计算机网络(四)网络层

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

链路层数据帧可封装数据的上限称为最大传送单元MTU

标识：同一数据报的分片使用同一标识。

中间位DF（Don’t Fragment）：

最低位MF（More Fragment）：

片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。以8B为单位。除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B的整数倍。

IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。IP地址::={<网络号>,<主机号>}

有一些IP地址是不能用的，有其特殊的作用，如：

网络地址转换NAT（Network Address Translation）：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

此外，为了网络安全，划分出了部分IP地址和私有IP地址，私有IP地址网段如下：

路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发。

分类的IP地址的弱点：

某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分。

路由器转发分组的算法：

无分类域间路由选择CIDR：

CIDR记法：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数。eg 12814320/20

CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。

使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果（跟网络掩码按位相与），应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。方法：将网络前缀缩短（所有网络地址取交集）。

由于在实际网络的链路上传送数据帧时，最终必须使用MAC地址。

ARP协议：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。

ARP协议使用过程：

ARP协议4种典型情况：

动态主机配置协议DHCP是 应用层 协议，使用 客户/服务器 方式，客户端和服务端通过 广播 方式进行交互，基于 UDP 。

DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址，允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。

DHCP工作流程如下：

ICMP协议支持主机或路由器：包括差错（或异常）报告和网络探询，分部发送特定ICMP报文

ICMP差错报告报文（5种）：

不应发送ICMP差错报文的情况：

ICMP询问报文:

ICMP的应用：

32位IPv4地址空间已分配殆尽，这时，可以采用更大地址空间的新版本的IPv6，从根本上解决地址耗尽问题

IPv6数据报格式如下图

IPv6的主要特点如下：

IPv6地址表示形式：

零压缩：一连串连续的0可以被一对冒号取代。双冒号表示法在一个地址中仅可出现一次。

IPv6基本地址类型：

IPv6向IPv4过渡的策略：

R1的路由表/转发表如下：

最佳路由：“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。

路由算法可分为

由于因特网规模很大且许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网，可以采用自治系统来解决

自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。

路由选择协议

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。

RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离 [1] 记录（即一组距离）。 RIP协议只适用于小互联网。

RIP是应用层协议，使用 UDP 传送数据。一个RIP报文最多可包括25个路由，如超过，必须再用一个RIP报文传送。

RIP协议的交换

路由器刚开始工作时，只知道直接连接的网络的距离（距离为1），接着每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。

经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址，即“收敛”。

RIP的特点：当网络出现故障时，要经过比较长的时间(例如数分钟) 才能将此信息传送到所有的路由器，“慢收敛”。

对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，修改此报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址改为X，并把所有的“距离”字段+1。

开放最短路径优先OSPF协议：“开放”标明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的；“最短路径优先”是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF。OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议。 OSPF直接用IP数据报传送。

OSPF的特点：

为了使OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。每一个区域都有一个32 位的区域标识符（用点分十进制表示）。区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过200 个。

BGP 所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列AS。当BGP 发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP 发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各AS 的较好路由。

一个BGP 发言人与其他自治系统中的BGP 发言人要交换路由信息，就要先建立TCP 连接，即通过TCP传送，然后在此连接上交换BGP 报文以建立BGP 会话(session)，利用BGP 会话交换路由信息。 BGP是应用层协议，借助TCP传送。

BGP协议特点:

BGP-4的四种报文

组播提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）。

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址（一群共同需求主机的相同标识）。

组播地址范围为224000～239255255255（D类地址），一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。

同单播地址一样，组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到的。

TCP/IP 协议使用的以太网多播地址的范围是:从01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF

收到多播数据报的主机，还要在IP 层利用软件进行过滤，把不是本主机要接收的数据报丢弃。

ICMP和IGMP都使用IP数据报传递报文。组播路由器知道的成员关系只是所连接的局域网中有无组播组的成员。

IGMP工作的两个阶段：

只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的；如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。

组播路由协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。构造树可以避免在路由器之间兜圈子。对不同的多播组对应于不同的多播转发树；同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。

组播路由选择协议常使用的三种算法：

移动IP技术是移动结点(计算机/服务器等)以 固定的网络IP地址 ，实现跨越不同网段的 漫游 功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。

