杨信鹏的博客

# 互联层

概念：主要任务是通过路由算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径。网络层要实现路由选择、拥堵控制与网络互联等功能。

相关协议：

  1. 网络互联（Internet Protocol，IP）协议
  2. 地址解析（Address Resolution Protocol，ARP）协议
  3. 逆向地址解析协议（Reverse Address Resolation Protocol，RARP）协议
  4. 因特网控制报文协议（Internet Control Message Protocol，ICMP）协议

# 理解

问题： 在下图中，有五个路由器通过 PPP 协议 组成一个广域网，并且 北京路由器 和 广东路由器 各有一个不相同的以太网。在这两个以太网中，主机 A 如何发送消息给主机 B？

联系图

回答： 可以利用 数据链路层 中的 以太网协议。在以太网帧的 目标物理地址、源物理地址 填上 4e:0f:21:67:18:80 和 68:00:27:77:34:d2。这样不就行了吗？

补充： 协议只能在自身范围内起作用，以太网帧是无法突破以太网发送到别的地方的。在主机 A 的以太网和主机 B 的以太网之间的路径，以太网帧是无法传输的。PPP 和 以太网 是两种不同的协议，谁都无法解释对方。

回答： 那就利用以太网协议，把 A 主机的信息发送给广东路由器利用 PPP 协议，再发送给上海路由器，接着发给北京路由器，最后北京路由器利用以太网协议发给 B 主机。

解读： 这样看起来可行，但这是开启了上帝视角 👼。为什么要从广东路由器发送到上海路由器，而不送发给云南路由器呢？

联想： 想象你在一个非常大、各个 房间 用 走廊 相连的 大迷宫。你的目标是到达 北京 房间，当前你在起始房间 广东，左右各有一扇门，而且门上没有标识是通往哪个房间，你该如何选择？如果你选择走左侧的房间，你会穿过一条很长的走廊来到另一个房间，这个房间标着 云南。而且 云南 房间，除了刚刚进来的门，就没其他的门了，这肯定就走错了。你只能返回 广东 房间。尝试走右侧的门，又是穿过很长的走廊，来到了下一个房间，这个房间名是 上海。上海 房间，有左侧、前方、回去的三扇门。这次你选择了前面的门，这扇门后也有一条走廊，这条走廊有特别特别多人排队，他们也是为了进入下一个房间。你想着也回不去了，就排下去了，等到达下一个房间时，已经过了三天三夜。不过很庆幸，你发现这个房间就是目标房间 北京。其实 上海 房间的左侧的门，根本没有人排队，去到 四川 房间只用一个小时而已。四川 房间到 北京 房间只需要半个小时，可是这些你完全不知道，因为你不知道这些门通往何处。如果你是设计者，你会怎么做？是不是觉得在每一个房间里挂一张指引表（路由控制表）就好了？

补充： 这里就需要引入了一个 IP 地址的概念，IP 地址 是由授权单位分配给接入互联网中的所有计算机的地址号码

  • IP 地址 用 32 个二进制位表示，人们为了方便记忆就用 点 把 IP 地址 的每字节进行隔开。例如 11000000.10101000.00000001.00000001，十进制表示 192.168.1.1。（其实这样还是难以记忆😵，所有就有了域名）
  • 其中 32 个二进制又可以分为 网络号 和 主机号。网络号 可以理解成 哪栋楼，比如 阳光大楼。而 主机号 可以理解成 哪间房，比如：201。
  • 子网掩码 不能单独存在，需要和 IP 地址 一同出现。用来指明 IP 地址 的哪部分是 网络号，哪部分是的 主机号。比如：十进制的 IP 地址 196.168.1.111， 二进制的子网掩码 11111111.11111111.11111111.00000000，代表 IP 地址 的前 24 位（196.168.1）是 网络号，后面 8 位（111）是 主机号。又可以写成 192.168.1.111/24。

