计算机网络--->5. 网络层 (2)

6. IP数据包格式

• 一个IP数据包由首部和数据两部分构成。

• 首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据包必须具有的。

• 在首部的固定部分的后面是一些可选字段(大部分数据包没有)，其长度可变

• 数据部分来源于传输层

6.1 详细格式介绍

1. 上图中第一行是bit，8bit=1个字节，一行4个字节，一共5行，共20个字节(固定部分)。

2. 版本：

用来表示TCP/IP协议是哪个版本的(ipv4/ipv6);若版本里面的值是4则代表ipv4;若版本里面的值是6则代表ipv6

3. 首部长度

用于说明这个ip数据包的首部有多长(包括可变部分)

4. 区分服务

网络中的数据包有着急的数据包A（视频聊天）也有不着急的数据包B（邮件），在发数据包A之前在数据包的首部做一下标记(ipt),同时在网络中的路由器上设置一下，让配有标记ipt的数据包先通过。这个在网络上区分不同的流量进行排队服务叫做Qos（在网络上实现服务质量）。

5. 总长度

用来表示整个数据包的长度。一共2个字节，16位，最大可用表示的数据包大小为2^16-1=65535字节。而之前所学在数据链路层的以太网的帧的数据部分最大1500个字节(MTU:最大传输单元)。那么网络层的数据包比数据链路层的MTU要大，那么应该如何传输呢？答：网络层的数据包在传输给数据链路层之前要将数据包分片，分成数据链路层能够支持的最大的数据。之后就是将数据包分片传输。一般情况下准备的数据包不超过1500个字节，一般不需要分片

• 数据包首部+数据包数据部分<1500个字节
• 数据包数据部分<1480个字节

6.标识

数据包分片之后，根据数据包前面的同样的标识还原为一个完整的数据包

如何传输分片的数据包

• 发送端，数据包切片后，每个切片都要加上首部，扔到网上之后，路由器选择路径的时候也是一段一段的选，路由器并不知道这被分了段的数据包，任然将其当作正常的数据包传输。

• 到接收端的网络层会将这些切片的数据包重新组装起来，还原成一个大的包，才会往上层传。

• 当然也会发生有的分片丢失的情况，那么对方计算机等半天等不到，就认为这个数据包没有完整的传过来

• 对方计算机如何知道这三个分片是一个包呢，这就需要给数据包标识，在数据包产生的时候就为其编号。

• 对方计算机收到这些分片的数据包，发现前面的标识都是一样的，那么就认为这时一个数据包

7.标志

接收端用来区分自己接收到的是一个分片还是一个完整的数据包。标志占3位，目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是MF。MF=1标识后面还有分片；MF=0表示这是最后一个分片。标志字段中间的一位是DF，只有当DF=0时才允许分片。

8.片偏移

记录每个分片的第一个字节位于整个数据包的第多少个字节

9.生存时间

计算机发数据包的时候给数据包一个TTL，每过一个路由器TTL减1（补充mac地址也是每过一个数据包就要修改）。TTL=1的数据包只能在本网段传输，TTL=2的数据包只能过一个路由器

10.协议

用来标识协议号，网络层这些数据包里面的数据是什么数据，是UDP还是TCP，是ICMP协议还是IGMP协议。这里面的协议号就规定了里面的数据部分交给哪一个进程来处理，如果是ICMP协议那么就直接由网络层的ICMP协议来处理；如果是TCP或UDP协议那么就要上传给上一层。（ICMP的协议号是1；IGMP的协议号是2；TCP的协议号是6；UDP的协议号是17；IPv6的协议号是41；OSPF的协议号是89；）

11. 首部检验和

数据包在传输的过程中，TTL会变，数据包在传输过程中首部是否被修改或者首部是否出现错误，可以用首部检验和检验，接收端收到后发现检验正确那么就接收这个数据包，否则丢弃。（首部检验和16位只检验数据包的首部不检验数据部分），这里不采用CRC检验而采用简单的计算方法，检验过程如下：

