网络层服务 | zhengyao blogs

--- typora-copy-images-to: image\网络层 --- # 网络层服务 ## 网络层概述 - 从发送主机向接收主机传送数据段(segment) - 发送主机:将数据段封装到数据报(datagram)中 - 接收主机:向传输层交付数据段(segment) - **每个主机**和路由器都需要运行网络层协议 - 路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域 ### 网络层核心功能-转发与路由 - 转发(forwarding):将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口,每一个路由器需要维护一个转发表,转发表确定在本路由器如何转发分组 ![image-20200205105636591](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205105636591-6845da153dbc483cbff81a0b329d276d.png) - 路由(routing):确定分组从源到目的经过的路径,使用路由协议或路由算法,记录在转发表中,路由器根据传入的数据报,进行解析检索转发表,获取最终的转发地址 ![image-20200205105805087](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205105805087-a384e8e628eb4961834e987bcf5c2224.png) - 网络层核心功能-连接建立 - 数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接,网络设备(如路由器)参与连接的建立 - 网络层连接与传输层连接的对比 - 网络层连接:两个**主机**之间(路径上的路由器等网络设备参与其中) - 传输层连接:两个**应用**进程之间(对中间网络设备透明),是端到端的连接 ### 网络层服务模型 **网络层为发送端(主机)到接收端(主机)的数据报传送通道(channel)提供了什么服务模型?** ![image-20200205110502531](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205110502531-ec94c17acdde43ad9016391619b3cb62.png) Internet提供的服务模型是尽力服务,其实就是什么都不保障,靠传输层进行保障,也不进行拥塞控制等. 作为ATM网络,提供了四种服务模型,CBR(固定比特率),VBR(可变比特率),ABR(可用比特率),UBR(不保证比特率) - CBR,固定比特率,类似两个主机间建立了一个虚拟的电路,所以带宽,丢包,排序,超时等机制都可以获得保障 - ABR,可用比特率,当网络可用的时候,是尽力使用带宽,如果是网络较为拥塞,则带宽降低 #### 网络模型的分类 ##### 无连接服务(数据报网络) - 不事先为系列分组的传输确定传输路径 - 每个分组都独立确定传输路径 - 不同分组可能传输路径不同,导致到达顺序不一致 - 称为**数据报网络** ##### 连接服务(虚电路网络) - 首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径(建立连接) - 然后沿该路径(连接)传输系列分组 - 系列分组传输路径相同 - 传输结束后需要拆除连接 - 代表性的网络:**虚电路网络** ### 虚电路网络 - 数据报网络与虚电路网络是典型两类分组交换网络 - 数据报网络提供网络层无连接服务 - 虚电路网络提供网络层服务 - 类似于传输层的无连接服务(UDP)和面向连接服务(TCP),但是网络层的服务是:**主机到主机**的服务,**网络核心**实现 #### 虚电路网络介绍 **虚电路**:从源主机到目的主机确定一条路径,建立起一条类似于电路的路径(逻辑连接) - 分组交换 - 每个分组的传输利用链路的**全部带宽**(电路的交换利用多路复用技术只会占用**部分带宽**) - 源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能虚电路网络的通信过程: - 呼叫建立(call setup)->数据传输->拆除呼叫 **作为一个虚电路建立完成之后,怎样保证后续的分组使用这条虚电路?** 为这条虚电路分配一个标识ID,我们成为VCID,每个分组携带虚电路的标识(VCID),而不是目的主机地址虚电路经过的每个网络设备(如路由器),维护每条经过它的虚电路连接状态链路.网络设备资源(如带宽,缓存等)可以面向虚电路进行预分配,可以达到一些预期的性能服务 #### 虚电路的具体实现 **每条虚电路包括**: 1. 从源主机到目的主机的一条路径 2. 虚电路号(VCID),**沿路每段链路一个编号**,每条链路可以建立的虚电路数量是不同的,反映了支持连接能力,因此每一段链路的虚电路号可能是不同的 3. 