没有差错处理的能力，而互联网的终端则是强大的计算机，因此，设计者采用了面向数据报的无连接服务，是一种不可靠的服务。出现差错则有强大的计算机终端处理。

2. 网际通信协议——IP

连接在互联网之中的主机如何通信？下面将介绍网际通信协议——IP协议。

2.1 用途——虚拟互联网络

在理解IP协议前，首先要明白它的应用场景——虚拟互联网络。各个计算机，网络之间是通过虚拟的方式互连的。

2.1.1 目的

首先我们要明白，不同的物理网络之间的结构是不一样的，我们想要通信，需要消除这种异构，从逻辑上将其统一。通过IP协议，将其从逻辑上连接成一个统一的网络，忽略各种异构的细节。

我们可以看下图的例子，主机H1发送消息给H2，经过多个路由器的分组转发，最后交付给H2，这些路由器的物理结构都是不同的，但是IP协议将其高度抽象化了。

2.2 内容

要理解该协议的功能，肯定要看数据报格式的首部，即其控制字段，看它的字段便能猜测到它的大部分功能了。

2.2.1 IP地址分类

IP地址是给互联网上的各个主机之间分配的唯一的标识符，对于IP地址的编制有三个阶段：分类编址，划分子网，构造超网。

（1）IP地址表示方法

对于将IP地址分类的方法，是指将IP地址分为两个字段——网络号和主机号，通过网络号来标识主机所在的网络，然后通过主机号来找到具体的主机。

如下图为两级IP地址的格式。

如下图，有五类IP地址，其中A，B，C类是单播地址（一对一通信）

将IP地址分类的目的是减少IP地址的浪费，因为不同的网络拥有的主机数也不同，倘若都是同一类地址，那主机数较少的网络则会浪费较多的地址。

2.2.2 数据报格式

想要知道IP协议具体有什么功能，可以通过它的数据报首部格式略知一二，如下图是数据报的完整格式。

（1）首部字段

上图我们看到IP数据报有首部和数据部分，数据部分我们不用花太多信息，理解好首部即理解了IP协议的内容，下面将一个一个展开首部内容的讲解，首先讲固定部分，下一段讲可变部分。

上面我们能看到，横向的是位大小，纵向的是字节大小，一行4字节，32位。

1. 版本：4位，指IP协议的版本，双方使用的版本应该是一致的。IPV4与IPV6是不兼容的

2. 首部长度：4位，IP首部的固定长度为20字节，最大长度为60字节，要注意的是，当长度不为4的倍数的时候，则需要在最后填充。

3. 区分服务：一般不使用

4. 总长度：指整个IP数据报的总长度，包括首部和数据部分。

我们知道在数据链路层有一个最大长度MTU，因此我们IP数据报的最大长度不能超过该值，否则需要分片处理。

分片的时候，该值则标识当前分片的首部和数据部分。

5. 标识：IP服务维持的一个计数器，产生一个数据报则加1。我们要知道，IP服务是无连接服务，不需要按顺序接收，该标识是用于在分片的时候，寻找相同片的数据报的。

6. 标志：3位，目前只有2位有意义。最低位：MF，more fragment，如果该值等于1则标识后面还有分片，反之即该分片为最后一个

中间位：DF，don’t fragment ，当为0时则不能分片。

7. 片偏移：该字段表示当前分片在原数据报的相对位置，以8个字节为偏移单位。下面举个例子

倘若一个数据报总长度3820，数据部分为3800，分片为不超过1420长度的部分，即每部分的数据长度不超过1400，则需要分成三片，1400，1400，1000，上面我们可以看到片偏移的情况。下图可以看到相关数值。

