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计算机网络网络层02

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计算机网络网络层

CIDR

无类域间路由 Classless InterDomain Routing。

把 NetID 和 SubID 统一使用 NEwork Prefix 表示，可以任意长度。
a.b.c.d/x x 为前缀长度。

  • 消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址界限
  • 融合子网地址与子网掩码，方便子网划分
  • 提高 IPv4 地址空间分配效率
  • 提高路由效率
    • 将多个子网聚合为一个较大的子网
    • 构造超网（supernetting）
  • 路由聚合（route aggregation）
    • 如果地址不连续就会造成路由黑洞

DHCP

主机如何获得 IP 地址

静态配置，硬编码

默认网关：当一个子网内的数据报要离开子网时，应该发送到哪个接口上进行转发。

动态配置 DHCP

Dynamic Host Configuration Protocol 。

  • 从服务器动态获取
    • IP 地址
    • 子网掩码
    • 默认网关
    • DNS 服务器名称与 IP 地址
  • 即插即用
  • 允许地址重用 （一个主机离开网络，IP 可以分给别的主机）
  • 支持在用地址续租
  • 支持移动用户加入网络

报文：

  • 主机广播 DHCP discover 发现报文
  • DHCP 服务器利用 DHCP offer 提供报文进行响应
  • 主机广播请求 IP 地址 DHCP request 请求报文
  • DHCP 服务器分配 IP 地址 DHCP ack 确认报文

第二次广播告诉其他 DHCP 服务器已经有服务器为我分配地址了，如果你们已经分配了地址就可以收回。

DHCP工作流程

DHCP

DHCP 协议在应用层实现

  • 请求报文封装到 UDP 数据报中
  • IP 广播
  • 链路层广播

DHCP 服务器构造 ACK 报文

  • 包括分配给客户的 IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器地址

NAT

网络地址转换。

动机

  • 只需/能从 ISP 申请一个 IP 地址
    • IPv4 地址耗尽
  • 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
  • 内部网络设备对外界网络不可见，即不可直接寻址（安全）

实现

  1. 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）
  2. 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
  3. 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），即（NAT IP 地址，新端口号）

16 bit端口号字段可以同时支持 6W 多并行连接，一般没问题。

争议

  1. 路由器应该只处理第三层功能，不应该去处理传输层的端口号字段，违背了层次关系
  2. 违背端到端通信原则：应用开发者必须考虑到 NAT 的存在，如 P2P 应用
  3. 地址短缺问题应该由 IPv6 来解决

NAT 穿透/打洞

方案一 静态配置

静态配置 NAT，将特定端口的请求转发给服务器

方案二 IGD 协议

利用 UPnP（Universal Plug and play）互联网网关设备协议（IGD-Internet Gateway Device）自动配置学习到 NAT 公共 IP 地址，在 NAT
抓换表中，增删端口号映射。

方案三 中继 relay

如 Skype

  1. NAT 内部的客户与中继服务器建立连接
  2. 外部客户也与中继服务器建立连接
  3. 中继服务器桥接两个连接的分组

ICMP

Internet Control Message Protocol

ICMP 功能

支持主机或路由器完成

  • 差错（或异常）报告
  • 网络探询

两类 ICMP 报文

  • 差错报告报文（5种）
    • 目的不可达
    • 源抑制（Source Quench）（缓存已满，希望源主机降低发送速率）
    • 超时/超期 （TTL）
    • 参数问题 IP 协议头参数设置错误
    • 重定向（Redirect）路由器发现报文中目的 IP 不应该由自己转发，而通过别的路由器转发
  • 网络探询报文（2组）
    • 回声（Echo）请求与应答报文（Reply）ping
    • 时间戳请求与应答报文 （NTP？）