沿路的每个网络设备(如路由器),**利用转发表记录经过的每条虚电路** 沿某条虚电路传输的分组,携带对应**虚电路的VCID**,而不是目的地址,网络设备根据VCID**检索转发表**,找到对应的链路,同一条虚电路,在每段链路上的VCID通常不同 ![image-20200205113607404](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205113607404-bcd96d7f000348b2a36b2f2e8e1f709e.png) 虚电路的转发表记录 | 输入接口 | 输入VCID | 输出接口 | 输出VCID | | -------- | -------- | -------- | -------- | | 1 | 12 | 3 | 22 | 所以,**虚电路路径上每个路由器都需要维护VC连接的状态信息!** #### 虚电路信令协议传输用户数据之前,需要建立一条虚电路,所以需要特殊的协议,用于虚电路的建立,维护,拆除,这种协议称为**虚电路信令协议** - 用于虚电路的建立,维护与拆除,确定**路径选择** - 应用于大部分的虚电路网络中,例如:ATM协议 - Internet是**使用的数据报网络,并未使用虚电路信令协议** ##### 虚电路的连接建立与拆除过程 1. 初始呼叫 2. 目的主机同意呼叫的话,会逆向原有路径,确认呼叫 3. 虚电路连接建立成功 4. 数据流开始传输 5. 数据传输完成后,使用信令协议拆除对应连接 ![image-20200205114249220](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205114249220-896d17d593d2461d855ebf68c29b94f7.png) ### 数据报网络 - 网络层是无连接的 - 每个分组需要携带目的主机网络地址 - 路由器根据分组的目的地址转发分组(基于路由协议/算法构建支持数据报协议的转发表) - 路由器检索转发表将分组数据报传输到目的主机 - 每个分组独立选路 ![image-20200205114643125](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205114643125-143f386ef3e5444ba3467559751365c8.png) 每个分组走的路径有可能是不一样的,路由器在传输过程中,转发表更新了,就有可能不同的分组网络走的路径不一致 IPV4是一个32位的2进制的数,大概有40多个亿的IP地址,如果转发表要记录这么多的IP地址,那么转发表非常巨大,此种方案基本是不可行的,**如何提高转发效率**? 所以转发表记录由记录每一个地址改为针对地址范围进行记录,相当于把转发表的IP地址进行聚合 ![image-20200205115055769](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205115055769-c385ce927e9446af93dad8c8e3fd53df.png) | 目的地址范围 | 链路接口 | | ------------ | -------- | | | | | | | | | | | | | ![image-20200205115153587](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205115153587-a78e9c85632247f29630c49e7fbb7a9b.png) 但是现在路由器不一定有这么完美的设置方法,所以也会采用其他方式 #### 最长前缀匹配优先 ![image-20200205115431978](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205115431978-3f7da07610244c89b213a8f876331d7e.png) 才去最长的前缀进行匹配,当记录表里都匹配不上的时候,网络路径会走默认(缺省)路由,**在检索转发表时,匹配到多条路口时,优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口** ### 数据报网络 VS 虚电路网络 #### Internet(数据报网络) - 计算机之间的数据交换,对网络的要求比较弹性化,没有严格的时间需求 - 链路类型众多 - 特性,性能各异 - 统一一种服务困难 - 端系统(计算机)之间是较为智能的,可以自适应,性能控制,差错回复 - Internet的核心是**简化网络,复杂边缘** #### ATM(虚电路网络) - ATM是由电话网络演化而来 - 核心业务是实时对话,严格的时间,可靠性的需求 - 需要有严格保障的服务 - 主机对比是较不智能的,例如:电话机,传真机 - 虚电路网络的核心是:**简化边缘,复杂网络** ## IPV4协议 Internet网络层的主要功能 ![image-20200205143510921](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205143510921-3d299dc414e1416286ec3ddfcda03a5b.png) **路由协议** - 