若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。 路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。

路由器(网络层)可以互联两个不同网络层协议的网段。

网桥(链路层)可以互联两个物理层和链路层不同的网段。

集线器(物理层)不能互联两个物理层不同的网段。

路由表根据路由选择算法得出的，主要用途是路由选择，总用软件来实现。

转发表由路由表得来，可以用软件实现，也可以用特殊的硬件来实现。转发表必须包含完成转发功能所必需的信息，在转发表的每一行必须包含从要到达的目的网络到输出端口和某些MAC地址信息的映射。

第一步，在一台工作站上安装Norton Ghost 75企业版(含网络多播GhostCast Server软件)。

第二步，创建安装模板。在这台计算机上安装Windows操作系统(其他操作系统可作相应调整)，还可以安装各种应用程序，并对整个系统进行适当的设置和调整。

第三步，使用Ghost制作模板计算机的磁盘映像文件。

第四步，安装多播服务器。在Windows系统环境下，从Symantec Ghost程序组中找到一个名为“GhostCast Server”的快捷方式。这个快捷方式可以对应硬盘上的Ghostsrvexe文件，执行它即可启动服务器的Windows版本。DOS环境下需要先生成多播服务器引导盘。运行程序组中的“Ghost Boot Wizard”磁盘创建向导，创建一张可引导机器的、保存有DOS版本多播服务器程序的软盘。其中的多播服务器主程序即Dosghsrvexe。

第五步，制作工作站启动盘。仍然运行程序组中的“Ghost Boot Wizard”，选择“Network Boot Disk”。但进行到选择客户端类型(Client Type)的对话框时，与前面制作服务器端的引导盘不相同。这里要选择“Symantec Ghost”。 然后设置工作站机器的IP地址、子网掩码及网关地址。后面的操作与前面制作服务器引导盘的操作完全相同，只需克隆即可完成。

第六步，开始多播。将所有需要进行多播克隆的工作站用前面准备好的工作站引导盘引导启动，并保证其与服务器的连通正常，然后开始设 如果直接执行Dosghsrvexe文件，则需要先在Session Name(会话名称)处输入任意会话名(如CLONE98);接着在Image(gho映像文件)处输入或按“Browse”按钮选择所要多播的映像文件(如D:\ WIN98GHO);再“Disk”(磁盘)和“Partition”(分区)中选择一个选项，并在其下拉列表中选中合适的磁盘或分区;最后按Accept Client(接受客户)。一切就绪后，在多播服务器上单击“Send”按钮，即可开始多播克隆。

应用程序通过命令字IP_ADD_MEMBERSHIP把一个socket加入到一个多播组，IP_ADD_MEMBERSHIP是一个IP层的命令字，其调用使用的参数是结构体struct ip_mreq，其定义如下：

struct ip_mreq

{

struct in_addr imr_multiaddr;

struct in_addr imr_interface;

};

该结构体的两个成员分别用于指定所加入的多播组的组IP地址，和所要加入组的那个本地接口的IP地址。该命令字没有源过滤的功能，它相当于实现IGMPv1的多播加入服务接口。

ip_setsockopt实现了该命令字，它通过调用ip_mc_join_group把socket加入到多播组。

表示socket的结构体struct inet_sock有一个成员mc_list，它是一个结构体struct ip_mc_socklist的指针，实际上一个该结构体的链表，该结构体的定义如下：

struct ip_mc_socklist

{

struct ip_mc_socklist next;

struct ip_mreqn multi;

unsigned int sfmode;

struct ip_sf_socklist sflist;

};

next指向链表的下一个节点；multi表示组信息，即在哪一个本地接口上，加入到哪一个多播组；sfmode是过滤模式，取值为

MCAST_INCLUDE或MCAST_EXCLUDE，分别表示只接收sflist所列出的那些源的多播数据报，和不接收sflist所列出的那些源

的多播数据报；sflist是源列表，结构体struct ip_sf_socklist的定义如下：

struct ip_sf_socklist

{

unsigned int sl_max;

unsigned int sl_count;