8. 生存时间：表示该数据报在网络中的生存时间，避免无法交付的数据报在互联网中无限兜圈子。

9. 协议：指出数据报使用的数据携带的协议。相关字段如下图

10. 首部检验和：

IP数据报也使用首部检验和来验证数据报，不过只检查数据报的首部，而不检查数据部分。

（2）可变部分

事实上该部分很少是使用，因为会增加路由器的开销。

2.3 IP地址与物理地址的关系

2.3.1 区别

首先我们要先弄懂IP地址与物理地址之间的不同处。

从下图可以看到， IP地址是应用网络层和以上的地址，是一种逻辑地址；而物理地址则是数据链路层，物理层使用的地址。

我们还要注意，在物理层，只能看到物理层的地址，在网络层，只能看到抽象后的网络层IP地址和数据报。

2.3.2 联系

具体的IP地址与物理地址的组合应用在互联网中找到目的地址，则可以见下图。

图a中我们看到，一个主机终端只有一个物理地址，但是一个路由器有两个物理地址，因为路由器连接到了两个局域网上，每个局域网中都有一个地址。

在图b我们可以具体地看到，网络层IP地址与物理层MAC地址的应用，下图也归纳了具体情况

2.4 IP地址与物理地址的转换——ARP

2.4.1 目的

在实际应用过程中，我们路由器找到具体网络地址后，如何在下层转换成物理地址来找到具体的主机呢？我们是通过ARP（Address Resolution Protocol）完成的。

2.4.2 ARP协议的内容

（1）工作方式：ARP协议解决该问题的方法是，在主机中设置一个ARP缓存区，专门用来存储IP地址到物理地址的映射表，并且该表会经常动态更新，以适应映射关系的变化。