路径选择 - RIP,OSPF,BGP协议 **IP协议** - 寻址归约 - 数据报(分组)格式 - 分组处理归约 **ICMP协议** 可以说是IP协议的伴生协议,实现了IP协议就需要ICMP协议,可以对传输过程中错误进行差错报告 - 差错报告 - 路由器"信令" ### IP数据报(分组)格式 ![image-20200205143633941](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205143633941-f97f9533ba1c4e79810994d9bbd85e16.png) IP数据报包含IP的首部信息和传输层包装后的数据 ![image-20200205143901326](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205143901326-ed6eface7c5045048c1fb05bfb403d14.png) 固定部分字节共20位,所有的IP协议这都是固定的可变部分长度是可变的,可以是0 - **版本号**字段占4位,IP协议的版本号,如果是IPV4则是E.g.4->IPV4,6->IPV6 - **首部长度**字段占4位:IP分组首部长度,4位总共最大能表示15,连固定长度的20个字节都无法表示,所以IP协议规定这里每个数值是以**4字节**为单位,大部分的情况下都没有选项长度,如果是0101,10进制下是5,实际上就是标准的(5x4)个字节数 - **服务类型**(TOS)字段占8位:指示期望获得那种类型的服务,后改名为区分服务,只有在网络真正能提供区分服务时才有用,一般情况下不使用,通常IP分组的该字段(第2字节)的值为00H - **总长度**字段占16位:IP分组的总字节数(首部+数据),最大IP分组的总长度:65535B,最小的IP分组头部长度:20B,IP分组可以封装的最大数据:65535-20=65515B - **标识**字段占16位,标识一个分组,IP协议利用一个计数器,每产生IP分组计数器就加1,作为该分组的标识 - **标志位**字段占3位:保留+DF+MF 三个字节 - DF(Dont Fragment),当DF= 1,禁止分片,DF = 0,允许分片 - MF(More Fragment),当MF = 1,则是非最后一片,MF = 0则是代表最后一片(或未分片) - **片偏移**字段占13位:一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量,如果没有分片则该字段为0,也说明了是从哪一部分字段开始封装,通过片偏移量的大小,我们就知道分片的顺序,因为总长度有16个位,片便宜字段只有13位,所以片偏移字段以**8字节**为单位 - **生存时间(TTL)**字段占8位:IP分组在网络中可以通过的路由器数(或跳步数),一个IP分组在创建初始时会给TTL设置一个初始值,路由器每转发一次分组,TTL减1,当一个路由器减一导致TTL=0的时候,路由器会直接丢弃该IP分组,会向源主机发送一个**ICMP**报文 - **协议**字段占8位:指示IP分组封装的是哪个协议的数据包,实现了IP协议的复用/分解,可以让IP协议知道是TCP或者为UDP或者ICMP报文段 - **首部校验和**字段占16位:实现对IP分组首部的差错检测,计算校验和的时候,先将该字段置为全0,然后将累计数的反码再存入该字段,和的反码作为首部校验和字段,因为每次TTL都会变,所以首部校验和字段是**逐步校验,逐步更新** - **源IP地址,目的IP地址**字段各占32位,分别标识发送分组的源主机/路由器(网络接口)和接收分组的目的主机/路由器(网络接口)的IP地址 - **选项**字段长度可变,范围在1-40B之间,携带安全,源选路径,时间戳和路由记录等内容,实际上很少被使用 - **填充**字段长度可变,范围在0-3B之间:目的是补齐整个首部,符合32位对齐,即保证首部长度是4字节的倍数 ### IP分片 #### 最大传输单元(MTU) IP分组在传输到链路层上,需要将数据封装成数据帧,网络链路存在**MTU(最大传输单元)**可封装数据的上限,像以太网最大的MTU就是1500个字节如果一次网络请求经过两个链路,MTU1>MTU2 大IP分组向较小MTU链路转发时,**可以**被分片,可能分也可能不分,如果不分片的话,MTU2无法接收会直接将该分组丢弃,并向源主机发送ICMP报文如果报文段允许分片,则可以将一个大的IP分组分片为多个IP分组,IP分片只有**到达目的主机**后才会进行重组,路由器不进行重组 IP首部的相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序,如果目的主机在等待超时后依旧还没收到完整的分片,那么目的主机会丢弃所有分片,此时需要使用上标识,标志位,片偏移字段. **IP分片过程** 假设原IP分组总长度为L,待转发链路的MTU为M: 1. 若L>M,且DF=0,则可以/需要分片,如果DF = 1,则直接丢弃该分组 2. 分片时每个分片的标识复制原IP分组额标识 3. 通常分片时,除了最后一个分片,其他分片均分为MTU允许的最大分片 4. 