例外情况

几种不发送 ICMP 差错报告报文的特殊情况

  • 对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文
  • 除第一个 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
  • 对所有多播 IP 数据报均不发送 ICMP 差错报告报文
  • 对具有特殊地址（如127.0.0.0 或 0.0.0.0）的 IP 数据报不发送 ICMP 差错报告报文

不再使用的

早期定义的

  • 信息请求与应答报文
  • 子网掩码请求和应答报文
  • 路由器询问和通告报文

报文格式

ICMP 报文封装到 IP 数据报中传输
ICMP

ICMP 差错报告报文数据部分的封装

ICMP差错

Traceroute

1.源主机向目的主机发送一系列 UDP 数据报

  • 第1组 IP 数据报 TTL=1
  • 第2组 IP 数据报 TTL=2 etc
  • 目的端口号为不可能使用的端口号
  1. 当第 n 组数据报（TTL=n）到达第 n 个路由器时
  • 路由器丢弃数据报
  • 向源主机发送 ICMP 报文（type=11，code=0）
  • ICMP 报文携带路由器名称和 IP 地址信息
  1. 当 ICMP 报文返回到源主机时记录 RTT
  2. 停止准则
  • UDP数据报最终到达目的主机
  • 目的主机返回目的端口不可达 ICMP 报文
  1. 源主机停止

短期内的探测，路由表信息不会很快更新。

IPv6

动机

  1. 32位 IPv4 地址空间已分配殆尽
  2. 改进首部格式
    • 快速处理/转发数据报
    • 支持 QoS

数据报格式

  • 固定长度的40字节基本首部
  • 不允许（路由器）分片，由主机分片，目的主机重组

Ipv6

路由器不需要处理扩展首部，只需要处理固定40字节的首部。

Ipv6协议

优先级 priority

标识数据报的优先级，QoS，为了区分不同的数据报。

流标签 Flow Label

标识同一流中的数据报，还在讨论中。

下一个首部 next header

标识下一个选项首部或上层协议首部（TCP首部）

跳步限制 TTL

VS IPv4

  1. 校验和（checksum）彻底移除，以减少每跳处理时间
  2. 选项（options），允许，但是从基本首部移出，定义多个选项首部，通过下一个首部字段指示
  3. ICMPv6：新版本 ICMP
    1. 附加报文类型，比如 Packet Too Big，因为 IPv6 不分片，如果数据报太大会向源主机发送该 ICMPv6 报文，由源主机决定是否分片；
    2. 多播组管理功能；

地址表示形式

128 位按 16 bit 一组划分 8 组 16 进制数用:连接。

压缩形式

由于 IPv6 地址空间很大，有些地址中有很多0，所以采用压缩格式书写：FF01:0:0:0:0:0:0:43 压缩为 FF01::43。

IPv4 嵌入形式

IPv4 和 IPv6 会共存一段时间，为了兼容 IPv4，把前 80 个 bit 固定为 0，接下来 16 bit 为 1，剩下的 32 位写成点分十进制。

0:0:0:0:0:FFFF:192.168.68.2 或 ::FFFF:192.168.68.2

地址前缀

2002:43c:476b::/48 IPv6不再使用子网掩码，使用 CIDR。

URLs

冒号会出现歧义，用中括号包起来：http://[3FFE::1:800:200C:417A]:8000

IPv6 基本地址类型

单播 unicast

一对一通信，地址能出现在发送和接收端。

多播 multicast

一对多通信，地址只能出现在接收端，没有广播地址，广播被定义为特殊的多播。

任意播 anycast

一对一组之一（最近一个通信），数据报会被送到其中之一。

cast

Ipv4 过度 IPv6

不可能在某个时刻所有路由器同时被更新为 IPv6，不会有标志性日期，也做不到。
IPv4 和 IPv6 路由器共存的网络如何运行？

隧道 tunneling

IPv6 数据报在传输过程中经过 IPv4 网络时，把 IPv6 数据报作为 IPv4 数据报的载荷进行封装，穿越 IPv4 网络。

tunnel