Section 4 网络层：数据平面

中科大郑烇、杨坚老师《计算机网络》笔记

4.3 Internet Protocol (IP) 协议

  • IP数据报格式
    • TTL: Time to Leave
  • IP分片和重组(Fragmentation & Reassembly)
    • 网络链路有MTU (最大传输单元)
    • 大的IP数据报在网络上被分片fragment
    • 在最终的目标主机重组：定时器，只要定时器到了，任何一片没有到，整个包都丢掉
    • IP头部的信息被用于标识，排序相关分片，fragflag是否是最后一片
  • IP编址
    • IP地址
      • 32位，对主机或者路由器的接口编址
      • 包括子网部分（高位）和主机部分（地位）
    • 子网
      • IP地址的高位部分相同
      • 无需路由器介入
    • IP地址分类
      • A: 0开头，1.0.0.0-127.255.255.255 网络2^7-2 主机2^24-2
      • B: 10开头，128.0.0.0-191.255.255.255 网络2^14-2 主机2^16-2
      • C：110开头，192.0.0.0-223.255.255.255 网络200多万 主机2^8-2
      • D： multicast
      • E： reserved for future
    • IP编址: CIDR
      • CIDR: Classless InterDomain Routing（无类 域间路由）
        • 子网部分可以在任意的位置
        • 地址格式: a.b.c.d/x,其中 x是 地址中子网号的长度
        • 子网掩码：32位 网络号1 主机号0
        • 查找网络号：子网掩码 and IP地址（与操作）；因为在路由中只有网络号有意义，主机号没有意义
        • 路由转发表，按照表项中的网络号转发；如果都没有找到,则使用默认表项转发数据报
    • 获得一个IP地址
      • 系统管理员配置
      • DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol
        • 从DHCP服务器中动态获得一个IP地址
        • plug-and-play
        • 配置IP地址、子网掩码、默认网关、默认出口
      • 获得一个网络的一小块子网
        • 从ISP获得地址块中分配一个小地址块（在子网的网络号中，拿出几位作为子网号）
        • 层次编址：路由聚集（route aggregation）
          • 减少路由通告的数量
          • E.g.
          • Org0: 200.23.16.0/23（16=0001｜000｜0）
          • Org1: 200.23.18.0/23（18=0001｜001｜0）
          • …
          • Org7: 200.23.30.0/23（30=0001｜111｜0）
          • 路由器发现Org0-Org7可以聚集（more specific routes）：200.23.16.0/20
          • 聚集有时不是精确的，比如路由器拿到了Org0-Org7中的7个，也可以“吹牛”说自己可以转发200.23.16.0/20，（允许聚集有空洞）；这样会导致多个路由表项与之匹配，此时采用“最长前缀匹配”，匹配最精确的路由表项进行转发
      • 一个ISP如何获得一个地址块
        • ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers
        • 分配地址、管理DNS、分配域名，解决冲突
  • NAT: Network Address Translation
    • 本地网络只有一个有效IP地址，映射内网所有地址
    • 作用
      • 省钱
      • 内网地址改变不需要通知外网
      • 外网地址改变不需要修改内网地址
      • 安全：局域网内部的设备没有明确的地址，对外不可见
    • 支持NAT的路由器
      • 外出数据包：替换源地址和端口号为NAT IP地址和新的端口号，目标IP和端口不变
      • 记住每个转换替换对
      • 进入数据包：替换目标IP地址和端口号，采用存储在NAT映射表mapping表项 【源IP，端口】
    • NAT穿越问题：如果客户端需要连接在NAT后面的服务器
      • 静态配置NAT
      • Universal Plug and Play (UPnP) ；Internet Gateway Device (IGD)协议：允许服务器查询/增加/删除NAT中的mapping表项
      • 中继 (used in Skype)：NAT后面的服务器主动建立和中继的连接，外部的客户端链接到中继
  • IPV6
    • 数据报
      • 固定的40字节头部
      • 数据报传输过程中，不允许分片
      • Priority：流中数据报的优先级
      • Next header：上层协议
    • IPv4 -> IPv6
      • 隧道Tunneling：在IPv4路由器之间传输的IPv4数据报中携带IPv6数据报
      • IPv4/IPv6双栈服务器，将IPv6数据完整的封装在IPv4分组中