除了最后一个分片外最大分片可封装的数据应该是8的倍数,因此一个最大分片可封装的数据为:d = (m-20(通用字节数) / 8 )* 8 向下取整 5. 则需要总片数为:n = (L-20/d) 6. 每片片偏移字段取值为:F = d/8 *(i-1) 向下取整 7. 每片总长度字段为:除了最后一片为:d+20,最后一片为L-(n-1)*d **分片示例** ![image-20200205153933312](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205153933312-0df32e6e9762428daf90c69a41e1c872.png) ### IP协议-IP编址 - IP分组:源地址(SA)-从哪来,目的地址(DA)-到哪儿去 - 接口(interface):主机/路由器与物理链路的连接 - 实现网络层功能,如果某些设备不具备网络层功能的设备,则对网络编址来说是无视的 - 路由器为了实现分组的路由和转发,通常会有多个接口 - 主机通常只有一个或两个接口(e.g.,有线的以太网接口,无线的802.11接口) **IP地址**:32比特(IPV4),编号标识主机,路由器的**接口**,因为32位的比特比较难记,我们通常会分为4组按照10进制的数据,就是我们常见的192.168.0.1 这样的 **IP地址与每个接口关联** ![image-20200205155035818](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205155035818-3230e787ca1f435990c78212170b9567.png) 每个接口都会有IP地址 **怎么样为接口分配IP地址?** 如果不按照规则随机分配IP地址的话,会导致路由器的转发表十分复杂 #### IP子网将IP地址分为两部分: - 网络号(NetID)-高位比特 - 主机号(HostID)-低位比特需要保证分配到某一个区域的网络地址,网络号是相同的,主机号是不同的,这样就可以有一定的规律了. ![image-20200205155646450](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205155646450-faa57d1ef02a499a885f2fbb12767d7c.png) **IP子网**: - IP地址具有相同网络号的设备接口 - 不跨越路由(第三层及以上层网络设备)就可以**彼此物理连通**的接口这样就可以用IP子网的形式描述一个网络段 #### 有类IP地址 **有类编址** A类地址(50%):网络号占用8个比特,主机号占用24个比特,可以编址的范围是0.0.0.0 - 127.255.255.255 B类地址(25%):网络号从10开始,占用16个比特,主机号占用16位,可以编址范围是:128.0.0.0-191.255.255.255 C类地址(12.5%):网络号从110开始,网络号占用24位,主机号占用8位,编址范围为:192.0.0.0-223.255.555.255 D类地址(6.25%):从1110开始,不区分网络号和注解号,从224.0.0.0-239.255.255.255,用于标识互联网中的一组主机,称为多播地址或者组播地址,向其发送分组数据时,该组主机都会受到该分组数据的副本 E类地址(6.25%):从1111开始,范围为240.0.0.0-255.255.255.255,留作研究使用 ![image-20200205160958075](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205160958075-b8cc96f0883845768c29fa45b2c6ccc2.png) 给一个主机或者一个路由器分配IP地址的时候,只能够分配A类B类C类地址 #### 特殊IP地址 ![image-20200205161232853](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205161232853-0975081dec254933824d77464dbdc124.png) ##### 私有地址该类地址只用于内部网络,不用于公网,这部分私有地址可以被重用 ![image-20200205162317961](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205162317961-f80275b2397045f9b05b596b1d41d299.png) #### 子网划分和子网掩码 ##### 子网划分如何区分一个IP子网更小的范围网络(子网)? **IP地址** - 网络号:高位比特 - 子网号:原网络主机号部分比特 - 主机号:地位比特 ![image-20200205163407615](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205163407615-a4a02ce04df8408c87019db229c01aff.png) 例如需要将子网划分为四个子网,则需要2个比特位用于子网号,此时四个子网用路由器相连 ![image-20200205163445106](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205163445106-377efa97de134e25b1d448f9a74a9815.png) **如何确定是否划分了子网?