計算機網絡(第七版)謝希仁-第4章 網絡層

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第 4 章 網絡層

網絡層提供的兩種服務

虛電路服務

數據報服務

概要: 虛電路服務與數據報服務的對比

網際協議 IP

網際協議 IP 是 TCP/IP 體系中兩個最主要的協議之一。與 IP 協議配套使用的還有四個協議：

• 地址解析協議 ARP (Address Resolution Protocol)
• 逆地址解析協議 RARP (Reverse Address Resolution Protocol)
• 網際控制報文協議 ICMP (Internet Control Message Protocol)
• 網際組管理協議 IGMP (Internet Group Management Protocol)

虛擬互連網絡

• 網絡互相連接起來要使用一些中間設備
  • 物理層中繼系統：轉發器(repeater)。
  • 數據鏈路層中繼系統：網橋或橋接器(bridge)。
  • 網絡層中繼系統：路由器(router)。
  • 網橋和路由器的混合物：橋路器(brouter)。
  • 網絡層以上的中繼系統：網關(gateway)。

IP 數據報的格式

• 版本 : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）兩個值；
• 首部長度 : 占 4 位，因此最大值為 15。值為 1 表示的是 1 個 32 位字的長度，也就是 4 字節。因為固定部分長度為 20 字節，因此該值最小為 5。如果可選字段的長度不是 4 字節的整數倍，就用尾部的填充部分來填充。
• 區分服務 : 用來獲得更好的服務，一般情況下不使用。
• 總長度 : 包括首部長度和數據部分長度。
• 生存時間 ：TTL，它的存在是為了防止無法交付的數據報在互聯網中不斷兜圈子。以路由器跳數為單位，當 TTL 為 0 時就丟棄數據報。
• 協議 ：指出攜帶的數據應該上交給哪個協議進行處理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。
• 首部檢驗和 ：因為數據報每經過一個路由器，都要重新計算檢驗和，因此檢驗和不包含數據部分可以減少計算的工作量。
• 標識 : 在數據報長度過長從而發生分片的情況下，相同數據報的不同分片具有相同的標識符。
• 片偏移 : 和標識符一起，用於發生分片的情況。片偏移的單位為 8 字節。
  • IP數據報分片
• 概要: 示意圖

分類的 IP 地址

• IP 地址的編址方式經歷了三個歷史階段：
  • 分類
    • 由兩部分組成，網絡號和主機號，其中不同分類具有不同的網絡號長度，並且是固定的。
      IP 地址 ::= {< 網絡號 >, < 主機號 >}
      • 示意圖
  • 子網划分
    • 通過在主機號字段中拿一部分作為子網號，把兩級 IP 地址划分為三級 IP 地址。

IP 地址 ::= {< 網絡號 >, < 子網號 >, < 主機號 >}

要使用子網，必須配置子網掩碼。一個 B 類地址的默認子網掩碼為 255.255.0.0，如果 B 類地址的子網占兩個比特，那么子網掩碼為 11111111 11111111 11000000 00000000，也就是 255.255.192.0。

注意，外部網絡看不到子網的存在。

• 無分類
• 無分類編址 CIDR 消除了傳統 A 類、B 類和 C 類地址以及划分子網的概念，使用網絡前綴和主機號來對 IP 地址進行編碼，網絡前綴的長度可以根據需要變化。

IP 地址 ::= {< 網絡前綴號 >, < 主機號 >}

CIDR 的記法上采用在 IP 地址后面加上網絡前綴長度的方法，例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位為網絡前綴。

CIDR 的地址掩碼可以繼續稱為子網掩碼，子網掩碼首 1 長度為網絡前綴的長度。

一個 CIDR 地址塊中有很多地址，一個 CIDR 表示的網絡就可以表示原來的很多個網絡，並且在路由表中只需要一個路由就可以代替原來的多個路由，減少了路由表項的數量。把這種通過使用網絡前綴來減少路由表項的方式稱為路由聚合，也稱為 構成超網 。