TIP

根据 网络号 和 主机号，可以把 IP 地址 分成 A、B、C、D、E 五类。

  • A 类网络的 IP 地址 范围：1.0.0.1 ～ 127.255.255.254。允许有 126 个网络，每个网络大约允许 1670 万 台主机，通常分配给拥有大量主机的网络，例如主干网。
  • B 类网络的 IP 地址 范围：128.1.0.1 ～ 191.255.255.254。允许有 16384 个网络，每个网络允许 65533 台主机，适用于节点比较多的网络。
  • C 类网络的 IP 地址 范围：192.0.1.1 ～ 223.255.255.254。大约允许 209 万 个网络，每个网络允许 254 台主机。适用于小规模的局域网络。
  • D 类网络：用于多址投递系统。（用得比较少，略过）
  • E 类网络：保留未用。（用得比较少，略过）

WARNING

IP 地址可以分为 公网 IP 地址 和 内网 IP 地址 。内网 IP 地址 只能在内网中访问，是无法和其他网络互连的，需要 NAT 协议将数据包中的 内网 IP 地址 替换为 公网 IP 地址。目前 IPv4 的地址枯竭，正在向 IPv6渡过。而 NAT 协议是解决 IPv4 地址枯竭的手段之一，可以自行了解其细节。

私网地址：

  • A 类地址：10.0.0.0 ～ 10.255.255.255
  • B 类地址：172.16.0.0 ～ 172.31.255.255
  • C 类地址：192.168.0.0 ～ 192.168.255.255

问题： 加入了 IP 地址 和 路由控制表，主机 A 如何发送消息给主机 B？

联系图-IP

回答：

  1. 先将主机 A 给主机 B 的数据包发往广东路由器。
  2. 因为主机 B 的地址是 192.168.20.2，它的网络号是 192.168.20(192.168.20.0/24)。根据广东路由的控制表，应该发往接口 2（表中第四条）。
  3. 同理，根据上海路由器的控制表，应该发往接口 3（表中第四条）。
  4. 同理，根据北京路由器的控制表，将数据包通过接口 3 发送给主机 B。

补充： 其实上述回答只描述了 路由转发，其实还有一些细节没有回答到。比如以下问题：

  1. 主机 A 是为什么发送到广东路由器，而不是隔壁的主机呢？（不要开启上帝视角👼）
  2. 两个 IP 地址，主机 A 就能发送给广东路由器吗？（以太网帧不是只能通过物理地址发送吗？）
  3. 在数据链路层没有 IP 地址 的概念，又如何携带 IP 地址 信息？用什么协议发送呢？
  4. 数据包在北京路由器的时候，通过接口 3 传输数据。为什么是发送到主机 B，而不是隔壁的主机？

以上对应问题的解决方案：

  1. 默认网关
  2. 地址解析（Address Resolution Protocol，ARP）协议
  3. 网络互联（Internet Protocol，IP）协议
  4. 地址解析（Address Resolution Protocol，ARP）协议

TIP

请记住这几个问题和解决方案，接下来会详细描述。

# 默认网关

默认网关 又可称为 缺省网关、缺省路由器。默认网关 是 子网 与 外网 连接的设备，通常是一个 路由器。当一台计算机发送信息时，根据发送信息的 目标 IP 地址 和 子网掩码 来判定目标主机是否在本地子网中，如果目标主机在本地子网中，则直接发送即可。如果目标不在本地子网中则将该信息送到 缺省网关/路由器，由路由器将其转发到其他网络中，进一步寻找目标主机。

对于问题 1： 主机 A 是为什么发送到广东路由器，而不是隔壁的主机呢？（不要开启上帝视角👼）

回答: 主机 A 192.168.9.2 要发数据给主机 B 192.168.20.2。但是主机 A 发现它们两个的 网络号 不一样，不是在同一个网络。一个是 192.168.9.0/24，另一个是 192.168.20.0/24。所以会发送到默认网关 192.168.9.1，让它（默认网关/广东路由器）发送到外网。

