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计算机网络 4-2-1 网络层（IPv4）

ai 2025/5/11 14:30:26

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”相关的字段：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
  
  一般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/最长帧长限制
  
  eg：以太网帧有最短帧长、最长帧长限制
- 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：除最后一个分片外，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，表示后面还有分片
        
        MF=0，表示这是最后一个分片
        
        DF=1，表示不允许被分片
        
        DF=0，表示允许被分片

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进行“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为单位，因此，除了最后一个分片外，其他每个分片的数据部分必须是8B的整数倍(片偏移表示的是这个IP数据报它自己承载的数据在原始数据报当中的位置。)

- - 2.2.2 TTL字段
    - IP分组每经过一个路由器，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。
  
  每经过一个路由器，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

路由器和路由器连接的接口可以不分配IP地址，但路由器和其他节点连接的接口必须分配IP地址
从属于同一个网络的所有主机、路由器接口的IP地址“网络号”都相同
当一台新主机接入网络时，需要给它分配一个IP地址、并配置“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的内部已配置：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，根据转发表查看，把这个数据报从b0接口转发出去。当转发这个IP数据报的时候，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，查看转发表，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所有结点，h6收到帧查看确认是自己接收，H5查看不是自己不接收丢弃

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：前两行说明，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：若某单位租用了一个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（每个子网包含的IP地址块大小相等）
  - 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表示子网本身，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，从而提升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”）
    - 只有网络前缀相同的IP地址，才归属于同一个网络（或子网）
  - 注意
    - 如果一个网络内部进行了子网划分，那么这个网络中的每台主机、每个路由器接口都需要配置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，需要包含<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)内部没有进行子网划分，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，如果所有表项都不匹配，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相同（需要用本机配置的子网掩码“逐位与”）
  - ②若网络前缀相同，说明目的主机和本机属于同一个网络；若网络前缀不同，说明不属于同一网络
- 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数据报首部进行校验，并从中找到目的IP地址
- 三、查“转发表”
  - 转发表的表项包含<目的网络号，子网掩码，转发接口>
  - 检查目的IP地址与每个表项能否匹配（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数据报的入口相同，就不用再把IP数据报转发回去

训练一：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从属于同一个网络：用配置的子网掩码和目的地址逐位相与。网络前缀都相同这个目的地址和源从属于同一个网络之内。h3直接把这个IP数据包封装成mac帧，并且在mac帧当中直接说明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主机不会接收这个mac帧，因为目的地址和自己的mac地址不相同，而h6主机会接收这个帧，拆掉mac帧的首部和尾部，得到IP数据包。由于IP地址和自己的IP地址是匹配的，所以h6这台主机就会接收这个IP数据包

训练二：H1→H3（不同子网内的两台主机）

        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地址和本机内配置好的子网掩码进行逐位与运算，得到两个IP地址的网络前缀。由于二者的网络前缀不相等。

所以就说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。首先要和转发表的子网掩码进行相与。相与的结果再和目的网络号进行比较，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。

训练三：H1→H7（采用子网划分技术的网络→传统网络）

        如果它没有进行子网划分，设置默认子网掩码

训练四：H7→H1（传统网络→采用子网划分技术的网络）

训练五：主机H1发往Internet的某个IP数据报如何传输？(设目的IP地址=111.2.3.4)

2.5 CIDR无分类编址
- 2.5.1 基本原理
  - 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地址块分配更灵活，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>}，其中网络前缀不定长
  - CIDR记法
    - 128.14.32.153/30, 表示在这个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（每个子网包含的IP地址块大小相等）
    - 缺点：每个子网都一样大，不够灵活，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（每个子网包含的IP地址块大小不同）
  - 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）