利用多少位划分子网?** ##### 子网掩码子网掩码形如IP地址:也是32位地址,也是用点分十进制形式 ![image-20200205163628764](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205163628764-42403977f99f48f69d9a2daad1ec0bf3.png) 取值有所区别: - 网络号,子网号位全取1 - 主机号位全取0 所以: - A网的默认子网掩码为:255.0.0.0 - B网的默认子网掩码为:255.255.0.0 - C网的默认子网掩码为:255.255.255.0 - 加入借用3比特划分子网的B网子网掩码为:255.255.224.0,因为11100000 = 224 **子网地址**+**子网掩码** 可以准确确定子网大小 **例题** ![image-20200205164258331](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205164258331-93f26364bf57448cb83933f326c4be18.png) ##### 子网掩码的应用当确定了子网掩码之后,**路由器如何确定应该将IP分组转发到哪个子网?** 将IP分组的目的IP地址与对应的子网掩码按**位与**运算,提取出子网地址 **例题** ![image-20200205165021820](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205165021820-6aa70f2a00ea4f5b9a479c2428cc098f.png) 去除主机域全0和主机域全1的地址,总共可分配IP地址数为:256*2-2 = 510,在划分子网时,每个子网主机号的全0和全1都是不可用的,全0代表的子网的地址,全1代表的是子网的广播地址,划分子网时会导致IP地址的浪费,但是换来的是网络性能的提升. #### 无类域间路由CIDR(ClassLess InterDomain Routing) 消除传统的A类,B类和C类地址界限,网络号+子网号 = 网络前缀(可以任意长度) 融合子网地址和子网掩码,方便子网划分 - 无类地址格式:a.b.c.d/x,其中x为前缀长度 ![image-20200205192804941](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205192804941-562b9108ea4e43b8b2f5971331eca7c8.png) 23就是网络前缀的长度 - 子网201.2.3.64,255.255.255.192->201.2.3.64/**26** 利用这种方式描述子网非常方便,原有的分配是按照ABCD类来分配,会导致IP地址浪费,使用CIDR技术可以**提高IPV4地址空间的分配效率**,可以提高**路由效率**,可以将多个子网聚合成一个较大的子网称为超网(super netting),对于路由器来说可以记录更大的子网,使得路由表的大小得到很大的减少,这种方法叫**路由聚合** ![image-20200205193605475](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205193605475-33bfb78b744f48a69a7c75720ea0fa36.png) 可以将3个子网聚合成223.1.0.0/22,路由表可以减少极大的空间 ![image-20200205193714118](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205193714118-43d01f888a1a4e3f9623d9fac6773662.png) 而满足这种聚合的情况下,是需要网络地址是连续的,如果某些网络号有部分地址是该部分子网网络所未拥有的,这时候需要其他对应的网络也要发布对应子网,我们此时采取**最长前缀匹配优先**,如图,如果有访问200.23.18.0/23前缀会依据最长前缀匹配优先原则,匹配对应的网络,这样就可以享有路由聚合的高效率,又可以避免路由黑洞现象. ![image-20200205194437891](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205194437891-9ea60fbcbe974129904f27c2542f4200.png) ##### 划分子网的意义所在 ### 子网划分与路由聚集 **划分子网的意义是什么？如何进行子网划分？什么是定长子网划分？什么是变长子网划分？如何准确地描述一个子网？为什么要进行路由聚集？如何进行路由聚集？什么情况下可以进行路由聚集？** 1. 