网络层服务

概述

从发送主机向接收传送数据段

发送主机：将数据封装到数据包中

接收主机：向传输层交付数据段

每个主机和路由器都运行网络层协议

路由器检验所有穿越它的$IP$数据报的头部域，决策如何处理$IP$数据报

网络层的核心功能

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

路由（routing）：确定分组从源到目的的经过的路径

路由算法

某些网络的重要功能—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
不同于传输层的两个应用进程之间，对中间网络设备透明，网络连接是两个主机之间，路径上的路由器等网络设备参与其中的

网络层服务模型

无连接服务：不事先为系列分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组可能传输路径不同

数据报网络：简化网络，复杂“边缘”

连接服务：首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径，然后沿该路径传输系列分组，系列分组传输路径相同

虚电路网络：简化“边缘”，复杂网络

虚电路网络

虚电路（$VC$）

一条从源主机到目的主机，类似于电路的逻辑（逻辑连接）

分组交换
每个分组的传输利用链路的全部带宽（不同于电路交换的复用）
源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路网络功能
通信过程
- 呼叫建立、数据传输、拆除呼叫
每个分组携带虚电路标识$VCID$，而不是目的地址
虚电路经过的每个网络设备都需要维护它的连接状态
链路、网络设备资源（如带宽、缓存）可以面向$VC$进行预分配来达到一些预期的服务性能

$VC$的具体实现

每条虚电路包括：

从源主机到目的主机的一条路径
虚电路号$VCID$，沿路每段链路一个编号。（$VCID$反映链路的通信能力，不同链路的通信能力不同，$VCID$也不能相同）
沿路每个网络层设备，利用转发表记录经过的每条虚电路

同一条$VC$，在每段连路上的$VCID$通常不同，路由器转发分组是依据转发表改写/替换虚电路号

虚电路信令协议

$（signaling protocols）$

用于$VC$的建立、维护与拆除，建立过程中路由选择

典型的虚电路网络：ATM、帧中继（frame-relay）网络

数据报网络

无连接

每个分组携带目的地址

路由器根据分组的目的地址转发分组

基于路由协议/算法构建转发表
检索转发表
每个分组独立选路

数据报转发表

如果转发表的目的地址都是具体地址，则数量太过庞大，很难实现，所以转发表中存储目的地址

如果划分不那么完美

最长前缀匹配优先：优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口

Internet网络层

一般来说，实现$IP$协议也要同时实现$ICMP$协议

$IP$

$IP$数据报

格式

版本号，占4位
首部长度占4位：$IP$分组首部长度
- 以4字节为单位，乘以4才是首部长度，例如首部长度字段为5，则表示$IP$首部长度为20字节
$TOS$占8位：指示期望获得哪种类型的服务，也叫区分服务，只有在网络提供区分服务时使用，一般情况下不使用
总长度：$IP$分组的总字节数（首部+数据）
- 最大$IP$分组的总长度：$65535B$
- 最小的$IP$分组首部$20B$
- $IP$分组可以封装的最大数据为$65535 - 20 = 65515B$
**标识$ID$**：标识一个$IP$分组
- $IP$协议利用一个计数器，每产生一个$IP$分组计数器加1，作为该$IP$分组的标识
- 标识不足以唯一标识一个$IP$分组，还需要利用源、目的$IP$地址等才能唯一标识一个$IP$分组
标志位：
- 保留 $DF$ $MF$
- $DF(Don’t Fragment)$：为1禁止分片，为0允许分片
- $MF(More Fragment)$：为1表示非最后一片，为0表示最后一片（或未分片）
片偏移：一个$IP$分组分片封装原$IP$分组数据的相对偏移量
- 以8字节为单位
$TTL$：$IP$分组在网络中可以通过的路由器数（或跳步数），路由器转发一次分组$TTL$减1，如果$TTL=0$，路由器则丢弃该$IP$分组
协议：指示$IP$分组封装的是哪个协议的数据包
- 可以实现复用/分解；例如6表示封装的是$TCP$段，17位表示封装的是$UDP$段
首部校验和：实现对$IP$分组首部的差错检测
- 计算校验和时该字段全置为0，采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段
- 逐跳计算，逐跳校验：因为每次转发首部都会发生变化，例如$TTL$每次转发都会减1
选项字段：$1$~$40B$，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：$0$~$3B$，目的是补齐整个首部，符合32位对齐，保证首部长度是4字节的倍数

$IP分片$

**最大传输单元$MTU$**：链路层数据帧可封装数据的上限

不同链路的$MTU$不同

当两条链路$MTU$不一样时，可能会发生大的向小的传输的情况

大的$IP$分组向较小的$MTU$链路转发时，可以被分片（如果不允许分片路由器会选择将分组丢掉）

1个$IP$分组分为多片$IP$分组
$IP$分片到达目的主机后进行“重组”

