计算机网络: 网络层协议

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网络层协议

网络层的功能

  • 主要功能：分组转发和路由选择
  • 其它功能：不同系统的设备间通信、拥塞控制

IPv4协议

  • IP地址：在此介绍ipv4的32位地址(ipv6为128位)，由网络号和主机号组成，分为有类别和无类别两种地址；注意，网络层始终讲述的是不同的网络号间如何转发，并不关心同一网段下的不同主机如何转发(那是数据链路层的任务)

    • 有两种特殊的主机号不能分配给主机：全零和全一 主机号全零的IP地址表示一个网段本身 主机号全一的IP地址表示特定子网的广播地址，可以跨网段广播到特定网段的所有主机号(但这个功能默认被拦截，需要管理员开放)
    • 有两个特殊的IP地址有特殊用途： 0.0.0.0表示本地网段内的所有主机，通常作为路由器的默认路由 255.255.255.255表示受限广播地址，和仅主机号全一的IP地址相比，它只能在本地网段广播该分组、而后者可以
    • 有类别(比较古老的做法)：分为A、B、C、D、E类，A、B、C类分别以前8、16、24位作为网络号 为了区分不同的有类别地址，它们有不同的前缀，分别为0、10、110、1110、1111 A类总共提供27 = 128个网络号，224 = 16777216个主机号 B类总共提供214 = 16384个网络号，216 = 65536个主机号 C类总共提供221 = 2097152个网络号，28 = 256个主机号 缺陷显而易见，非常不灵活，例如：当出现103量级的主机号数量需求时，显然只能用B类，导致白白浪费一个网段的大部分主机号 D类和E类不区分网络号和主机号，它们的后28位可以随意修改，D给因特网体系结构委员会使用，E类作为保留地址
    • 无类别：网络号位数x可变的IP地址，用于无类别域间路由选择(Classless Inter Domain Routing, CIDR) 为了区分不同的无类别地址，不同网段由不同的子网掩码来标识，子网掩码是网络号全为1、主机号全为0的32位掩码，所谓子网掩码的长度指的是x的大小 无类别地址简记形式：a.b.c.d/x，x为网络号长度 如果主机号数量的需求为L，则找到2k − 1 − 2 < L ≤ 2k − 2，其中的k即最少需要的主机号位数，因此子网掩码最长为x = 32 − k

  • IPv4报文：

    • 第一行：版本号(4)+首部长度(4)+服务类型(8)+数据报长度(16)

      • 版本号：处于不同版本的兼容，版本号用于标识使用的IP协议版本
      • 首部长度：单位为4个字节
      • 服务类型：区分不同的IP报文，提供不同的优先级
      • 数据报长度：单位为1个字节

    • 第二行：标识(16)+标志(3)+片偏移(13)，用于IP分组(分片)，由于分片/重组相当耗时，ipv6不允许在中间路由进行IP分片，这一行字段被弃用，但应该了解分组的过程：

      • 标识：分割出去的分组的该字段继承原IP分组的标识
      • 标志位：包含保留位、DF位(不分片位)和MF位(更多分片位) DF置1则不允许分片，并在数据大小超过MTU后返回ICMP错误信息 MF置1表示本分组是分片后的分组，且后续还有分组未到达 MF置0表示本分组是分片后的分组，且后续没有更多分片，MF方便重组方能够确认原来分组的大小
      • 片偏移：标识本分组首字节在原分组首字节的位置，这个字段的单位是8个字节(因为13位比数据报长度16位少了3位)，即实际位置是片偏移乘8 也因为这个，每个分片(除最后一个分片)的有效数据大小必须能被8整除

      本身分组分割就是因为要使IP分组小于MTU，因此要使分片的有效数据大小L满足： Lmax + 首部长度 ≤ MTU且8|Lmax

    • 第三行：TTL(8)+上层协议(8)+首部检验和(16)

      • TTL：Time-To-Live，一个分组的最长寿命，每经过一个路由减少一定寿命，防止分组永久地在网络中循环转发

    • 第三、第四行：源IP地址、目的IP地址

路由器工作原理

  • 分组从一个网段到另一个网段，可能需要经过路由器转发 路由器需要先经过路由选择，才能进行转发

    • 路由选择：通过软件计算，选择一条从源主机到目的主机的端到端路径
    • 转发：将分组从入接口移动到某个离出接口(由路由选择决定向哪个接口移动)，这是一次较快的硬件操作

  • 静态转发表：由目标网络、子网掩码、下一站IP地址、离出接口组成 静态是指，由管理者手动增删表项

    • 目标网络号：标识本路由器可以到达的网段，通过使分组的目的IP地址和表项的子网掩码按位相与再和目标网络比对，得出离出接口 用0.0.0.0表示默认路由，即没有任何表项和分组的目的IP网段相匹配的时候，使用的表项
    • 下一站IP地址：标识下一个路由设备接口的IP地址，这个是整个IP地址而不仅是网络号 每个路由器的每个接口都有IP地址，这个字段表示的就是接口的IP地址 C表示下一个接口就在本地路由器，即目的网段和本路由器相邻
    • 离出接口：即本地对接口的标识