划分子网的意义是:提高IP地址的使用率,按照规则划分IP地址,提高IP地址的辨识度,便于IP寻址,可以对不同地区不通类型的网络进行划分 2. 按照网络号+子网号+主机号进行划分子网,其中高位比特作为网络号,连续的几位作为子网号,剩余低位比特作为主机号 3. 每个子网规模一样大的划分,此时子网掩码相同 4. 每个子网规模不一样大的划分,此时子网掩码不同 5. 使用IP地址/子网掩码或者是IP地址/x的CIRD策略两种方式描述 6. 减少路由转发表的大小,提升路由效率 7. 取消有类地址的划分,使用网络号+子网号不限定位数的方式进行划分子网,相同的前缀可以作为一个大的子网(超网),路由的转发表合并这些子网的IP地址,减少路由的转发表大小,当有多个选择的时候,才去最长前缀匹配优先原则 8. 一个路由器同时连接多个较小规模的子网时可以进行路由聚集 ### DHCP协议作为一个主机,如何获得IP地址,如何完成IP地址的配置? #### 如何获得IP地址? - 硬编码,静态进行配置,每台主机需要从网络管理员中获取一个静态的IP地址,手工进行配置 ![image-20200205195607379](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205195607379-b097f59632f94aa9aadd92fcb1b5e5e7.png) - 动态主机配置协议-DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) - 可以从服务器动态获取(租赁)IP地址,子网掩码,默认网关地址,DNS服务器名称与IP地址 - 即插即用,主机只要能够运行DHCP的客户端,连上网后就可以自动使用IP地址 - 允许地址重用,当主机不在进行网络通信时,可以将IP地址安排给其他主机使用,提高IP地址使用率 - 支持移动用户加入网络 - 支持在用地址续租如果一个新主机需要一个IP地址 - 主机广播,发送一个DHCP discover(发现报文)报文 - 如果网络中有对应的DHCP服务器则DHCP服务器返回一个DHCP offer(提供报文)报文进行响应 - 注解请求IP地址:DHCP request(请求报文) - 主机请求IP地址:DHCP ack(确认报文),为这个主机进行一个确认,并同时确认一个该IP地址的租赁期 #### DHCP工作过程 1. 一台新机器需要动态获得一个IP地址,向DHCP server 发送一个报文,src:0.0.0.0 ,68是本机,dest:255.255.255.255,67 是本网内受限广播,本网内的机器都会收到该请求,但是只有DHCP才会返回该请求 2. DHCP服务器返回一个DHCP offer报文,DHCP服务器也是对本网内进行广播并分配对应IP地址 3. 客户机此时发送一个 DHCP request报文,此时还是使用本网内的广播,因为一个网络内是会有多个DHCP服务器的,广播是为了告知其他DHCP服务器,客户机需要使用的IP地址由某台DHCP服务器提供,其他的DHCP可以快速的将预分配的IP地址收回 4. 此时DHCP服务器返回DHCP ACK的确认报文,此时并返回子网掩码,默认网关,DNS服务器,此时主机就可以利用DHCP服务器返回的报文进行绑定IP地址并使用 ![image-20200205201101577](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205201101577-75f0baea3eaa4864bd39d7babc9cd3c9.png) DHCP协议是在应用层实现的: - 请求报文封装到UDP数据报中 - 通过IP的受限广播地址在子网内进行广播 - IP广播又映射为链路层广播(e.g.以太网广播) ### 网络地址转换(NAT) 因为IPV4地址已经消耗殆尽,所以在实际的网络通信中,一些主机使用的IP地址是一些私有地址,这些主机的IP地址是无法在互联网中出现的,此时就需要一种**网络地址转换技术** ![image-20200205201902003](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205201902003-569b406375d14f30ac12524d9ba1af62.png) 所有离开本地网络去往Internet的数据报来源IP都需要替换为同一个IP地址和不通的端口号 **NAT出现的动机** - 只需要从ISP中申请一个IP地址可以应对(IPV4地址消耗殆尽) - 本地网络设备IP地址的变更,无需通告外界网络 - 变更ISP时,无需修改内部网络设备IP地址,例如原来是电信的网络修改为联通的网络,也不需要修改IP地址 - 内部网络设备对外界网络不可见,即外部网络无法直接寻址到内部网络,会有一定的安全性 ##### NAT的实现 - 替换 - 利用(NAT IP地址,新端口号)替换每个外出IP数据报的(源IP地址,源端口号) - 记录 - 将每对(NAT IP地址,新端口号)与(源IP地址,源端口号)的替换信息存储到**NAT转换表**中 - 替换 - 