• 【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

      ·DF1禁止分片,0允许分片

      ·MF1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MTUM,若L > MDF = 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

    2IP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:ABC用于标识网络

      ·A类(50%):8Net ID0.0.0.0 - 127.255.255.255

      ·B类(25%):16Net ID128.0.0.0 - 191.255.255.255

      ·C类(12.5%):24Net ID192.0.0.0 - 223.255.255.255

      ·D类(6.25%):32Net ID224.0.0.0 - 239.255.255.255

      ·E类(6.25%):32Net ID240.0.0.0 - 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 IDSub ID1Host ID0

      ·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ABC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

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