计算机网络-网络层篇-IP协议

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虚拟互连网络

IP地址

回顾一下

IP协议的转发流程

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• 虚拟互连网络

• 实际的计算机网络是错综复杂的
• 物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异
• 当网络中的主机使用IP协议连接时，则无需关注网络细节
• IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互连的网络
• IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据转发
• IP协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题

• IP地址

• MAC地址是唯一的，不可改变的
• IP地址是可变的，受网络环境影响
• IP地址长度为32位，常分成4个8位
• IP地址常使用点分十进制来表示(0~255.0~255.0~255.0~255)
• 之前说过，在物理层传输的是01的比特流
• 数据链路层传输着数据帧
• 对于数据帧来说，它分为帧首部，帧的数据，帧尾部
• 帧的数据主要是IP数据报的内容
• 分为IP首部与IP数据报的数据
• IP首部
• 其中每一行有32比特位，4字节
• 必有5行，另有可选行
• 所以至少有20字节长度
• 细说：
• 第1行：
• 版本：
• 占4位，指的是IP协议的版本，通信双方的版本必须一致，当前主流版本是4，即IPv4，也有IPv6
• 版本不一不能通信
• 首部位长度
• 占4位，最大数值为15，表示的是IP首部长度
• 单位是“32位字” (4个字节),也即是IP首部最大长度为60字节
• 8位服务类型(TOS)一般不用关心
• 总长度
• 总长度：占16位，最大数值为65535
• 表示的是IP数据报总长度(IP首部+IP数据)
• 讲到长度，回顾下MTU
• IP协议它最大长度比MTU大
• 在实际中确实更大时，数据链路层将会把IP协议进行分片，即把IP数据报拆分为多个IP数据帧来传输
• 第2行：
• 标识一般为协议内部所使用的，不用关心，占16位
• 标志占3位，标记IP报文是否可以分片
• 片偏移
• 拆分为多个IP数据帧时，需要通过片偏移记录当前数据帧保存的是第几个偏移的IP数据
• 第3行：
• 8位生存时间(TTL)
• 占8位,表明IP数据报文在网络中的寿命，每经过一个设备,TTL减1,当TTL=0时,网络设备必须丢弃该报文
• 是为了当IP报文在网络中找不到终点时，避免IP数据在网络中无限进行传输，消耗带宽
• 协议
• 占8位，表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的(如:TCP、UDP等)
• 首部校验和
• 占16位，校验IP首部是否有出错
• 第4行：
• 32位源IP地址
• 指示着发送IP数据报的IP地址
• 32位目的IP地址
• 指示着IP数据报要到达哪个IP的IP地址

• 回顾一下

• 逐跳（hop-by-hop）：
• 报文从计算机A传输到计算机B，经过“网络一”、“路由器甲”、“网络二”、“路由器乙”等，是“一跳一跳”的
• MAC地址表
• MAC地址表主要由MAC地址与硬件接口组成
• 作用：数据链路层转发（交换机根据数据帧的目的MAC地址查看MAC表，根据表项由相应接口转发出去）
• 存在设备：
• 二层交换机
• 路由表
• 路由表主要由目的IP地址和下一跳IP地址组成，计算机和路由器都拥有路由表
• 作用：网络层转发（路由器根据目的IP地址，查询IP路由表找到下一跳地址，转发到下一跳路由器）
• 存在设备：
• PC机、路由器

• IP协议的转发流程

• MAC表(仅从数据链路层看)
• A通过网卡发出数据帧
• 数据帧到达路由器，路由器取出前6字节
• 路由器匹配MAC地址表，找到对应的网络接口
• 路由器往该网络接口发送数据帧
• 路由表(仅从网络层看)
• A发出目的地为C的IP数据报，查询路由表发现下一跳为E
• A将数据报发送给E
• E查询路由表发现下一跳为F，将数据报发送给F
• F查询路由表发现目的地C直接连接，将数据报发送给C
• 2者结合(从网络层与数据链路层看)
• A发出目的地为C的IP数据报，查询路由表发现下一跳为E
• A将IP数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址是E
• 数据链路层填充源MAC地址A和目的MAC地址E
• 数据链路层通过物理层将数据发送给E
• E的数据链路层接收到数据帧，把帧数据交给网络层
• E查询路由表，发现下一跳为F
• E把数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址为F
• E的数据链路层封装数据帧并发送
• F的数据链路层接收到数据帧，把帧数据交给网络层
• F查询路由表，发现下一跳为C
• F把数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址为C
• F的数据链路层封装数据帧并发送
• 数据帧每一跳的MAC地址都在变化
• IP数据报每一跳的IP地址始终不变