TIP

Windows 用户可以在终端输入 ipconfig 来查看到默认网关。

# 地址解析协议

作用： 将 IP 地址 转换为 物理地址。

对于问题 2： 两个 IP 地址，主机 A 就能发送给广东路由器吗？（以太网帧不是只能通过物理地址发送吗？）

回答： 根据问题 1 的答案，我们知道将数据包发往默认网关 192.168.9.1。但是主机 A 只能通过 以太网帧 把数据发送到 广东路由器 中。目前已知：主机 A 的 IP 地址、主机 A 的物理地址、默认网关（广东路由器）。最重要的是缺少了默认网关的 物理地址，我们就可以根据 ARP 协议 ，将已知条件转换为默认网关的物理地址，最后发送以太网帧即可。转换过程如下：

ARP协议流程

解释：

  1. 因为不知道默认网关的物理地址，所以主机 A 发送 广播，让以太网的所有主机都会接受以太网帧。
  2. 所有主机收到以太网帧后，看到 类型字段 为 0x0806（ARP 协议），便按照该协议，判断自己是否符合目标 IP 地址 192.168.9.1，如果符合则带上自己的物理地址回答主机 A。如果不符合，则忽略该应答。广东路由器 发现自己符合，便带上自己的物理地址 08:00:27:71:9e:95 回应主机 A。
  3. 主机 A 收到广东路由器发的以太网帧，便解析里面的数据，拿到广东路由器的物理地址。
  4. 有了目标物理地址 和 自身物理地址 后，主机 A 把真正要发往主机 B 的数据 包装在以太网帧发送给了广东路由器。

该过程产生了 3 个数据包，分别为 ARP 的一问一答 和 真正数据包。以后再要发出外网，就不需要前面两个步（ARP 一问一答）做基础了。因为主机 A 会自我学习，把广东路由器的物理地址存储起来。

对于问题 4，同理。

# 格式

ARP帧格式

  • 硬件类型（2 字节）：指明了发送方想知道的硬件接口类型。例如：以太网的类型为 1。
  • 协议类型（2 字节）：表示要映射的协议地址类型。它的值为 0x0800，表示 IP 地址。
  • 硬件地址长度（1 字节）：定义物理地址的长度，以字节为单位。例如：对于以太网的值为 6。
  • 协议长度（1 字节）：定义逻辑地址的长度，以字节为单位。例如：对于 IPv4 协议的值为 4。
  • 操作类型（2 字节）：用来定义报文的类型。已定义的分组类型有两种：ARP 请求（1），ARP 响应（2）。
  • 源硬件地址——发送方 MAC 地址（可变）：可变长度字段，用来定义发送方的物理地址。例如：对于以太网这个字段的长度是 6 字节。
  • 源逻辑地址——发送方 IP 地址（可变）：变长度字段，用来定义发送方的逻辑地址。例如：对于 IP 协议这个字段的长度是 4 字节。
  • 目标硬件地址——目标 MAC 地址（可变）：可变长度字段，用来定义目标的物理地址。例如：对以太网来说这个字段位 6 字节。对于 ARP 请求报文，这个字段为全 0，因为发送方并不知道目标的硬件地址。
  • 目标逻辑地址——目标 IP 地址（可变）：可变长度字段，用来定义目标的逻辑地址。例如：对于 IPv4 协议这个字段的长度为 4 个字节。

TIP

RARP 的作用与 ARP 的作用相反，是将物理地址转换为 IP 地址。

# 网络互联协议

设计 IP 的目的是提高网络的可扩展性：一是解决互联网问题，实现大规模、异构网络的互联互通；二是分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系，以利于两者的独立发展。根据端到端的设计原则，IP 只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据报传输服务。

# 理解

流程图

补充： 传递过程都是先将 数据 一层一层的 包装，然后通过物理层进行 传输。到达下一个节点后，便将数据包一层一层 剥离解析，得到很多参数条件。可以通过这些参数条件来决定 传输 方向，如何 重新包装。所以从发送端到接收端的数据包不是一成不变的。

