【计算机网络】网络层

网络层基于数据链路层实现，实现了主机到主机的通信，这一章对其中常见的知识进行讲解

概览&目标

网络层在五层模型中的位置

数据链路层的通信协议，能够让多台设备共享同一条物理信道。交换机在数据链路层中提供了转发的功能，与只使用一根网线串联起所有设备的网络相比，含有交换机的网络更具有可拓展性。交换机的转发功能，是通过维护当前网络中Mac地址与端口号的映射关系实现的，网络中的设备数受到交换机的存储能力的限制。因此**：数据链路层的传输范围有限**。

网络层的引入，将大的网络划分为了不同的子网，数据链路层只需要关心在某一子网内的数据传输问题即可，这和分治的思想非常相似。

如上图所示，两个路由器将网络划分为三个部分，紫色的交换机只需要关心如何在紫色的网络中进行数据传输即可，具体的原因我们后面再讲。网络层设备也无需关心数据链路层的具体情况，只需要在网络层构建的虚拟信道中进行通信即可。

需要学习的内容

• 如何标识网络层中的设备？

  Mac地址是数据链路层设备的唯一标识，网络层设备也需要一个地址进行区分。

• 知道目标设备的标识，如何在众多网络中找到对方？

• 如何通过网络层信息知道对方的MAC地址？

IP数据报（v4）

基础信息

• 源IP地址 & 目标IP地址：网络层将数据从一台主机传送到另一台主机，数据报中存储双方地址进行标记，每个地址长32位；
• 总长度：记录IP数据报头部+数据部分的长度，单位是byte；
• 首部长度：记录IP数据报头部长度，单位是4 bytes。这样设计是因为ip数据包的头部长度必须是4 bytes的整数倍，就算是对头部进行拓展时也需要通过补0的方法来维护这一性质；
• 生存时间（TTL）：从源主机传送到目标主机的过程中能够经过的最大路由数量。路由器每次转发之前都会将TTL减1，如果发现TTL为0就会直接丢弃；
• 头部检验和：使用checksum作为检验和，只检验头部数据的正确性；

IP数据报分片

每个网络能够支持的最大数据报长度不同，我们将网络中的IP数据报中能够承载的数据部分长度叫做MTU。当路由设备识别到转发的数据报大小大于MTU时，有两种策略：

• 扔掉这个数据报（直接不处理了，摆烂）；
• 将数据报分片，再由接收方进行拼接；

接下来从数据报格式的角度来理解一下这个过程。

我们依次讲解：

• DF(Don't Fragment)：为0时表示允许分片，其他分片相关标识位有效。为1时表示禁止分片，其他分片相关标识全都无效；

  后面的字段，我们只讨论DF为0，即允许分片时的意义；另外，DF为0时数据不一定被分片。

• MF(More Fragmentation)：为1时表示后面还有更多分片，即当前分片不是最后一片；为0时表示没有更多分片了，当前分片可能是最后一片，也可能数据报根本没有被分片；

• 分片标识：相当于分片的ID，和目的IP、源IP配合唯一标识一组分片；

• 片偏移：标识当前片的数据的起始地址在总体中的偏移量。

  片偏移的单位是8byte，这是因为总长度用了16bit，而片偏移只用了13bit，因此将片偏移后补3个0，让他能够表达16bit的内容。不过也正因如此，除最后一个分片外，其他分片的长度必须为8byte的整数倍；

ip数据报分片实例

在这里，我们只关注分片相关的标识位以及数据部分的长度。假设网络的MTU = 1500Byte，这时传入了一个数据部分长度为4000Byte的ip数据报。

传入的数据ID为X，DF为0，表示允许分片。他的长度大于MTU，需要被分片。 $$ 4000 / 1500 = 2.6666… $$ 因此，会被分为三片，前两片中的数据部分长度与MTU相同，最后一片有剩余的数据。

IP地址

网络号与主机号

通过ip数据报的格式可以看出ip地址是一个32位数字。为了更好的供人类观看，我们将他的每一个字节用整数表示出来，中间用点分割。如：192.168.0.1。那么在实际的网络中ip地址对设备进行分层描述：第一部分是网络号，表示所在网络的编号；第二部分是设备号，表示设备在该网络中的编号。

子网掩码

不同子网中的主机数量未必相同，因此有了子网掩码。子网掩码用于记录网络号在ip地址中占高几位，如：

• IP地址为192.168.43.56
• 子网掩码为255.255.0.0

子网掩码与IP地址的长度相同，子网掩码中为1的位，在IP地址中表示网络号；为0的位则表示主机号。在上面的例子中，该ip地址对应的网络号为192.168.43.56。

正是子网掩码实现了网络层次的划分，如：

在上述网络中，网络被分为两层，这些机器同属于192.168.0.0这个子网，在子网中，又进行了进一步的细分，分为192.168.3.0，192.168.4.0两个子网。子网下有不同的设备，整体结构如下图所示。