__u32 sl_addr[0];

};

sl_addr是源地址列表，sl_count应该是源地址列表中源地址的数量，sl_max应该是当前sl_addr数组的最大可容纳量(不确定)。对

于通过调用IP_ADD_MEMBERSHIP加入的多播组，它会在struct inet_sock的mc_list的链表头添加如下一个节点：

struct ip_mc_socklist{

next = 原来的链表头;

multi = 所加入的多播组，和接口信息;

sfmode = MCAST_EXCLUDE;

sflist = NULL; 即不排除任何源地址，也就是不存在源过滤。

}

另外，一个socket所允许加入的多播组的最大数量也是有限制的，mc_list中节点的数量不允许超过sysctl_igmp_max_memberships(缺省为20)。

ip_mc_join_group还需要通过ip_mreqimr_interface的指定值找到要加入多播组的那个接口，并为接口设置状态(即该接

口要加入哪个多播组，过滤哪些源，也就是为该接口增加一个组，如果要增加的组已存在，则增加该组的引用计数)。代表网络设备接口的结构体struct

in_device有一个成员mc_list，这是一个结构体struct ip_mc_list的链表，该结构体的定义如下：

struct ip_mc_list

{

struct in_device interface;

unsigned long multiaddr;

struct ip_sf_list sources;

struct ip_sf_list tomb;

unsigned int sfmode;

unsigned long sfcount[2];

struct ip_mc_list next;

struct timer_list timer;

int users;

atomic_t refcnt;

spinlock_t lock;

char tm_running;

char reporter;

char unsolicit_count;

char loaded;

unsigned char gsquery;

unsigned char crcount;

};

interface指向网络设备接口，multicast即为加入的组的多播地址，users记录当前有几个socket在该接口上加入了该多播组。

sfcount是一个有两个元素的数组，分别记录在该接口上加入多播组的socket的过滤模式为EXCLUDE和INCLUDE的数量，sfmode为

该接口本身的过滤模式。sources为源地址列表，该结构体具体内容稍后再分析。timer为主动报告定时器，当一个接口(注意：不是socket)新

加入到一个多播组，需要向多播路由器发送一个igmp报告，以通知多播路由器需要向本地网络转发该组的数据报。tm_running是一个标志，如果

timer当前正在运行，则置1，否则置0。reporter也是一个标志，如果当前正要开始发送igmp报告，则置该标志为1，否则为0。

unsolicit_count是当一个接口新加入到一个多播组时，发送主动报告的次数，值赋为

IGMP_Unsolicited_Report_Count(缺省值为2)。loaded也是一个标志，当该接口上的该多播组被加入时，需要通知硬件过

滤器，通知完成即置该标志为1，否则为0。

该结构体比较复杂，先看通过IP_ADD_MEMBERSHIP命令字把一个socket加入到一个新的多播组，会使struct in_device的mc_list中增加一个什么样的节点。下面是生成的节点的情况：

struct ip_mc_list{

interface = in_dev;

multiaddr = 多播组地址;

source = NULL; //源过滤列表为空。

tomb = NULL;

sfmode = MCAST_EXCLUDE; //EXCLUDE模式，即不过滤任何源。

sfcount[MCAST_EXCLUDE] = 1;

sfcount[MCAST_INCLUDE] = 0;//即该节点上该多播组有一个socket加入，过滤模式为EXCLUDE。

users = 1; //有一个用户。

refcnt = 1; //引用计数为1

tm_running = 0;

unsolicit_count = 2;

}

新生成的节点加入到mc_list链表中后，要通知网络设备接口的硬件，以使它的过滤机制可以接收进该多播组的数据报，同时也要通知多播路由器。

首先要把多播地址映射成以太网地址，映射规则是把多播IP地址的低23位放到以太网多播地址01-00-5E-00-00-00(16进制)的低23位。

因为一个IP组地址有28位有效位(除去高位的1110)，所以有可能出现多个组地址被映射成同一个以太网多播地址，具体实现见

ip_eth_mc_map。然后把这个mac地址加到硬件的过滤机制中。

具体的实现在函数dev_mc_add中。代表网络设备接口的结构体struct net_device也有一个成员mc_list，它是一个结构体struct dev_mc_list的链表，该结构体的定义如下：

struct dev_mc_list

{

struct dev_mc_list next;