对于问题 3： 在数据链路层没有 IP 地址 的概念，又如何携带 IP 地址 信息？用什么协议发送呢？

IP协议

回答： 采用本次介绍的 IP 协议，在真正的数据外面包多一层 IP 信息，又称 IP 帧。以太网帧又将 IP 帧 当作一个整体数据，填到数据字段中。广东路由器收到以太网帧后，一层一层剥离外壳，并解读出目标 IP 地址等参数出来。根据这些参数和 控制表 判断得出：通过 接口 2 发送。 又将数据 重新包装 成 PPP 帧，发送出去。如此反复，最后到达 北京路由器，又根据 ARP 协议 得出物理地址，以以太网帧将真正的数据包发往最终目的——主机 B。如上图：

WARNING

部分字段不详细说明，可以结合下面的 IP 帧格式理解。

# 格式

IP帧格式

  • 版本（4bit）： 表示 IP 协议的版本。通信双方使用的 IP 协议版本必须一致。目前广泛使用的 IP 协议版本号为 4，即 IPv4。
  • 首部长度（4bit）： 表示 IP 帧的头长度，单位是 4 字节。如果头长度不为 4 字节的整数倍，则必须利用填充字段加以填充。当首部长度为 1111 时（即十进制的 15），头长度就达到 60 字节。
  • 区分服务（8bit）： 也被称为服务类型，用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998 年 IETF 把这个字段改名为区分服务（Differentiated Services，DS）。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。例如：运营商可以根据这个字段将缴费高的用户的数据包优先处理。
  • 总长度（16bit）： 首部和数据之和，单位为字节。数据报的最大长度为 2^16-1=65535 字节。
  • 标识（16bit）： 用来标识数据报。IP 协议在存储器中维持一个计数器。每产生一个数据报，计数器就加 1，并将此值赋给标识字段。当数据报的长度超过网络的 MTU，而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。具有相同的标识字段值的分片报文会被重组成原来的数据报。
  • 标志（3bit）： 第一 bit 位未使用，其值为 0。第二 bit 位称为 DF（不分片），表示是否允许分片。取值为 0 时，表示允许分片；取值为 1 时，表示不允许分片。第三 bit 位称为 MF（更多分片），表示是否还有分片正在传输，设置为 0 时，表示没有更多分片需要发送，或数据报没有分片。
  • 片偏移（13bit）： 当报文被分片后，该字段标记该分片在原报文中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。所以，除了最后一个分片，其他分片的偏移值都是 8 字节（64 bit）的整数倍。
  • 生存时间（8bit）： 又称 TTL，表示数据报在网络中的寿命。该字段由发出数据报的源主机设置。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在网络中传输，从而消耗网络资源。路由器在转发数据报之前，先把 TTL 值减 1。若 TTL 值减少到 0，则丢弃这个数据报，不再转发。防止路由器循环发送，永远无法到达目标地。
  • 协议（8bit）： 表示该数据报文所携带的数据所使用的协议类型。该字段可以方便目的主机的 IP 层知道按照什么协议来处理数据部分。不同的协议有专门不同的协议号。例如，TCP 的协议号为 6，UDP 的协议号为 17，ICMP 的协议号为 1。
  • 首部检验和（16bit）： 用于校验数据报的首部。数据报每经过一个路由器，首部的字段都可能发生变化（如 TTL），所以需要重新校验。而数据部分不发生变化，所以不用重新生成校验值。
  • 源地址（32bit）： 表示数据报的源 IP 地址。
  • 目的地址（32bit）： 表示数据报的目的 IP 地址。该字段用于校验发送是否正确。
  • 可选字段（可变）： 该字段用于一些可选的报头设置，主要用于测试、调试和安全的目的。这些选项包括严格源路由（数据报必须经过指定的路由）、网际时间戳（经过每个路由器时的时间戳记录）和安全限制。
  • 填充（可变）： 由于可选字段中的长度不是固定的，使用若干个 0 填充该字段，可以保证整个报头的长度是 32 位的整数倍。
  • 数据部分（可变）： 表示传输层的数据，如保存 TCP、UDP、ICMP 或 IGMP 的数据。

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