在路由表中的項目由“網絡前綴”和“下一跳地址”組成，在查找時可能會得到不止一個匹配結果，應當采用最長前綴匹配來確定應該匹配哪一個。

IP 地址與硬件地址

• IP層抽象的互聯網屏蔽了下層很復雜的細節
  在抽象的網絡層上討論問題，就能夠使用
  統一的、抽象的 IP 地址
  研究主機和主機或主機和路由器之間的通信
  • 示意圖

地址解析協議 ARP 與逆地址解析協議RARP

• 緣由
  • 網絡層實現主機之間的通信，而鏈路層實現具體每段鏈路之間的通信。因此在通信過程中，IP 數據報的源地址和目的地址始終不變，而 MAC 地址隨着鏈路的改變而改變。
• 地址解析協議 ARP
  • ARP 實現由 IP 地址得到 MAC 地址
    • 每個主機都有一個 ARP 高速緩存，里面有本局域網上的各主機和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

如果主機 A 知道主機 B 的 IP 地址，但是 ARP 高速緩存中沒有該 IP 地址到 MAC 地址的映射，此時主機 A 通過廣播的方式發送 ARP 請求分組，主機 B 收到該請求后會發送 ARP 響應分組給主機 A 告知其 MAC 地址，隨后主機 A 向其高速緩存中寫入主機 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。

• 示意圖

• 逆地址解析協議 RARP

  • 逆地址解析協議 RARP 使只知道自己硬件地址的主機能夠知道其 IP 地址。
    • 這種主機往往是無盤工作站。 因此 RARP協議目前已很少使用。

IP 層轉發分組的流程

• 分組轉發算法
  • (1) 從數據報的首部提取目的主機的 IP 地址 D, 得出目的網絡地址為 N。
  • (2) 若網絡 N 與此路由器直接相連，則把數據報直接交付目的主機 D；否則是間接交付，執行(3)。
  • (3) 若路由表中有目的地址為 D 的特定主機路由，則把數據報傳送給路由表中所指明的下一跳路由器；否則，執行(4)。
  • (4) 若路由表中有到達網絡 N 的路由，則把數據報傳送給路由表指明的下一跳路由器；否則，執行(5)。
  • (5) 若路由表中有一個默認路由，則把數據報傳送給路由表中所指明的默認路由器；否則，執行(6)。
  • (6) 報告轉發分組出錯。
  • 概要: 示意圖

划分子網和構造超網

划分子網

使用子網時分組轉發

無分類編址 CIDR（構造超網）

網際控制報文協議 ICMP

簡介

• ICMP 是為了更有效地轉發 IP 數據報和提高交付成功的機會。它封裝在 IP 數據報中，但是不屬於高層協議。

ICMP 報文的種類

• ICMP 差錯報告報文
  • 終點不可達
  • 源點抑制(Source quench)
  • 時間超過
  • 參數問題
  • 改變路由（重定向）(Redirect)
• ICMP 詢問報文
  • 回送請求和回答報文
  • 時間戳請求和回答報文
• ICMP 報文的前 4 個字節是統一的格式，共有三個字段：即類型、代碼和檢驗和。接着的 4 個字節的內容與 ICMP 的類型有關。

ICMP 的應用舉例

• Ping
  • Ping 是 ICMP 的一個重要應用，主要用來測試兩台主機之間的連通性。

Ping 的原理是通過向目的主機發送 ICMP Echo 請求報文，目的主機收到之后會發送 Echo 回答報文。Ping 會根據時間和成功響應的次數估算出數據包往返時間以及丟包率。