12.可选字段

是为了增加IP数据包的功能，IPv6就没有这个可变部分

说明

上述分析分析的是IP数据包的结构，ARP协议的数据包不适用此结构

6.3 使用抓包工具排除网络故障

抓包工具除了可以帮助我们分析数据包的首部，还有一个非常重要的功能：使用抓包工具排除网络故障，可以使用抓包工具来看看网络中还有哪些数据包

• 举例：在局域网中的一个用户发现自己的网速不快，可能是该局域网到internet这一节比较慢；也可能是内网发生堵塞。局域网里为什么会堵塞呢？答：局域网中某台计算机在该网段内发目标地址为全1的广播包，交换机会将这个广播包转到所有的口上，导致局域网堵塞。那么正常的计算机A 若ping另一个正常的计算机B就会有很大的延迟和丢包。在A上装上抓包工具后就可以抓到网络上的广播包、多播包以及给自己的数据包； 如果没有抓包工具那么就只能用二分法拔掉网线，当看到交换机等狂闪(很忙),但是当前局域网又很慢，这说明交换机在忙着干别的事情，忙着转广播包。

7. IP协议(重点)

1. 路由器根据路由表来判断该从哪一个口转发数据包。路由表分静态路由和动态路由。

2. 静态路由

由管理员告知路由器，数据包到不同的网段应该怎么走，静态路由不会随着网络状态的变化而自动调整，适用于网络规模较小的情况

3. 动态路由

一堆路由器通过某种协议(RIP)来学习到不同的网段应该怎么走

4.IP协议

让路由器能自动学习路由表的协议都叫做IP协议：RIP、OSPF等，IP协议是一个统称

5. 网络畅通的条件---数据包有去有回

• a.若是数据包从左边的计算机1传到路由器C的时候，C若没有下一段路由表，不知道传给谁，那么C就会返回给计算机1一个数据包，告知目标地址不可到达。

• b.若数据包已经到右边的计算机2了，但是在计算机2返回数据包到F的时候，F不知道后面怎么走，此时计算机1若ping计算机2，得到的结果就是请求超时。

• c.除了检查上述“来回路由器是否有到目标网段的路由表的问题”，以后在检查网络通不通的时候，还要看收发计算机是否配备网关，没有配备网关的计算机是不知道到其他网段该怎么走的，没有网关就没有办法到其他网段。
  

7.1 RIP

动态路由的RIP协议是一个开放式的动态路由协议：

RIP协议的工作方式

路由器ABCD都运行RIP协议，路由器A连着4个网段，它会周期性地在网络上发广播，通过广播包告知其他路由器自己连着哪些网段，那么B路由器就会知道到192.168.1.0网段下一跳就给A,且要过1个路由器；B也要周期性地每隔30秒告诉C路由器我连着192.168.1.0网段，我到该网段要过1个路由器；C网段就记下了，要到该网段下一跳要给B，且算出自己要过两个路由器。同时这些信息也会由A传给E，E传给D，D告诉C，C就记下了这条路也可以到达该网段，但是算出自己要过3个路由器。目前为止C就认为到该网段有两条路可以走。RIP协议选取路由器最少的路径为最佳路径。

RIP总结

• 周期性广播路由表给其他路由器；

• 选择最佳路径的标志就是“跳数”，跳数少的就是最佳路径；

• 30秒更新一下路由信息；（原因：让旁边的路由器知道本路由器还活着，要是一个路由器超过一段时间没有联系邻居路由器，那么这个邻居路由器就会传播这个路由器不幸去世的消息）

• 如果一个网络搭建好了，一年都没有变化，但是路由器也没闲着，而是每隔30秒更新一次，这也是比较消耗带宽的

• RIP最大跳数15跳，如果到目的地要经过16跳，那么RIP协议就认为不可达，适用于网络规模较小的情况

7.2 OSPF

该协议也可以选择最佳路径，选择最佳路径的标准是带宽