（2）工作流程：具体的工作流程将从下面一个例子展开。

（1）发送请求

（2）接收请求

（3）响应请求

（4）写入缓存区

2.5 通过IP地址转发信息

2.5.1 过程

首先我们介绍一下路由器如何转发IP地址，下图是路由器的路由表样例。

在路由表中，最重要的是以下的两个信息：

在路由器的路由表中，首先标识目的地址，然后下一跳地址表示分组应该转发到哪里，如果是直接连接则直接交付，否则转发给下一个路由器。

2.5.2 要点

路由器的分组转发都是基于目的主机所在的网络进行转发的，有时候有些路由器会设置成默认路由，所有分组都转发到一个默认网络中，以减少路由表的消耗。

3. 优化IP协议

IP协议实际使用肯定也会出现许许多多的问题，这里将介绍如何优化IP协议的使用。

3.1 目的

如何优化首先要知道出现了什么问题。

3.1.1 IP地址利用率低

即便对IP地址进行了分类，但是仍会出现IP地址浪费的情况，因为大多数时候人们申请IP地址都会买多不买少，因此会有大量地址浪费。

3.1.2 两级IP地址不灵活

两级地址的使用，倘若某个单位新增加了一个网络，则需要申请IP地址才能使用，这就需要等待时间，如何能够灵活的新增网络？

3.2 增加IP地址利用率

3.2.1 划分子网

划分子网解决了新增网络不灵活的问题，通过增加子网号字段，可以灵活的解决网络新增或删除的问题。

（1）划分思路

首先一个单位是以一个整体的网络对外表现的，但是这个单位中可以存在多个由物理网络划分的不同子网。

划分的方法则是将IP地址变成三级地址，增加一个子网号

其余的操作并无太大区别，只不过在寻址的时候选择网络号后再选择子网号再选择主机号，应用例子可见下图。

（2）子网掩码

现在还要解决一个问题就是，我们划分了子网后，我们如何将这个IP地址转发到相应的子网中去呢？

解决办法是将主机号分一半作为子网号。

原先网络号为：192.168.0.0，后面十六位则作为主机号

而现在则为：192.168.1.0，前面两位作为子网号。

通过上图的例子我们明白如何通过掩码计算网络主机号，把IP地址减去子网掩码，子网掩码一般为全1。

3.2.2 构造超网——CIDR

即便划分子网，但IP地址仍面临不够用的情况，，因此又出现了一种无分类编制的方法（CIDR）。

（1）思路——网络前缀

CIDR方法消除了传统的分类概念，将IP地址分为两部分，网络前缀和主机号。

并采用斜线记法。

即表明前20位为网络前缀，后面的则为主机号。其地址掩码同样的，前面20位全为1。

这样一个CIDR地址块便有许多个地址，在路由表中则通过这种地址聚合来查找目的网络，大大减少了路由表的消耗。这种聚合也叫构成超网。

事实上CIDR的优势在于，它其实是一个灵活分类的地址，可以进行灵活的分类，不再拘束与ABC类，分类更灵活，也更切合需求。

（2）路由选择——最长前缀匹配

举一个例子说明，倘若一条信息的目的地址是大学A的B系，大学A的地址是：206.0.38.0/22，而B系的地址为：206.0.71.128/25，这时候在路由器中应该发送到哪里去呢？

这时应该选择网络前缀最长的路由，因为前缀越长，则地址块越小，也就越具体。

（3）使用二叉树查找路由表

由于路由选择的方法是最长前缀匹配，那路由表的查询过程将会变得复杂，如何减少查找方法呢？在这里应用了二叉树的方法。

3.2 提高传输成功率——ICMP

通过网际控制报文协议ICMP来提高IP数据报的交付成功率。

3.2.1 报文格式

ICMP实际上是IP层的协议，它存放在IP报文的数据部分中。

3.2.2 报文种类

ICMP有ICMP差错报告报文和ICMP询问报文两种

3.2.3 应用

4. 选择路由协议

4.1 内容

4.1.1 目的

前面讨论了网络传输协议，下面将讨论，在网络传输中，路由器如何构造路由表？如何选择合适的路线进行传输。

（1）路由算法

路由算法是指路由器生成路由表，并且如何选择路由表进行分组转发的算法。它应该尽量简单，而且要正确且完整，并具有稳定性等。

实际应用中有静态路由选择策略和动态路由选择策略，静态路由也叫做非自适应性动态路由也叫自适应路由选择，动态路由能较好的适应网络状态的变化。

（2）分层次的选择协议

互联网由于网络复杂，因此实际上使用的是自适应路由选择算法，在实际情况中，由于数据保护等原因，单位或公司等不会与外界共享内部的互联网拓扑结构，因此在互联网中，实际上是有许多个小的自治系统AS组成的，这些自治系统内部使用自己的路由选择策略，为内部网关协议，而自治系统之间的连接则使用外部网关策略，下面都会逐一讲解到。

4.1.2 路由器

（1）结构

路由器拥有多个输入输出端口，通过端口输入的信息，查找它的目的网络，通过路由选择协议来选择输出端口，然后进行转发。

路由选择部分称为控制部分，下面的输入端口，输出端口和交换结构部分称为分组转发部分。

（2）工作过程

（3）交换结构

4.2 内部网关协议

4.2.1 RIP

RIP算法是较早使用的算法，是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，就是按距离最短来选择路由，它的特点是简单。

（1）工作原理

RIP算法要求路由器要维护它到目的网络的距离，经过一个路由器则距离+1，上面R1到网1或者网2的距离则为1（直接连接），而到网3则距离为2（经过一个路由器）。

距离也称跳数，说白就是要经过几个路由器，但是这个距离有最大限制，不能超过16，也就意味着，该算法只适用于小型的互联网。

（2）特点

弄清楚路由交换协议要知道：

• 和哪些路由交换信息？
• 交换什么信息？
• 又在什么时候交换信息？

RIP协议是：

• 仅和相邻的路由器交换信息
• 交换的信息是路由器知道的全部信息(路由表)
• 固定时间间隔发送信息

路由表信息则是通过这样的方法不断地更新，从而逐渐获得全部信息。

路由表的信息包括到目的网络的距离，以及经过的下一跳地址，而路由表更新则需要找到每个目的网络的最短距离，这种算法叫做距离向量算法。

（3）距离向量算法

对相邻路由器X发来的RIP报文进行以下步骤：

1. 修改传入报文的内容，将下一跳地址修改为X，距离+1(经过了路由器X)。每个项目报文都有三个关键信息(目的网络N，距离d，下一跳地址X)
2. 如果路由表没有目的网络N，则加入
3. 否则，如果下一跳地址同样为X则更新，因为这是新地址
4. 否则如果距离小于项目则更新，否则什么也不做