根据NAT转换表,利用(源IP地址,源端口号)替换每个**进入内网IP数据报**的(目的IP地址,目的端口号) **网络地址转换过程** ![image-20200205202930327](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205202930327-9d1ba771d3ce4facab156670686012e6.png) 端口号字段是16位的,一个NAT的服务器可以最多支持65536个并行连接. **NAT 主要争议** - 路由器应该只处理第3层功能,不应该把第3的数据报还拿出来并获取修改第四层的报文 - 违背端对端的通信原则,因为传输层是端对端的,但是路由器又对传输层的报文进行了修改,打破了端对端的通信原则,导致端对端通信应用(P2P应用)的开发需要考虑NAT通信 - 地址短缺问题应该有IPV6来解决 **NAT穿透问题** 客户期望连接内网地址为10.0.0.1的服务器,但是客户不能直接利用10.0.0.1直接访问服务器,对外唯一可见的地址是NAT地址.此时我们需要从NAT上穿透至内网服务器解决方案: 1. 静态配置NAT,将特定端口的连接请求转发给特定的服务器 2. 利用UPnP(Universal Plug and Play)互联网网关设备协议(IGD-Internet Gateway Device)自动配置: 支持NAT的服务器需要支持UPnP的协议,自动的获得NAT的公共IP地址,通过这个协议,可以在NAT转换表中,增删端口映射,即可以完成转发表的映射,和手工静态配置类似 3. 中继(Skype):首先在网络中设置多个中继服务器,NAT内部的客户与中继服务器建立一个连接,外部客户也与中继服务器建立连接,终极服务器桥接两个连接的分组,从而实现两个服务器的通信 ![image-20200205204235112](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205204235112-0c4e39bf700d4a12b2df6f07b7926a1d.png) ### 互联网控制报文协议(ICMP) 当Internet网络中发送的报文出错时,接收方不仅仅是直接丢弃该分组,并且要返回一个ICMP报文 ICMP支持主机或路由器: - 差错报告 - 网络探询可以分为两大类ICMP报文: - 差错报告报文(5种) - **目的不可达**,无法成功交互到目的主机或目的网络,该数据报会被丢弃,并向源主机发送目的不可达的差错报文 - **源抑制(Source Quench)**,考虑到网络拥塞时,当一个路由器发现自身缓存已满导致后续的报文段被丢弃,可以构建一个源抑制这样一个报文发送给源主机,期待源主机收到报文后,减少发送速率,现在并没有按照此种方式进行控制 - **超时/超期报文**,TTL超时,当TTL被减到0的时候,路由器会将IP数据报丢弃,并向源主机报告对应超时/超期报文 - **参数问题**,当一个路由器在转发一个IP数据报的时候,发现报文头某些字段参数有问题,可以丢弃该数据报,则向源主机发送该类报文 - **重定向**,路由器收到一个IP数据报,发现IP数据报的目的网络不应该由该路由器进行转发,应该由其他网关路由器进行转发,此时可以向源主机发送重定向报文,使源主机将该报文发送到其他路由器上 - 网络探询报文(2类) - **回声(Echo)请求与应答报文(Reply)**,当主机想探测到某个主机之间的网络是否通畅或者可达,则可以发送回声请求,根据应答报文判断是否可达,例如:ping命令就是使用ICMP协议 - **时间戳请求与应答报文 **,通过发送时间戳的请求获取对方时间戳的响应,进行网络探询 #### ICMP报文 ![image-20200205205714206](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205205714206-38cd070559ec43f8bf6b44a4c12e01df.png) 通过类型+编码判断是哪种类型的错误并不是所有报错的情况下都会发送ICMP报文,有几种特种的场景不在发送ICMP报文: 1. 对ICMP差错报文不再发送ICMP差错报告报文 2. 除了第一个IP数据报分片外,对所有后续分片均不发送ICMP差错报告报文 3. 对所有多播IP数据报均不发送ICMP报告报文 4. 对具有特殊地质(127.0.0.0, 0.0.0.0)的IP数据报不发送ICMP差错报告报文几种ICMP报文已不再使用 1. 信息请求与应答报文 2. 子网掩码请求和应答报文 3. 路由器询问和通告报文 #### ICMP报文的格式 ICMP的报文要封装到IP数据报中进行传输 ![image-20200205210318361](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205210318361-450b805c1c174de2a77b258af8c48df8.png) ICMP差错报告报文数据封装: 需要封装为ICMP的前8个字节+完整的IP数据报首部+IP数据报的前8个字节 ![image-20200205210447343](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205210447343-2fe5a267d5b34394a9d71ae76d1ad897.png) ## IPV6地址介绍动机介绍: 1. 