计算机网络-网络层（1）IPv4和IPv6

IPv4数据报格式：

• 版本号

这4比特规定了数据报的IP 协议版本。通过查看版本号，路由器能够确定如何解释IP数据报的剩余部分。

• 首部长度

以4字节为单位，没有选项的首部长度为5*4=20字节

• 服务类型

8bit服务类型(TOS)字段，使不同类型的IP数据报能相互区别开来。

例如一些特别要求低时延、高吞吐量或可靠性的数据报，应用于IP电话应用的实时数据报和应用于FTP应用的非实时流量

一般不用，为0

• 数据报长度（字节）

IP分组可以封装的最大字节数：65535-20=65515B

• 16比特标识

一个链路层帧能承载的最大数据量叫做最大传送单元MTU

路由器从某条链路收到一个IP数据报，通过检查转发表确定出链路，并且该出链路的MTU比该IP数据报的长度要小，则将IP数据报中的数据分片成两个或更多个较小的片(fragment)

IP分片到达目的主机后进行重组，缺失分片后会等待一段时间，然后全部丢弃

IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识，配合源IP地址、目的IP地址、协议等进行分组唯一标识

• 标志位

1位保留

DF =1禁止分片；DF =0允许分片

MF =1非最后一片；MF =0最后一片(或未分片)

• 片偏移

指定该片应放在初始IP数据报的相对偏移量（以8字节为单位）

• 生存时间(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

• 上层协议

指示IP分组封装的是哪个协议的数据包，以实现复用/分解

6为TCP，表示封装的为TCP段；17为UDP，表示封装的是UDP数据报

• 首部检测和

计算校验和时，该字段置全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

• 32比特源和目的IP地址
• 选项

选项字段占长度可变，范围在1~40B之间

携带安全、源选路径、时间戳和路由记录等内容

实际上很少使用

• 填充

补齐整个首部，符合32位(4字节)对齐

 

IP编址：

接口(interface)是主机/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；主机通常只有两个接口 (有线的以太网接口，无线的802.11接口)

A类2⁷-2个网络（0和127不可指派）

B类2¹⁴-1个网络（128.0不可指派）

C类2²¹-1个网络（192.0.0不可指派）

D类：多播地址

E类：保留为今后使用

特殊IP地址：

私有IP地址：

IP子网：IP地址具有相同网络号的设备接口，不跨越路由器（第三及以上层网络设备）、可以彼此物理连通的接口

通过子网划分，可以区分一个比IP子网更小范围的子网，把网络号、主机号划分为网络号、子网号、主机号

利用子网掩码确定是否划分了子网、利用多少位划分子网

 

无类域间路由(CIDR: Classless InterDomain Routing)网络号+子网号→任意长度网络前缀

消除传统的 A 类、B 类和 C 类地址界限，提高IPv4地址空间分配效率

进行路由聚合，减少了在这些路由器中转发表的长度（缺省路由可以写作目的网络IP地址0.0.0.0，子网掩码0.0.0.0）

将多个子网聚合为一个较大的子网，构造超网（supernetting），提高路由效率

 

IPv6数据报格式：

固定40字节的基本首部：

• 版本
• 流量类型

类似IPv4的TOS字段

• 流标签

标识同一个流中的数据报。该字段可用于“给属于特殊流的分组加上标签，这些特殊流是发送方要求进行特殊处理的流，如一种非默认服务质鼠或需要实时服务的流。

• 有效载荷长度

最大2^16=64KB

• 下一个首部

该字段标识数据报中的内容（数据字段）需要交付给哪个协议（如TCP或UDP) 。

该字段使用与IPv4 首部中协议字段相同的值。

• 跳限制
• 源地址和目的地址

地址形式为1080:0:FF:0:8:800:200C:417A

0可以用::压缩（不能压缩两次）

IPv4-嵌入形式为0:0:0:0:0:FFFF:13.1.68.3

IPv6不再使用掩码，地址前缀为2002:43c:476b::/48

 

此外：

（1）IPv6 不允许在中间路由器上进行分片与重新组装。这种操作只能在源与目的地上执行。

（2）首部校验和被彻底移除，以减少每跳处理时间

（3）选项字段不再是标准IP首部的一部分，而是可能出现在IPv6 首部中由“下一个首部”指出的位置上。这就是说，就像TCP 或UDP 协议首部能够是IP 分组中的“下一个首部”，选项字段也能是“下一个首部＂ 。删除选项字段使得IP 首部成为定长的40 字节。

（4）ICMPv6 还增加了新的类型和编码。其中包括“分组太大”类型与“未识别的IPv6选项“错误编码。另外， ICMPv6还包含了因特网组管理协议(IGMP) ，用于管理主机加入和离开多播组，它在IPv4中曾是一个与ICMP分开的独立协议。

 

从IPv4迁移到IPv6的两种双栈方法：

（1）IPv6结点还具有完整的IPv4实现。

这样的结点被称为IPv6/IPv4 结点，它有发送和接收IPv4与IPv6两种数据报的能力。

当与IPv4结点互操作时，IPv6/IPv4结点可使用IPv4数据报；当与IPv6 结点互操作时，它又能使用IPv6 。

IPv6/IPv4结点必须具有IPv6与IPv4两种地址。此外，它们还必须能确定另一个结点是否是IPv6使能的或仅IPv4使能的。

这个间题可使用DNS来解决，若发出DNS请求的结点和要解析的结点名字都是IPv6使能的，则DNS 会返回一个IPv6 地址。

IPv6数据报的数据字段可被复制到IPv4数据报的数据字段中，并且要做适当的地址映射。然而，在执行转换时，一些IPv6特有的字段信息将会丢失。因此，最后到达目的结点的数据报可能并不含有初始结点IPv6数据报中的所有字段。

（2）建隧道。

IPv6数据报作为IPv4数据报的载荷进行封装，穿越IPv4网络

隧道接收端的IPv6结点最终收到该IPv4数据报（它是该IPv4数据报的目的地），并确定该IPv4数据报含有一个IPv6 数据报，于

是从中取出IPv6数据报，然后再为该IPv6 数据报提供路由，就好像它是从一个直接相连的IPv6邻居那里接收到该IPv6 数据的一样。