[网络协议]计算机网络模型（四）：网络层IP协议

计算机网络模型（三）：运输层

简介

网络层的东西太多了，也非常繁杂，很难面面俱到，但是我会尽量把大部分的，重要的东西复习到。

一直以来，人们对网络层一直有争议，就是网络的可靠性交付应该由谁完成？是网络还是端系统？最终，因特网采用了后者，即不保证质量的承诺，

我们目前的网络只是向上提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。网络在发送分组的时候不需要先建立连接。正是这种思路，才使得我们如今的互联网廉价，迅速发展成如今的规模。

网络层有许多协议，我们一个一个说。

IP协议

和我们之前说的TCP服务一样，和IP协议配套的还有一些协议，我先在这里说明一下，它们都是属于网络层的协议，分别是ICMP协议，IGMP协议和ARP协议。本来还有RARP协议，但是现在已经不用，ARP代替了它。

IP地址的分类

我们现在常用的IP是IPv4，由32位组成。

I P 地 址 : : = { < 网 络 号 > , < 主 机 号 > } IP地址::=\{<网络号>,<主机号>\} IP地址::={<网络号>,<主机号>}

如图所示，地址可以分为5类，ABC都是单播地址，适用于一对一通信。

1. A、B、C类地址网络号字段分别为8、16、24位，其分类标准为前几位：0、10、110。
2. D类地址用于多播
3. E为以后使用

所以，一个IP地址不仅仅可以指明主机，还能指明主机所连接的网络。

为了可读性，我们往往每8位插入一个空格，便于使用。而对于人类的读取，我们会将二进制转换成十进制，将空格转换为“点”，使用起来方便很多。但是，机器中并不存在这样的空格或者点。

常用的三种类别IP地址

A类

A类地址的网络号有一位固定，还剩7位可用。所以A类地址理论可有$2^7?1=127$个，但是其中地址段127（01111111）被用于回环测试，即127.0.0.1这样的地址只能给本机测试，不作为网络发送的地址，因此A类地址共有126个可用。

对于主机号，A类地址的主机号占3字节，而全零主机号表示网络地址，全一主机号标识该网络上的所有主机，因此A类地址主机最大个数为：$2^{24}?2=16777214$个。

整个A类的地址空间共$2^{31}$个地址。

B类

B类地址的前两位确定，为10。但是规定128.0.0.0是不指派的，可以指派的B类最小地址为128.1.0.0，为啥不是128.0.0.1？因为B类地址的网络号是2字节的，后面是主机号。所以B类地址可以指派的网络数为$2^{14}?1=16383$。

对于主机，B类地址最大主机数为$2^{16}?2=65534$。一样，全零全1不做指派。

整个B类地址空间共$2^{30}$个。

C类

除去最开始的110，还有21位可以分配。192.0.0.0不指派，可以指派的最小地址为192.0.1.0。因此C类地址可指派的网络总数为$2^{21}?1=2097151$。

对于主机，最大容量主机数为$2^8?2$。

地址空间共$2^{29}$个。

特点

1. IP地址管理机构只用分配IP的网络号，主机号由网络号的单位自行分配。
2. 路由表只需要根据网络号进行分组转发，减少了路由表的存储空间和路由时间。
3. 一个网络指的是拥有同一个网络号的主机集合。因此，由网桥和转发器连接起来的局域网仍是一个网络；拥有不同主机号的局域网必须由路由器连接。

IP报文

和TCP报文一样，IP报文也分为首部与数据。

第一行：

1. 版本：指IP协议的版本。（IPv4还是IPv6），只有相同版本协议才能通信。
2. 首部长度：4位，但是一个单位表示4字节。也就是说IP报文首部最大长度为$4?2^4=64$字节，即IP数据报首部最大长度为64字节，最小为20字节固定长度。
3. 区分服务：8位，没用过。
4. 总长度：指一个IP报文总长度，占16位，所以最大长度为$2^{16}?1=65535$字节。但是基本没有这么长的报文，都会拆分来发送，这种拆分叫做分片。在后面会提到。

第二行：

1. 标识：占16位，IP软件在存储器中维持一个计数器。每产生一个数据报，该计数器加一。该字段与顺序无关，因为IP是无连接的，字段与分片有关。
2. 标志：占3位，但是目前只有2位有意义。最低位为MF(more fragmant)，MF=1时表示后面还有分片，MF=0时表示后面没有分片了，是最后一个；中间的一位记为DF(don’t fragment)，表示不能分片，DF=0时才可以分片。
3. 片位移：占13位，分片后，某片在原分组中的相对位置，以8个字节为单位，也就是说，每个分片都是8字节的整数倍。这个后面将分片会说。

第三行：

1. 生存时间：8位，原先就是时间，现在改为了跳数。路由器在收到ip报文的时候会判断是不是自己网络的报文，如果不是就会转发，此时生存时间减一。如果生存时间为1，那么该数据报只能本局域网发送。此外，如果生存时间为0，路由器会放弃该报文。因为是8位，所以最大生存时间为255。
2. 协议：8位，指依附于IP报文的下层协议。
3. 首部校验和：占16位，不检验数据部分，只检验首部。具体检验方法见后文。

第四行：源地址
第五行：目的地址

分片原理

目前，因特网主流的分片长度为MTU=1500，即IP报文首部加数据部分最多长度为1500字节。

现假设一报文长度为3820字节，首部为20字节，那么要根据MTU=1500进行分片。

我们知道3820字节是3800的数据部分和20的首部，1500分片是首部+数据，因此数据部分只有1480字节。$3800/1480=2......840$，因此我们的分片应该是1500，1500，860。