• Tracerouteping
  • Traceroute 是 ICMP 的另一個應用，用來跟蹤一個分組從源點到終點的路徑。

Traceroute 發送的 IP 數據報封裝的是無法交付的 UDP 用戶數據報，並由目的主機發送終點不可達差錯報告報文。
* 源主機向目的主機發送一連串的 IP 數據報。第一個數據報 P1 的生存時間 TTL 設置為 1，當 P1 到達路徑上的第一個路由器 R1 時，R1 收下它並把 TTL 減 1，此時 TTL 等於 0，R1 就把 P1 丟棄，並向源主機發送一個 ICMP 時間超過差錯報告報文；
* 源主機接着發送第二個數據報 P2，並把 TTL 設置為 2。P2 先到達 R1，R1 收下后把 TTL 減 1 再轉發給 R2，R2 收下后也把 TTL 減 1，由於此時 TTL 等於 0，R2 就丟棄 P2，並向源主機發送一個 ICMP 時間超過差錯報文。
* 不斷執行這樣的步驟，直到最后一個數據報剛剛到達目的主機，主機不轉發數據報，也不把 TTL 值減 1。但是因為數據報封裝的是無法交付的 UDP，因此目的主機要向源主機發送 ICMP 終點不可達差錯報告報文。
* 之后源主機知道了到達目的主機所經過的路由器 IP 地址以及到達每個路由器的往返時間。

因特網的路由選擇協議

有關路由選擇協議的幾個基本概念

• 靜態路由選擇策略——即非自適應路由選擇，其特點是簡單和開銷較小，但不能及時適應網絡狀態的變化。
• 動態路由選擇策略——即自適應路由選擇，其特點是能較好地適應網絡狀態的變化，但實現起來較為復雜，開銷也比較大。

自治系統 AS(Autonomous System)

• 自治系統 AS 的定義：在單一的技術管理下的一組路由器，而這些路由器使用一種 AS 內部的路由選擇協議和共同的度量以確定分組在該 AS 內的路由，同時還使用一種 AS 之間的路由選擇協議用以確定分組在 AS之間的路由。

內部網關協議 IGP (Interior Gateway Protocol)

• 即在一個自治系統內部使用的路由選擇協議。
  • 內部網關協議 RIP
    • RIP 是一種基於距離向量的路由選擇協議。距離是指跳數，直接相連的路由器跳數為 1。跳數最多為 15，超過 15 表示不可達。

RIP 按固定的時間間隔僅和相鄰路由器交換自己的路由表，經過若干次交換之后，所有路由器最終會知道到達本自治系統中任何一個網絡的最短距離和下一跳路由器地址。

• 距離向量算法：
  • 對地址為 X 的相鄰路由器發來的 RIP 報文，先修改報文中的所有項目，把下一跳字段中的地址改為 X，並把所有的距離字段加 1；
    • 對修改后的 RIP 報文中的每一個項目，進行以下步驟：
    • 若原來的路由表中沒有目的網絡 N，則把該項目添加到路由表中；
    • 否則：若下一跳路由器地址是 X，則把收到的項目替換原來路由表中的項目；否則：若收到的項目中的距離 d 小於路由表中的距離，則進行更新（例如原始路由表項為 Net2, 5, P，新表項為 Net2, 4, X，則更新）；否則什么也不做。
    • 若 3 分鍾還沒有收到相鄰路由器的更新路由表，則把該相鄰路由器標為不可達，即把距離置為 16
    • RIP 協議實現簡單，開銷小。但是 RIP 能使用的最大距離為 15，限制了網絡的規模。並且當網絡出現故障時，要經過比較長的時間才能將此消息傳送到所有路由器。
    • 內部網關協議 OSPF
      * 開放最短路徑優先 OSPF，是為了克服 RIP 的缺點而開發出來的。

開放表示 OSPF 不受某一家廠商控制，而是公開發表的；最短路徑優先表示使用了 Dijkstra 提出的最短路徑算法 SPF。

• OSPF 具有以下特點：
  • 向本自治系統中的所有路由器發送信息，這種方法是洪泛法。
  • 發送的信息就是與相鄰路由器的鏈路狀態，鏈路狀態包括與哪些路由器相連以及鏈路的度量，度量用費用、距離、時延、帶寬等來表示。
  • 只有當鏈路狀態發生變化時，路由器才會發送信息。
  • 所有路由器都具有全網的拓撲結構圖，並且是一致的。相比於 RIP，OSPF 的更新過程收斂的很快。

