3. 网络层协议及 IP 编址
网络基础

3. 网络层协议及 IP 编址

网络基础第三课

网络层协议

网络层经常被称为 IP 层。但网络层协议并不只是 IP 协议，还包括 ICMP（Internet Control Message Protocol）协议、IPX（Internet Packet Exchange）协议等。

IPv4 报文格式

IP Packet（IP 数据包），其包头主要内容如下：

  • Version：4 bit，4：表示为 IPv4；6：表示为 IPv6。

  • Header Length：4 bit，首部长度，如果不带 Option 字段，则为 20，最长为 60。

  • Type of Service：8 bit，服务类型。只有在有 QoS 差分服务要求时，这个字段才起作用。

  • Total Length：16 bit，总长度，整个 IP 数据包的长度。

  • Identification：16 bit，标识，分片重组时会用到该字段。

  • Flags：3 bit，标志位。

  • Fragment Offset：12 bit，片偏移，分片重组时会用到该字段。

  • Time to Live：8 bit，生存时间。

  • Protocol：8 bit，协议：下一层协议。指出此数据包携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个进程处理。

    常见值：

      1: ICMP, Internet Control Message；
  2: IGMP, Internet Group Management；
  6: TCP , Transmission Control Protocol；
  17: UDP, User Datagram Protocol。

  • Header Checksum：16 bit，首部检验和。

  • Source IP Address：32 bit，源 IP 地址。

  • Destination IP Address：32 bit，目的IP地址。

  • Options：可变，选项字段。

  • Padding：可变，填充字段，全填0。

IPv4 地址介绍

IP 地址分类（有类编制）

为了方便IP地址的管理及组网，IP地址分成五类：

  • A、B、C、D、E类的类别字段分别是二进制数0、10、110、1110、1111，通过网络号码字段的前几个比特就可以判断IP地址属于哪一类，这是区分各类地址最简单的方法。

  • A、B、C三类地址是单播IP地址 (除一些特殊地址外)，只有这三类地址才能分配给主机接口使用。

  • D类地址属于组播 IP 地址。

  • E类地址专门用于特殊的实验目的。

本节内容，只关注A、B、C三类地址。

A、B、C类地址比较：

  • 使用 A 类地址的网络称为 A 类网络；使用 B 类地址的网络称为 B 类网络；使用 C 类地址的网络称为 C 类网络。

  • A 类网络的网络号为 8 bit，个数很少，但所允许的主机接口的个数很多；首位恒定为 0，地址空间为：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255。

  • B 类网络的网络号为 16 bit，介于A类和C类网络之间；首两位恒定为10，地址空间为：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255。

  • C 类网络的网络号为 24 bit，个数很多，但所允许的主机接口的个数就很少；首三位恒定为 110，地址空间为：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255。

注：

  • 主机 (Host)，通常指路由器和计算机的统称。并且常把主机的某个接口的IP地址简称为主机IP地址。

  • 组播地址：组播能实现一对多传递消息。

特殊 IP 地址

特殊 IP 地址地址范围作用
有限广播地址255.255.255.255可作为目的地址，发往该网段所有主机（受限于网关）
任意地址0.0.0.0“任何网络”的网络地址；“这个网络上这个主机接口”的 IP 地址
环回地址127.0.0.0/8测试设备自身的软件系统
本地链路地址169.254.0.0/24当主机自动获取地址失败后，可使用该网段中的某个地址进行临时通信

子网划分

为什么要划分子网

  • 一个B类地址用于一个广播域，地址浪费。

  • 广播域太庞大，一旦发生广播，内网不堪重负

  • 将一个网络号划分成多个子网，每个子网分配给一个独立的广播域。如此一来广播域的规模更小、网络规划更加合理。IP 地址得到了合理利用。

如何进行子网划分

  • 现在，将原有的24位网络位向主机位去“借”1位，这样网络位就扩充到了25位，相对的主机位就减少到了7位，而借过来的这1位就是子网位，此时网络掩码就变成了25位，即255.255.255.128，或/25。