32位IPv4地址空间已分配殆尽 2. 期望对IPv4首部协议进行改进,在新版本IP协议中可以支持对数据报快速处理/快速转发 3. 支持QoS,支持不同服务 **IPv6数据报格式** - 固定长度的40字节基本首部,IPv4有个可选长度的首部字段,IPv6定义为固定的40个字节 - IPv6中路由器不在支持分片,如果IPv6中出现需要分片的话,则由源主机进行分片,目的主机进行组装 ![image-20200205211748989](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205211748989-dd0cb6a092124cb48223c12f8cbfdeab.png) ![image-20200205211815543](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205211815543-98161b0e829f46c0a706cbbc2bfa8dc9.png) - **版本号**,4个字节来展示版本号,和IPv4一样 - 优先级(priority):标识数据报的优先级,以便IPv6来区分不通类型的数据报 - 流标签(flow Label):标识同一流中的数据报 - 载荷长度,包含扩展首部+数据,总共16个比特,理论上可达到64KB的长度 - 下一个首部(next header):如果有扩展首部的话用于标识下一个选项首部,最后一个首部存储上层协议首部(例如TCP首部,UDP首部) - 跳步限制,对应IPv4中的TTL,数值定义了IPv6能够在网络中跳步的数量,如果跳步数减到0就不再转发,并发送ICMP报文 - IPv6地址使用128位地址 ### IPv6对比 IPv4的改变 - **校验和**彻底移除,以减少每跳处理时间 - **选项**:允许,但是从基本首部移除,定义为多个选项首部,通过下一个首部字段指示 - **ICMPv6**:新版ICMP - 附加报文类型,增加了"Packet Too Big"报文类型,因为IPv6无法分片,所以会发送ICMP报文给源主机 - 多播组管理功能,主要支持在多播时,可以增加或移除组管理成员 ### IPv6地址表示形式 IPv6改用冒号分隔的16进制的地址表示形式 - **一般形式**:1080:0:FF:0:8:800:200C:417A - **压缩形式**:可以将连续的0压缩,并用两个冒号代替,每个IPv6地址中只允许使用一次压缩,例如FF01:0:0:0:0:0:0:43,可压缩为FF01::43 - **IPv4-嵌入形式**:0:0:0:0:0:FFFF:13.1.68.3,把前80个比特全部设置为0,接下来的16个比特设置为1,剩余的32位写成32位的IPv4地址,可以写成::FFFF:13.1.68.3 - **地址前缀**:2002:43c:476b::/48,IPv6不再使用子网掩码,全部使用SIDR形式表示 - **URLs**由于地址过长,并且会有可能引起误解,所以使用url表示中用[]将地址括起来,防止歧义http://[::FFFF:13.1.68.3]:8080/ ### IPv6基本地址类型 1. 单播(unicast)地址:一对一通信 ![image-20200205213410757](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205213410757-6c0561764291492fae808a76973159e8.png) 2. 多播(multicase)地址:一对多通信,每次发送时该多播网络的成员都会收到对应数据报的副本 ![image-20200205213419946](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205213419946-a56befd50f444c17bd98c7c67d4cbed5.png) 3. 任意播(anycast):一对一组之一(通常是最近一个)通信,只会对一个主机进行发送 ![image-20200205213538654](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205213538654-cef1a8ca2e3c4f21b2ec1a8fedeee0a9.png) ### IPv4如何向IPv6过渡不可能在某个时刻所有路由器同时被更新为IPv6,所以: - 不会有**标志性的日期** - 长时间内还是IPv4和IPv6并行 - 使用隧道(tunneling技术):IPv6数据报作为IPv4数据报的载荷进行封装,穿越IPv4网络后再将其卸载下来 ![image-20200205213844822](http://49.233.164.58:8090/upload/2020/04/image-20200205213844822-894900aadeec49a68c067b0bce5c5281.png)

数据链路层服务

网络层-路由算法