外部網關協議 BGP (External Gateway Protocol)

• 若源站和目的站處在不同的自治系統中，當數據報傳到一個自治系統的邊界時，就需要使用一種協議將路由選擇信息傳遞到另一個自治系統中。
• AS 之間的路由選擇很困難，主要是由於：
  • 互聯網規模很大；
  • 各個 AS 內部使用不同的路由選擇協議，無法准確定義路徑的度量；
  • AS 之間的路由選擇必須考慮有關的策略，比如有些 AS 不願意讓其它 AS 經過。
• BGP 只能尋找一條比較好的路由，而不是最佳路由。

每個 AS 都必須配置 BGP 發言人，通過在兩個相鄰 BGP 發言人之間建立 TCP 連接來交換路由信息。
* 示意圖

路由器的構成

• 路由器是一種具有多個輸入端口和多個輸出端口的專用計算機，其任務是轉發分組。也就是說，將路由器某個輸入端口收到的分組，按照分組要去的目的地（即目的網絡），把該分組從路由器的某個合適的輸出端口轉發給下一跳路由器。
• 路由器從功能上可以划分為
  • 路由選擇
  • 分組轉發
• 分組轉發結構由三個部分組成
  • 交換結構
  • 一組輸入端口
  • 一組輸出端口
  • 概要: 示意圖

IP 多播

IP 多播的基本概念

• 多播可明顯地減少網絡中資源的消耗

在局域網上進行硬件多播

因特網組管理協議 IGMP 和多播路由選擇協議

• IGMP 使多播路由器知道多播組成員信息
• 多播轉發必須動態地適應多播組成員的變化（這時網絡拓撲並未發生變化）。請注意，單播路由選擇通常是在網絡拓撲發生變化時才需要更新路由。

虛擬專用網 VPN 和網絡地址轉換 NAT

虛擬專用網 VPN

• 由於 IP 地址的緊缺，一個機構能申請到的 IP 地址數往往遠小於本機構所擁有的主機數。並且一個機構並不需要把所有的主機接入到外部的互聯網中，機構內的計算機可以使用僅在本機構有效的 IP 地址（專用地址）。
  • 有三個專用地址塊：
    • 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
    • 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
    • 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255
• VPN 使用公用的互聯網作為本機構各專用網之間的通信載體。專用指機構內的主機只與本機構內的其它主機通信；虛擬指好像是，而實際上並不是，它有經過公用的互聯網。
• 下圖中，場所 A 和 B 的通信經過互聯網，如果場所 A 的主機 X 要和另一個場所 B 的主機 Y 通信，IP 數據報的源地址是 10.1.0.1，目的地址是 10.2.0.3。數據報先發送到與互聯網相連的路由器 R1，R1 對內部數據進行加密，然后重新加上數據報的首部，源地址是路由器 R1 的全球地址 125.1.2.3，目的地址是路由器 R2 的全球地址 194.4.5.6。路由器 R2 收到數據報后將數據部分進行解密，恢復原來的數據報，此時目的地址為 10.2.0.3，就交付給 Y。

網絡地址轉換 NAT

• 專用網內部的主機使用本地 IP 地址又想和互聯網上的主機通信時，可以使用 NAT 來將本地 IP 轉換為全球 IP。
• 在以前，NAT 將本地 IP 和全球 IP 一一對應，這種方式下擁有 n 個全球 IP 地址的專用網內最多只可以同時有 n 台主機接入互聯網。為了更有效地利用全球 IP 地址，現在常用的 NAT 轉換表把傳輸層的端口號也用上了，使得多個專用網內部的主機共用一個全球 IP 地址。使用端口號的 NAT 也叫做網絡地址與端口轉換 NAPT。

因為網絡層是整個互聯網的核心，因此應當讓網絡層盡可能簡單。網絡層向上只提供簡單靈活的、無連接的、盡最大努力交互的數據報服務。