計算機網絡原理（13）—— IPv4協議、無類域間路由（CIDR，Classless InterDomain Routing）與路由聚集

一、網絡層主要功能

1. 路由協議

• 路徑選擇
• RIP，OSPF，BGP

2. IP協議

• 尋址規約（conventions）
• 數據報（分組）格式
• 分組處理規約

3. ICMP協議（互聯網控制報告）

• 差錯報告
• 路由器“信令”

4. IP數據報（分組）格式

首部（固定部分和可變部分） + 數據（TCP、UDP段）

• 版本號字段佔4位：IP協議的版本號。eg：4→IPv4，6→IPv6。

• 首部長度字段佔4位：IP分組首部長度，給出的最大長度爲15。

  • 以4字節爲單位
  • eg：5→IP首部長度爲20（5×4）字節

• **服務類型（TOS）**字段佔8位：指示期望獲得哪種類型的服務

  • 1998年這個字段改名爲區分服務
  • 只有在網絡提供區分服務（DiffServ）時使用
  • 一般情況下不使用，通常IP分組的該字段（第2字節）的值爲00H

• 總長度字段佔16位：IP分組的總字節數（首部+數據）

  • 最大IP分組的總長度：65535B
  • 最小的IP分組首部：20B
  • IP分組可以封裝的最大數據：65535-20=65515B

• **生存時間（TTL）**字段佔8位：IP分組在網絡中可以通過的路由器數（或跳步數）

  • 路由器轉發一次分組，TTL減1
  • 如果TTL=0，路由器則丟棄該IP分組

• 協議字段佔8位：指示IP分組封裝的是哪個協議的數據包（TCP/UDP）

  • 實現複用/分解
  • eg：6爲TCP，表示封裝的爲TCP段；17爲UDP，表示封裝的是UDP數據報

• 首部校驗和字段佔16位：實現對IP分組首部的差錯檢測。

  • 計算校驗和時，該字段置全0
  • 採用反碼算術運算求和，和的反碼作爲首部校驗和字段
  • 逐跳計算，逐跳校驗

• 源IP地址、目的IP地址字段各佔32位：分別標識發送分組的源主機/路由器（網絡接口）和接收分組的目的主機/路由器（網絡接口）的IP地址。

• 選項字段（長度可變），範圍在1~40B之間：攜帶安全、源選路徑、時間戳和路由記錄等內容。

• **填充字段（**長度可變），範圍在0~3B之間：目的是補齊整個首部，符合32位對齊，即保證首部長度是4字節的倍數。

二、IP分片

最大傳輸單元（MTU）

• 網絡鏈路存在MTU（最大傳輸單元）：鏈路層數據幀可封裝數據的上限。
  • 不同鏈路的MTU不同

IP分片和重組

• 大IP分組向較小MTU鏈路轉發時，可以被“分片”（fragmented）
  • 1個IP分組分爲多片IP分組
  • IP分片到達目的主機後進行“重組”（reassembled）
• IP首部的相關字段用於標識分片以及確定分片的相對順序

IP分組格式

• 標識字段佔16位：標識一個IP分組
  • IP協議利用一個計數器，每產生IP分組計數器加1，作爲該IP分組的標識
• 標誌位字段佔3位
  • DF（Don’t Fragment）
    • DF=1 禁止分片
    • DF=0 允許分片
  • MF（More Fragment）
    • MF=1 非最後一片
    • MF=0 最後一片（或未分片）
• 片偏移字段佔13位：一個IP分組分片封裝源IP分組數據的相對偏移量

IP分片過程

• 假設原IP分組長度爲L，待轉發鏈路的MTU爲M
• 若L>M，且DF=0，則可以/需要分片
• 分片時每個分片的標識複製原IP分組的標識
• 通常分片時，除最後一個分片，其他分片均分爲MTU允許的最大分片
• 一個最大分片可封裝的數據應該是8的倍數

三、IP編址

• IP分組
  • 源地址（SA）-從哪來
  • 目的地址（DA）-到哪去
• 接口（interface）：主機/路由器與物理鏈路的連接。
  • 實現網絡層功能
  • 路由器通常有多個接口
  • 主機通常只有一個或兩個接口（有線以太網接口，無線的802.11接口）
• IP地址：**32比特（IPv4）**編號標識主機、路由器的接口。
  • 每8位分爲一組，共四組，再轉換爲十進制，用小數點連起來。
• IP地址與每個接口關聯

爲接口分配IP地址——IP子網（Subnets）

• IP地址
  • 網絡號（NetID）-高位比特
  • 主機號（HostID）-低位比特
• IP子網：
  • IP地址具有相同網絡號的設備接口。
  • 不跨越路由器（第三及以上層網絡設備）可以彼此物理聯通的接口。

子網劃分

• IP地址：
  • 網絡號（NetID）-高位比特
  • 子網號（SubID）-原網絡主機號部分比特
  • 主機號（HostID）-低位比特
• 子網掩碼（如何確定是否劃分了子網）
  • 形如IP地址（32位、點分十進制形式）
  • 取值：NetID、SubID位全取1；HostID位全取0。
• 子網地址 + 子網掩碼 → 準確確定子網大小
• 子網掩碼的應用：將IP分組的目的IP地址與子網掩碼按位與運算，提取子網地址。

四、無類域間路由（CIDR，Classless InterDomain Routing）與路由聚集

• 消除傳統的A類、B類和C類地址界限
  • NetlID+SublD- →>Network Prefix (Prefix)可以任意長度
• 融合子網地址與子網掩碼，方便子網劃分
  • 無類地址格式: a.b.c.d/x， 其中x爲前綴長度
• 作用：
  • 提高IPv4地址空間分配效率
  • 提高路由效率
    • 將多個子網聚合成一個較大的子網
    • 構造超網
    • 路由聚集：層級編址使得路由信息通告更高效