__u8 dmi_addr[MAX_ADDR_LEN];

unsigned char dmi_addrlen;

int dmi_users;

int dmi_gusers;

};

next指向链表下一个节点，dmi_addr是多播mac地址，dmi_addrlen为多播mac地址的长度，dmi_users是在节点被重复到加

入到设备上的次数，struct

net_device还有一个成员mc_count，用于记录链表中节点的数量。dev_mc_add创建一个新的struct

dev_mc_list节点，加入到链表中，并通过调用网络设备接口的成员函数set_multicast_list来启用设备的过滤机制。

最后一步发送主动成员报告，这里，首先忽略IGMPv1和IGMPv2存在的情况。如果要加入的多播组是

IGMP_ALL_HOSTS(224001)，则不需要发送成员报告。否则启用定时器struct

in_device->mr_ifc_timer(接口状态改变定时器)，该定时器在设备初始化的时候被建立，其超时处理函数是

igmp_ifc_timer_expire，它发送一个IGMPv3的报告，然后再次启用定时器。也就是说，第一个主动成员报告立即发出，然后在一个0

到IGMP_Unsolicited_Report_Interval(缺省为10秒)之间的一个时间后，发出第二个主动成员报告，连续发出

IGMP_Unsolicited_Report_Count(缺省值为2)个。

测试环境中要加入的多播组是224011，发出的IGMPv3报告如下：

数据 含义

22 第3版成员关系报告

00 8bit保留，必须为0

f8 fc 校验和

00 00 16bit保留，必须为0

00 01 组记录的数量，为1

下面为一条组记录：

04 类型为CHANGE_TO_EXCLUDE_MODE，改变到EXCLUDE过滤模式

00 辅助数据长度

00 00 源地址的数量

e0 00 01 01 组地址224011

原文地址: http://wwwcnblogscom/gaoxing/archive/2012/02/19/2358484html

除地址类别外，还可根据传输的消息特征将IP地址分为单播、广播或多播。主机使用IP地址进行一对一（单播）、一对多（多播）或一对所有（广播）的通信。

单播地址是IP网络中最常见的。包含单播目标地址的分组发送给特定主机，一个这样的例子是，IP地址为19216815（源地址）的主机向IP地址为1921681200（目标地址）的服务器请求网页，如图58所示。

要发送和接收单播分组，IP分组报头中必须有一个目标IP地址，而以太网帧报头中必须有相应的目标MAC地址。IP地址和MAC地址一起将数据传输到特定的目标主机。

如果目标IP地址属于另一个网络，则在帧中使用的目标MAC地址将为与源IP地址位于同一个网络中的路由器接口的MAC地址。

广播分组的目标IP地址的主机部分全为1，这意味着本地网络（广播域）中的所有主机都将接收并查看该分组。诸如ARP和DHCP等很多网络协议都使用广播。

C类网络19216810的默认子网掩码为2552552550，其广播地址为1921681255，其主机部分为十进制数255或二进制数11111111（全为1）；

B类网络1721600的默认子网掩码为25525500，其广播地址为17216255255；

A类网络10000的默认子网掩码为255000，其广播地址为10255255255。

在以太网帧中，必须包含与广播IP地址对应的广播MAC地址。在以太网中，广播MAC地址长48位，其十六进制表示为FF-FF-FF-FF-FF-FF。图59所示的是一个广播IP分组。

多播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个多播组IP地址，多播地址范围为224000～239255255255。由于多播地址表示一组设备（有时被称为主机组），因此只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。

远程游戏就是一个使用多播地址的例子，很多玩家通过远程连接玩同一个游戏；另一例子是通过视频会议进行远程教学，其中很多学生连接到同一个教室。还有一个例子是硬盘映像应用程序，这种程序用于同时恢复众多硬盘的内容。

同单播地址和广播地址一样，多播IP地址也需要相应的多播MAC地址在本地网络中实际传送帧。多播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余 下的6个十六进制位是根据IP多播组地址的最后23位转换得到的。一个MAC多播地址是01-00-5E-0F-64-C5，如图510所示。每个十六 进制位相对于4个二进制位。