新的问题又产生了：想要将数据报从当前子网发出，应该怎么发？

网关

实际上，子网192.168.3.0中的设备在向外部进行通信时，不会直接发出。在该网络中，会存在一个"代表"，他负责收集子网中的数据报向外发送；也负责接收外部请求，向内分发；这个网关就是一个入口。

假如192.168.3.127想要发送数据到192.168.4.134；子网192.168.3.0的网关为192.168.3.1；子网192.168.4.0的网关为192.168.4.1。

那么：

• 192.168.3.127监测到目标地址不在当前子网中，会将数据发送给他的网关192.168.3.1；
• 192.168.3.1同时处于192.168.3.0和192.168.0.0两个网络中，他监测到目标在192.168.0.0子网中，所以不把数据发送给自己的网关， 而是直接在子网内发送给192.168.4.1即192.168.4.0网络的网关；
• 192.168.4.1收到数据报，监测到目标在192.168.4.0网络中，直接发送给192.168.4.134；

子网内传输ARP

我想要发一个包到子网内的设备，我们的数据在网络层封装成数据报后需要交给链路层进行发送。数据链路层需要我们指定目标的MAC地址，这要怎么解决呢？

实际上每个参与到网络层的设备中都会维护一个ARP表，其中记录了子网中IP地址与MAC地址的映射关系。可以通过arp -a对arp表进行查看，具体如下：

DHCP——IP地址分配技术

经过上面的学习，我们发现，如果一台机器想要正常上网，需要配置：

• IP地址：网络号要与所在网络相同，设备号不能与当前子网中其他设备重复；
• 子网掩码：子网掩码必须和网络号相互配合；
• 网关：必须显式的制定当前子网的代理人；

这些参数显然不能让每一个用户去手工配置，因此就有了DHCP，他的目的就是让用户不去手工配置这些参数，而是在连入网络时自动配置。现代的路由器上一般都会维护一个小型的DHCP服务器，整体过程如下。

但是值得注意的是，DHCP算得上是一个应用层协议，他是借助UDP协议实现的。

除此之外，分配地址后，客户端需要定期向DHCPServer进行续租操作，否则IP地址会被收回，并且分配给其他设备使用。

数据跨子网传输

NAT网络地址转换

上一小节中讲到每个子网中会有一个“代理人”网关，他同时存在于两个网络中，负责收集子网的数据向外发送，假设有下图中的网络。

现在路由器代理的内网中有多台设备，他们都需要向外网发送数据、接收数据。如果路由不对数据报进行任何处理，在发送时候不会有任何影响。但是在接受数据报时，接收的对象是子网内ip地址，无法在公网找到当前路由。NAT技术通过映射端口号的方法来满足跨网通信。

简谈传输层

在了解NAT前需要先了解一点传输层知识，网络层实现了复杂网络中从一台主机到另一台主机的通信。但实际应用过程中，需要进行进程与进程之间通信，所以传输层在网络层基础上进一步封装，实现进程间通信。具体讲：

• 网络层中定义了端口号；
• 应用进程会监听当前主机的某个端口；
• 不同进程监听不同端口，同一个端口在一般情况下不可以被多个进程监听；

在传输层指定端口就可以达到进程间通信的目的。

回到NAT协议

NAT协议较为特殊，他通过映射端口号来实现代理。路由接收到子网中设备的数据报，其中：

• 网络层协议中会带有发送方的IP地址；
• 传输层协议中会带有发送方的端口号；

路由开辟一个新的端口用于代理收到的IP, port，路由中维护一个NAT表，记录自身端口号与子网中IP, port的映射关系。当路由收到数据后会检查数据的端口号，在NAT表中查找端口号对应的IP, port，随后替换数据报中的IP为NAT表中的IP，随后将数据部分承载的上层协议的Port也进行替换。

CIDR——路由聚合

上面我们讲解了IP地址，想要解读一个IP地址需要知道他的IP地址，以及他的子网掩码。

有类IP地址

有组织制定了标准，在该标准中，将IP地址划分为5类：

• A类：0.0.0.0 ~ 126.255.255.255这个范围被称为A类，它的子网掩码为255.0.0.0；
• B类：127.0.0.0 ~ 191.255.255.255这个范围被称为B类，它的子网掩码为255.255.0.0；
• …
• 以此类推

我们不详细介绍有类IP了，有类IP的划分过于固定，难以适应现实世界的情况；

CIDR

CIDR解决了有类IP划分过于固定的问题，具体来说CIDR使用下面的方法表示一个IP地址：

192.168.3.4/24

这里就表示：

• IP地址为：192.168.3.4
• 子网掩码为：255.255.255.0

后缀可以任意活动，这样就可以针对不同的情况进行更好的划分。

路由聚合

实际上，在每个路由中都会维护一个转发表。假设有这样一个网络：

但是，实际情况可能有所不同，如：

这个时候就会触发路由聚合。

在实际转发过程中，将在路由表中对目标地址进行最长前缀匹配，将数据报转发到最长匹配的目标中。