下面画图理解一下：

关于标识，相同报文具有相同标识，报文分片以后，这些分片的标识相同。根据标识和片位移，我们可以重组报文。

校验和算法

由于IP报文的特殊性，我们不希望用太复杂的算法来进行校验，否则转发的时候效率很低。

1. 发送时，把IP首部划分为许多16位字的序列，并把检验和字段置零；
2. 用反码求和将16位字相加，得到的和取反码，写入检验和字段。
3. 接收方将首部16位字再使用反码求和，结果取反码，得出结果。
4. 结果如果是0，则报文无差错。否则弃掉。

IP分组转发流程

IP报文中有源地址和目的地址，使得IP报文可以从源地址发送到目的地址，但是更多的情况下，目的地址和源地址并不在一个网络内，它们之间可能有无数个路由器。现在，问题的关键是，路由器的路由表存什么内容。

假设路由表中存放主机信息，那么每一个路由表可能会存放成千上万个主机信息，这对路由表的存储能力是个压力，同时对寻找目的主机地址信息也是个压力，比如遍历操作的耗时，即使是哈希操作，也要额外耗费一定的存储空间，这显然是不能容忍的。

所以路由表采取了另一种方式存储：存储其他路由器的地址和跳到该路由器的方法。

假设现在有3个路由器，划分了4个网络：

划分子网与子网掩码

对于我们之前的两级IP地址，网络号+主机号，该分类不太灵活，且一个网络中可能含有过多的主机，于是有了三级IP地址和划分子网的概念。

I P 地 址 : : = { < 网 络 号 > , < 子 网 号 > , < 主 机 号 > } IP地址::=\{<网络号>,<子网号>,<主机号>\} IP地址::={<网络号>,<子网号>,<主机号>}

其基本思路如下：

1. 一个物理网络可以将本网络划分成多个子网，但是对其他网络不可见，是纯粹本网络内部的事情。
2. 子网号是从主机号借了若干位
3. 找到网络号之后，再找到划分的子网号，找到主机所在的子网。

那是如何找到子网的呢？这就需要子网掩码。

子网掩码是32位的二进制数。一般来说，子网掩码前几位置一的个数和网络号+子网号的位数相同。显然，
A类地址的默认子网掩码是255.0.0.0
B类地址的默认子网掩码是255.255.0.0
C类地址的默认子网掩码是255.255.255.0

举个例子：一直IP地址为141.14.72.24，子网掩码是255.255.192.0，那么网络地址的计算方法应该是：

$$\begin{gathered} IP=141.14.72.24=10001101.00001110.01001000.00011000 \\ 子网掩码=11111111.11111111.11000000.00000000 \\ 按位相与=10001101.00001110.01000000.00000000 \\ 所以网络地址为：141.14.64.0 \end{gathered}$$

1. 首先判断目的主机与源主机是否在一个子网，用源主机的子网掩码与目的主机进行相与，得到128.30.33.128，而H1的网络地址为128.30.33.0，因此判断不在一个网络；
2. 交给路由器R1，经过1中的重复操作，发现接口一可以直接交付，则将信息转给接口一交付。

CIDR的表示方法

由于IPv4只能表示$2^{32}$个设备，但是我们现在各种手机，电脑，平板甚至家具，车都安装上了互联网设备，因此这个数量是不够用的。除了我们听说过的IPv6方法，还有就是CIDR（读音sider，Classless Inter-Domain Routing）。

该方法放弃了地址分类，所有的地址都是二级地址，表示为：
I P : : = { < 网 络 前 缀 > , < 主 机 号 > } IP::=\{<网络前缀>,<主机号>\} IP::={<网络前缀>,<主机号>}

前缀代表了网络号之后用斜线记法表示网络前缀所占的位数。

如：
$$128.14.35.7/20=\underline{10000000000011100010}000000000000$$

CIDR不划分子网，指的是网络号不划分，但是同一个网络号内依然可以对子网进行划分。划分后，依然可以显示为单个网络的多个子网。比如20位掩码后，对网络划分8个子网，需要3位，那么掩码就会变成23位。

这又出现了问题，假设现在某大学的学院A希望把报文发给同学校学院B，但是又不想经过学校的路由器。报文目的地址为：D=206.0.71.130，学校的IP网络为：206.0.68.0/22，学院B网络为：206.0.71.128/25。那么，通过与运算，发现二者网络号都匹配，这时该怎么办？

我们遵循最长匹配原则，即选择网络掩码最长的进行匹配，这样能更快定位到主机的地址。

此外，找IP地址不能遍历去找，如果一个路由表中有4w个地址，遍历的话太费时间。于是我们最常用的方式就是二叉搜索树。

这样可以匹配唯一前缀，增加了效率，对于每一个IP地址，最差时间复杂度也是$O(log32)$，也就是常数时间。

IP地址硬件地址

IP地址我们之前已经说明了，是管理网络的，那么硬件地址是什么呢？

硬件地址又称MAC地址，标识了唯一的设备。我记得本科的时候有一位同学问了一个问题：既然IP地址和MAC地址都是唯一的标识，那为什么不用一个呢？这个问题把老师问懵了，老师说教了这么多年头一次见这样的问题。

其实我们可以想想，我们每个人都有身份证号，是我们的唯一ID，假设我们每个人都有一个房子，房子只住一个人，那么房子的地址就是IP地址。我要找你，不可能根据身份证号找你，只能根据你家的地址取找你。MAC和IP的关系就类似于此。

之前我们说TCP或者UDP协议的时候，没提到的是这些报文也依附于其他报文的存在，那就是IP数据报，而IP数据报依附于MAC地址存在。

下一篇章仍是网络层，由于网络层东西太多，不得不分开说。