【深入理解计算机网络08】网络层之IPv4
目录
网络层功能概述
异构网络互联
路由与转发
拥塞控制
IPv4
IP数据报（IP分组）
IP地址
子网划分与子网掩码
无分类编制 CIDR
路由聚合
网络层功能概述
异构网络互联
- 异构：每个网络的拓扑结构不同、物理层 & 链路层的实现不同、主机类型也各不相同
- 重要的设备：路由器（Router）
- 在 TCP/IP 文献中，路由器也称为网关（Gateway）
路由与转发
- 路由
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- 各个路由器之间相互配合，规划 IP 数据报（分组）的最佳转发路径
- 各个路由器需要运行 “路由协议”，最终生成各自的 “路由表”
- 转发
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- 一台路由器，根据自己的 “转发表”，将收到的 IP 数据报从合适的接口转发出去
- 注：转发表 = 精简版路由表。更精简的数据结构有助于快速检索
拥塞控制
- 拥塞
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- 原因：网络上出现过量分组，超负荷，引起网络性能下降
- 现象：网络上的分组数增加，但吞吐量反而降低
- 类比：节假日路上的车辆增多到一定程度时，收费站的吞吐量反而降低
- 拥塞控制方法
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- 开环控制（静态的方法）：在部署网络时，就提前设计好预防拥塞的方法。一旦网络系统开始运行，就不再修改
- 闭环控制（动态的方法）
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- 动态监视网络状态，及时发现哪里发生拥塞，并将拥塞信息传递给相关路由器（如：通过 ICMP）
- 相关路由器及时调整 “路由表”
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IPv4
IP数据报（IP分组）
实际传输中，数据部分的长度会受到数据链路层的的 最短/最长帧长 限制
一个链路层数据帧能承载的最大数据量称为 最大传送单元（MTU）。
如果一个IP数据包的总长度 > 下一段链路的MTU，就需要对其进行分片。到达目标主机的网络层后再对分片进行重组。
那么接收方如何区分分片属于哪个数据报？如何进行组装？
- 通过分片的 标识 字段来判断属于哪个数据报。
- 通过 标志 字段来判断分片是不是最后一个分片。最低为MF（More Fragment），次低位DF（Dont Fragment）。
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- 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。
- 最后根据 片偏移 来完成分片的重组（由于首部的 片偏移 字段必须是以 ×8B 为单位，因此除最后一个分片之外，其他分片的长度必须是 8B 的整数倍）
生存时间：数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。IP分组每经过一个路由器，TTL--，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）+
协议：如果为TCP协议服务设为6，为UDP协议服务设为17。可以让目的主机知道当前数据报向上递交给TCP协议还是UDP协议
IP地址
- 在那个年代，要求每台主机、每个路由器接口被分配的 IP 地址都是全球唯一的
- 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”
- 如果是跨网络传播，则需要经过网关。
- ARP协议可以将IP地址转换为对应的MAC地址
- 如果是同一个网络内传播，则无需经过网关。通过ARP协议将目标IP地址转为目标MAC地址，然后将数据报封装为MAC帧直接在网络内部传输。如果要跨网络传输，则需要将数据报封装 吗，则要再经过不同网关传输到另一个网络
子网划分与子网掩码
子网划分是将一个大的网络划分成若干个较小的子网的过程。例如将学校的网络再划分为不同校区的网络。
作用：
- 提高 IP 地址利用率：在没有子网划分前，一个网络无论主机数量多少，都只能使用一个固定类别的网络地址，造成 IP 地址浪费。通过子网划分，可根据实际需求将大网络划分为多个子网，合理分配 IP 地址。例如，一个公司有多个部门，每个部门主机数量不同，子网划分后，可按需分配 IP，减少浪费。
- 增强网络管理和安全性：不同子网可以进行独立的管理和配置，如设置不同的访问控制策略。同时，子网间的通信需要通过路由器，可在路由器上设置防火墙规则，提高网络安全性。
划分原理：
- IP 地址由网络号和主机号两部分组成。子网划分是通过借用主机位来扩展网络号，从而产生子网。例如，对于一个 C 类网络（默认子网掩码是 255.255.255.0 ，即网络号占 24 位，主机号占 8 位 ），若借用 3 位主机位来划分子网，那么子网掩码就变为 255.255.255.224（/27 ），网络号变为 27 位，主机号变为 5 位 。
子网掩码：子网掩码用于标识 IP 地址中网络号和主机号的界限。通过将 IP 地址和子网掩码进行按位与运算，可得到网络前缀（<网络号，子网号>）。例如，IP 地址为 192.168.1.100 ，子网掩码为 255.255.255.0 ，按位与运算后得到网络地址 192.168.1.0 ，网络前缀为192.168.1。只有网络前缀相同的IP地址才属于同一个网络
无分类编制 CIDR
子网划分：
- 定长子网划分：把主机号的前k bit分出来作为定长子网号，可以划分出2^k 个子网
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- 缺点：每个子网都一样大，不够灵活，IP地址利用率低，资源浪费多
- 变长子网划分：
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）
路由聚合
对于一个路由转发表，如果几条路由表项的转发接口相同，部分网络前缀也相同，那么可以将这几条路由表项聚合为一条。这种地址的聚合就是路由聚合，也称构成超网。
采用CIDR技术后，由于路由聚合，一个IP地址转发表项可能匹配多个表项，应使用 最长前缀原则
优缺点：
- 路由聚合可以减少路由表的大小
- 减少查询时间，转发时延更低
- 可能会引入额外的无效地址