  • 子网位：可取值0或取值1，则得到了两个新的子网。

  • 通过计算可知，现在网络中，有128个IP地址。

ICMP 协议

Internet 控制消息协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)是 IP 协议的辅助协议。

为了更有效地转发 IP 数据报文和提高数据报文交互成功的机会，在网络层使用 ICMP 协议。ICMP 允许主机或设备报告差错情况和提供有关异常情况的报告。

ICMP消息：

ICMP 消息封装在 IP 报文中，IP 报文头部 Protocol 值为 1 时表示 ICMP 协议。

字段解释

  • ICMP 消息的格式取决于 Type 和 Code 字段，其中 Type 字段为消息类型，Code 字段包含该消息类型的具体参数。

  • 校验和字段用于检查消息是否完整。

  • 消息中包含 32 bit 的可变参数，这个字段一般不使用，通常设置为 0。

  • 在 ICMP 重定向消息中，这个字段用来指定网关 IP 地址，主机根据这个地址将报文重定向到指定网关。

  • 在 Echo 请求消息中，这个字段包含标识符和序号，源端根据这两个参数将收到的回复消息与本端发送的 Echo 请求消息进行关联。尤其是当源端向目的端发送了多个 Echo 请求消息时，需要根据标识符和序号将 Echo 请求和回复消息进行一一对应。

TypeCode描述
00Echo Reply
30网络不可达
31主机不可达
32协议不可达
33端口不可达
50重定向
60Echo Request

ICMP 重定向

ICMP 重定向报文是 ICMP 控制报文中的一种。在特定的情况下，当路由器检测到一台机器使用非最优路由的时候，它会向该主机发送一个 ICMP 重定向报文，请求主机改变路由。

ICMP 重定向过程：

  1. 主机 A 希望发送报文到服务器 A，于是根据配置的默认网关地址向网关 RTB 发送报文。

  2. 网关 RTB 收到报文后，检查报文信息，发现报文应该转发到与源主机在同一网段的另一个网关设备 RTA，此转发路径是更优的路径，所以 RTB 会向主机发送一个 Redirect 消息，通知主机直接向另一个网关 RTA 发送该报文。

  3. 主机收到 Redirect 消息后，会向 RTA 发送报文，然后 RTA 会将该报文再转发给服务器 A。

IPv4 地址配置及基本应用

例：配置物理接口地址

物理接口：物理接口是指网络设备上实际存在的接口，分为负责承担业务传输的业务接口和负责管理设备的管理接口，例如 GE 业务接口和 MEth 管理接口。

[RTA] interface gigabitethernet 0/0/1
[RTA-GigabitEthernet0/0/1] ip address 192.168.1.1 255.255.255.0

或

[RTA-GigabitEthernet0/0/1] ip address 192.168.1.1 24

例：配置逻辑接口

逻辑接口是指能够实现数据交换功能但物理上不存在、需要通过配置建立的接口，需要承担业务传输，例如 VLANIF 接口、Loopback 接口。

Loopback 接口：用户需要一个接口状态永远是 Up 的接口的 IP 地址时，可以选择 Loopback 接口的IP地址。

  • Loopback 接口一旦被创建，其物理状态和链路协议状态永远是 Up，即使该接口上没有配置 IP 地址。

  • Loopback 接口配置 IP 地址后，就可以对外发布。Loopback 接口上可以配置 32 位掩码的 IP 地址，达到节省地址空间的目的。

  • Loopback 接口不能封装任何链路层协议，数据链路层也就不存在协商问题，其协议状态永远都是 Up。

  • 对于目的地址不是本地 IP 地址，出接口是本地 Loopback 接口的报文，设备会将其直接丢弃。

      [RTA] interface LoopBack 0
  [RTA-LoopBack0] ip address 1.1.1.1 255.255.255.255

或

[RTA-LoopBack0] ip address 1.1.1.1 32
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