$IP$首部相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序（字段描述见格式部分）

（如果目的主机没有收全，会等待一段时间后将所有分组都丢弃）

过程（$IP$分组总长度为$L$，待穿法链路的$MTU$为$M$，$L > M$）

$DF = 0$
分片时每个分片的标识复制原$IP$分组的标识
通常分片时，除最后一个分片，其他分片均分为$MTU$允许的最大分片
一个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：

$$ d = \lfloor \frac{M-20}{8} \rfloor \times 8$$
需要的总片数为：

$$ n = \lceil \frac{L-20}{d} \rceil $$

$IP$编址

接口：主机/路由器与物理链路的连接

实现网络层功能
路由器通常有多个接口
主机通常只有一个或两个接口

$IP$地址：32比特（$IPv4$）

标识主机、路由器的接口
$IP$地址与每个接口关联

（点分十进制）

$IP$地址：

网络号—高位比特
主机号—低位比特
$NetID$ $HostID$

$IP$子网：

$IP$地址具有相同网络号的设备接口
不跨越路由器（第三以及上层网络设备）可以彼此物理联通的接口

6

有类$IP$地址

A 类、B 类和C 类地址的网络号字段（在图中这个字段是灰色的）分别为1 个、2 个和3 个字节长，而在网络号字段的最前面有1~3 位的类别位，其数值分别规定为0, 10 和110 。
A 类、B 类和C 类地址的主机号字段分别为3 个、2 个和1 个字节长。
D 类地址（前4 位是1110) 用于多播（一对多通信）。
E 类地址（前4 位是1111) 保留为以后用。

B类网络可以指派的最小网络地址是128.1.00

C类网络可以指派的最小网络地址是192.0.1.0

特殊$IP$地址

全0用于在自身主机不知道自身的$IP$但仍然要传播分组的时候，一个例子是$DHCP$的工作过程

==xxr书上第二行是可以、不可以，从后面的ppt来看，xxr是对的==

私有$IP$地址

子网划分与子网掩码

将$IP$子网划分为更小范围的子网

$NetID$	$SubID$	$HostID$

$SubID$原主机号部分比特

子网掩码

形如$IP$地址，点分十进制形式
对应$NetID、SubID$位取1，$HostID$位取0

子网掩码+子网划分确定子网的大小

将$IP$分组的目的$IP$地址与子网掩码按位与运算，提取子网地址

一个C类地址的划分例子

$CIDR$与路由聚合

无类域间路由（$Classless InterDomain Routing$）

消除了有类地址的界限
把网络号+子网号统一为一个可以任意长度的前缀
融合子网地址与子网掩码，方便子网划分
- $a.b.c.d/x$，其中$x$为前缀长度

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（一个较大的子网）

路由聚合（$route aggregation$）：面对较大的子网记录转发信息，节省路由表，提高路由效率

层级编制使得路由器信息通知更高效：

地址不一定连续，聚合的子网中有可能会缺少一部分，此时要在路由器中添加缺少的部分，利用最长前缀匹配正确转发

网络地址转换$NAT$

使用私有地址的主机要进行通信必须要进行地址转换

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，无需通知外界网络
变更$ISP$时，无需修改内部网络设备$IP$
内部网络设备对外部网络不可见，即不可直接寻址（安全）

实现

替换

利用（$NAT \space IP$ 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（$NAT \space IP$ 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），即（$NAT \space IP$ 地址，新端口号）

16比特的端口号字段可以同时支持60000多并行连接

主要争议：

路由器应该只处理第三层功能

违背端到端通信原则

应用开发者必须考虑到$NAT$的存在，例如$P2P$应用

地址短缺问题应该有$IPv6$来解决

$NAT$穿透问题

静态配置$NAT$，将特定端口的连接请求转发给服务器
利用$UPnP$互联网网关设备协议自动配置
- 学习到$NAT$公共$IP$地址
- 在$NAT$转换表中，增删端口映射
中继（如$Skype$）
- $NAT$内部的客户与中继服务器建立连接
- 外部客户也与中继服务器建立连接
- 中继服务器桥接两个连接的分组

$ICMP$

报文种类

（互联网控制报文协议）

支持主机和路由器：

差错报告
网络探询

两类报文：

差错报告报文（5种）
- 目的不可达
- 源抑制（当路由器发现自身缓存已满导致后续报文被丢弃，向源主机发送该报文，期望源主机降低发送速率）
- 超时/超期（$TTL$）
- 参数问题（路由器认为首部参数有问题而丢弃）
- 重定向（路由器认为数据报不应该由自己来转发）
网络探询报文（2组）
- 回声（$Echo$）请求与应答报文（$Reply$）
  - ping利用该种报文
- 时间戳请求与应答报文