  • 路由聚合和最长子网掩码匹配：有些时候，一个路由器有多个表项的离出接口相同，目标网络不同但有一定长度的公共前缀，这时可以进行路由聚合，将它们合为一个表项，因为它们虽然目的网段不同，但是转发结果是一致的，而路由表越短、传输延迟越短 但可能会出现问题：分组本应转发到接口A，但因为接口B的表项被路由聚合了，同时意味着这些表项的子网掩码变短了，按位相与后分组可能被误转发到接口B；最长子网掩码匹配即，分组总是先和子网掩码较长的表项比对，因为较长的子网掩码通常包含更详细的地址信息

  • 动态路由选择算法：仅少数表项由管理者初始化，其余表项由路由器学习得到

    • 集中式路由选择算法，又称链路状态(LS)算法：在路由开始学习前知道了所有链路的开销，使用Dijkstra算法学习 学习完成后，路由器可以得知和其它所有网段的最短距离以及最合适的离出接口
    • 分布式路由选择算法，又称距离向量(DV)算法：使用Bellman-Ford算法，通过报文跳数估计距离，适用于中小型网络
    • LS和DV算法对比： 更新开销方面：前者需要向所有路由转发链路状态报文、后者只在相邻的链路发生改变时向相邻的路由器报告，后者开销较小 收敛速度和健壮性方面：前者较优，DV算法收敛很慢

  • 自治系统：因特网是多个ISP(网络业务提供商)的网络，不同ISP有自己的管理方式，因此出现了自治域(Autonomous System, AS) AS内部有一类路由选择协议，它们统称为IGP(Interior Gateway Protocol内部网关协议)；不同AS间需要用统一的路由选择协议管理，称为BGP(Border Gateway Protocol边界网关协议) 即，IGP是一类开发商自行实现的协议、BGP是一个由RFC规范的协议，IGP有以下协议：

    • 路由信息协议(Routing Information Protocol, RIP)：它是一个DV协议，仅适用于中小型网络
    • 内部网关路由协议(Interior Gateway Routing Protocol, IGRP)：它是一个DV协议，现在已经被淘汰，注意和IGP区分
    • 开放最短路优先(Open Shortest Path First, OSPF)：Open意味着这个协议的实现细节是所有人可见的，它是一个LS协议，适用于大型网络，支持分层拓扑架构
    • 中间系统到中间系统(IS-IS)：它是一个LS协议

    BGP规定的边界网关的路由表经过高度路由聚合

DHCP协议

  • DHCP协议全称Dynamic Host Configuration Protocol，即动态主机配置协议，又称即插即用(plug-and-play)或零配置(zeroconf)协议 DHCP为随时进入局域网的设备自动配置IP地址、设备离开后自动回收IP地址
  • 发现报文：主机进入局域网后，没有IP地址可用，也不知道该网段的网络号，于是向该局域网内的DHCP主机通过UDP协议广播DHCP发现报文(端口号67)，使用0.0.0.0作为本机地址
  • 提供报文：DHCP主机收到后(只有DHCP主机会进行处理)，仍用广播方式响应一个DHCP提供报文，其中在数据段附上推荐的IP地址，以及其它的限制如IP地址租用期
  • 请求报文：局域网内可能有若干个DHCP主机，新进入的主机收到多个DHCP提供报文后，尝试选择一个IP地址作为自己的IP地址，并广播发送DHCP请求报文，并仍使用0.0.0.0作为本机地址
    • 使用0.0.0.0作为源地址的原因：需要得到DHCP的认可后才能正式租用该IP地址
    • 使用255.255.255.255作为目的地址的原因：因为可能有多个DHCP服务器，广播是为了让其它未被选择的DHCP主机也接收到租用请求报文，更新它们的可用IP表
  • 响应报文：只有被选中的DHCP主机会用广播形式发送DHCP响应报文，交互完毕后，新主机就可以使用租用的IP地址了；在租用期结束前，新主机可能再次发送请求报文进行续租 仍用广播，是因为新主机还没有正式租用IP地址

NAT

  • NAT全称Network Address Translation，即网络地址转换 用于搭建专用网络，专用网络内的所有主机的IP地址对外界都不可见，仅有一个NAT路由器有合法的IP地址 可以节省网络号，但NAT是基于TCP或UDP端口号实现的，在面对不经过传输层的通信要求时需要额外配置
  • 对于专用网络内部，一切通信都是正常的，当需要和外部通信时，NAT路由将所有IP分组的源IP地址改为NAT路由的IP地址，并将里面的端口号改为一个由NAT路由服务器新分配的端口号 同时通过NAT转发表，维护从NAT路由端口号到内部主机IP及原端口号的映射 最后在接收来自外部的报文时，将目的IP地址和目的端口号再映射回去

ICMP

  • ICMP全称Internet Control Message Protocol，即因特网控制报文协议，通常用于差错报告
  • ping就是用ICMP实现的，通过发送类型8编码0的回显请求到目的主机，目的主机发送类型0编码0的回显回答来实现
  • Traceroute也是通过ICMP实现的，源主机通过逐渐增大UDP分组的TTL来发现到某个目的主机之间的所有路由，路由收到TTL恰好降为0的分组时，报告一个类型11编码0的TTL过期报文，主机就可以知道到这个路由的时延、包括该路由的IP地址 当TTL足够大以至于到达目的主机时，Traceroute刻意将UDP分组的端口号设置为不可达端口号，因此目的主机会报告一个表示目的端口不可达的ICMP报文，当源主机收到该报文时，就知道不用再发送UDP探测报文了

ARP和RARP