要注意的是，如果3分钟没有收到相邻路由器的更新信息，则将其距离设置为16，意不可达。

下面举个例子

上面我们看到路由器R6原先的路由表，以及R4发来的更新信息

上面我们对发来的路由表进行修改，距离+1，下一跳地址均改为R4

然后对原先路由表进行比较更新。原先没有Net1的信息则加入，原先Net2的下一跳为R4则直接更新，原先Net3的下一跳地址为R5且距离较大，则更新。

（4）报文格式

从上图我们能看到，RIP在用UDP进行传输的，RIP报文包括首部和路由部分，首部是放一些控制信息，路由部分则放目标地址，下一跳地址，距离等路由表相关信息。

（5）缺点

RIP的特点是，好消息传播快，坏消息传播慢

我们设想，倘若一个路由器发现一个更短路径，相邻路由器马上知道，倘若一个路由器故障了，则很难被发现

网1出问题后，R1收到R2的报文，以为可以通过R2到达网1，则更新，R2收到R1的报文，又以为可以通过R1到达网1，更新，直到最后才发现网1不可达。因此我们会发现，RIP协议仅仅适合规模较小的网络，下面的OSPF协议则适合规模较大的网络。

4.2.2 OSPF

OSPF即指开放最短路径优先，是一种最短路径优先的算法。

（1）工作原理

OSPF使用的是链路状态协议不同于距离向量算法。见如下：1. 向谁发送信息？2. 发送什么信息？ 3. 什么时候发送？

1. 路由器使用洪泛法想所有路由器发送信息，每个相邻路由器之间互相发送，如同涟漪一般层层向外推进。
2. 发送的信息是本路由器与相邻路由器的链路状态，这只是部分信息，因为只说明本路由器和哪些路由器相邻和度量(具体由管理人员定)
3. 只有链路状态变化时才发送信息

通过上面的方法，所有路由器都能获得一个全网的拓扑结构图，就能构建自己的路由表

（2）特点

为了对OSPF进行优化，还将一个网络自治系统继续划分成更小的区域。

区域划分使用层级结构，有主干区域和边界区域，主干区域中的主干路由器中的边界路由器负责与外界通信。

（3）报文格式

从上图可以看到，OSPF报文直接通过IP数据报进行传送。包括首部控制信息与分组信息。

（4）分组类型

上面我们看到OSPF有分组类型，下面介绍一下：

1. 问候分组：用于发现和维持相邻路由器的可达性
2. 数据库描述：向相邻路由器发送自己的链路状态数据库的摘要信息
3. 链路状态请求：请求某些链路状态信息
4. 链路状态更新：向全网更新链路状态
5. 链路状态确认：

（5）优劣

OSPF协议中，每个路由器隔十秒要发送问候分组，确认路由器可达，若超过40秒没收到问候分组则认为该路由器不可达。

4.3 外部网关协议——BGP

4.3.1 解决的问题

首先我们思考，为什么外部网关协议不适用内部网关协议的方法呢？同样都是寻址罢了，我们设立自治系统的目的仅仅是用于保护各单位的数据隐私。

1. 网络结构过于复杂，互联网的规模太大了
2. 各个AS具体情况的考虑，可能最短路径包括AS1，但是它的速度太慢了，还不如另一个路径，甚至它不愿意帮忙传输信息，而且数据传到人家网络中，也有数据安全问题。

通过上面的描述我们的外部网关的协议找的不是最佳道路，而是较佳的道路。因此使用路径向量路由选择协议

4.3.2 工作原理

1. 每个系统选出一个发言人，往往是边界路由器，并通过共享网络连接。
2. 发言人之间建立TCP连接发送BGP报文，交换路由信息，称为彼此的邻站。

4.3.3 报文格式

上图能看到BGP是在TCP中传输的，报文也有不同的类型，具体不展示了。