計網學習筆記七 IP protocol basic

在這一節講了IP協定的基本內容：包括IPv4提供的操作、資料包在IPv4下是怎麼樣的結構、資料包是怎樣切片傳送的、IPv4的編址方式有什麼……IPv6在下一節講網路層協定簇時細講。

IPv4協定的具體定義：RFC 791

Internet的地址分類

• 按地址層級：

  • 物理上的網路地址：區分物理介面，同一個區域網，一跳可達，用於在單個物理網路內路由PDU

  • 網際網路地址：全球可達，地址數量跟介面數量相關，例如IP地址，用於在多個網路間路由PDU

  • 應用層地址：程序地址，即埠

• 按地址範圍：

  • 全球地址：即在全球範圍內獨一無二用以區分host的地址，路由器允許有多個這種地址（還是看介面數量）；
  • 網路附件地址：用來在特定的網路中區分裝置，例如 MAC 地址或 ATM host 地址；
  • 埠地址：在host系統中獨一無二，用來區分程序。

• 按定址方式：

  • 單播地址（最常見的unicast MAC，IP）
  • 廣播地址（全FF）；
  • 多播地址（每天在家看電視看直播時，就有多播地址的應用：多個使用者看cctv1，就發多播地址給這幾個人）
  • 任意播地址（假設百度有一千個站點，不用在南京時記住南京的百度地址，在北京時記住北京的，只需要用任播地址就可以就近存取）

IP Operation

IP的操作大體上可以被劃分為5種。

Routing

• host和router都持有路由轉發表。轉發表指明瞭當前資料包要送達的下一個路由器，這個表既是靜態的——可能存在不同的路由路線，又是動態的——需要對擁塞和錯誤進行靈活響應；

• 路由需要用到的路由策略有：Distance vector, Link state, Path vector。在這裡暫時不深入介紹；

• 傳送方可以指定路由為要遵循的路由器的順序列表；

• 路由器可以做到路由記錄。

Datagram lifetime

資料包可能會因為環路而一直在傳播，同時route需要基於先前的網路資訊進行，還有TCP也需要基於資料包的生存週期來決定執行方式；所以我們需要設定資料包在網路中的生存週期——TTL（Time To Live）。

最簡單的TTL有hop count（根據跳數來計時）。

Fragmentation and re-assembly

PS：下面有詳細的介紹。

當資料包的長度超過了MTU（最大傳輸unit）時，需要對資料包進行切片傳送，以及切片到達目的地時進行重組。早期做法為不做全球控制，讓路由器有分片功能，切了就傳送。

處理分片重組出錯：利用重組超時機制，或者每個分片都加上一個TTL。

Error control

不監測傳播過程。由於checksum檢查或者TTL expired等事件發生，路由器需要通知src資料包「去了資料包天國」；用ICMP來返回錯誤資訊，src的I網路層收到資訊後同時需要通知高層。

Flow control

流控使路由器可以控制資料流入速率。路由器buffer滿了路由器就丟棄新進來的包，同時給src傳送」停止「通知（用ICMP）。

IPv4 Packet Structure

IPv4有很多blog都幫忙精讀過了，所以也不在這寫太多生產資料垃圾……想要仔細研究的話可以去看RFC 791原文，在這裡中貼一點簡要的圖例，給自己簡單覆盤用：

在這裡要注意的是，資料包在IPv4下的最大長度為65535個位元組，包括頭部欄位和資料欄位。

IP Fragmentation

並不是所有的鏈路層協定都能承載相同長度的網路層packet，有的協定能承載很大的資料包，有的則很小，如乙太網幀最大位元長度為1500位元組，而有的只能到576位元組，這個最大承載資料量用最大傳輸單元MTU來表示。

所以MTU大大限制了上一層網路層datagram的長度。當路由器中某條出鏈路的MTU比當前要轉發的IP datagram小時，IP datagram是無法一次性在這條出鏈路上成功傳輸的。解決辦法就是把該IP datagram切片成多個小資料包，再經過鏈路層封裝後進行傳輸。切片後的資料包被稱為fragment。

各個fragment送達destination後需要重新組裝成原來的datagram，組裝必須在datagram送到傳輸層前完成。

如果不在destination進行組裝而是在路由器進行，會對路由器產生極大的負擔，而且後面還有可能需要繼續切片，複雜性極大。

組裝任務通過識別IP datagram中的三個欄位來完成：identification、flags、fragment offset。

identification即標識號，是在host生成datagram時貼上去的，每生成一個值就加一，protocal、src addr、dest addr、identification四個欄位共同確定一個獨一無二的datagram。

flags即標誌位，由於IP服務是「盡力而為」的，所以不能確保所有fragment都能到達目的地；要讓目的地確定接收已經完成（即使fragment沒有全部到達，也要有一個機制讓host確定已經收到了最後的一個fragment，結束漫長的等待），就將最後一個fragment的flags的MF位置為1，其餘fragment的MF位為0。

fragment offset即偏移欄位，可以用來確定該fragment在原來的datagram的哪個位置，同時讓dest host確定是否丟失了fragment。

一個直觀的圖例如下：

PS：有一個有意思的小問題：fragment再被切片會怎麼樣？

RFC 791對fragmentation操作的原文。

IP Address

IP地址長度32位元，可以劃分為network部分和host部分（劃分標準是不定的，看你劃在第幾位）；在地址的分配上，是一個鏈路介面與一個IP地址相關聯，而不是一個host或一個路由器。

在圖中我們可以看到有三個「子網」，要注意的是子網含有的不只有host，還有路由器的介面，這其實意味著子網是按照介面來分的。RFC950中寫了對「子網」(subnet)的定義：Internet Standard Subnetting Procedure。在這裡，我們引入子網掩碼(subnet mask)的概念。像綠色部分的子網，它的子網地址就是223.1.1.0/24，其中的24就是子網掩碼，指示了高24位元是network部分，是屬於網路地址。

上週有一篇博文做了對IP編址的一些總結，就放在這裡：20張圖說清楚 IP 協定 ；裡面講了早期IP地址分配策略，包括classful addressing（分類編制方式）和現在使用的CIDR（無類別域間路由選擇）。

CIDR

在CIDR分配策略中，子網定址的概念被一般化：IP地址由子網掩碼被劃分成兩個部分，形式為a.b.c.d/x，其中x指示了地址中的最高x位為network部分，也被稱為字首prefix。

一個ISP可以被看成一組子網的集合——它可以給使用它服務的企業、高校等劃分Intranet，這個過程被稱為Hierarchical addressing（分層編址）。如下圖所示：ISP手持最大的20位子網，然後剩下的12位元可以供它任意分配，於是它又把20~23位分給了8個組織，組織可以利用後面的9位host部分自由分配給組織裡面的主機。

採用CIDR的好處就是可以很方便地實現路由聚合。由於子網內部的host通常被分配一塊連續的地址，即字首相同，則當路由器轉發一個datagram進來時，在轉發表中就像上一節說的那樣，僅僅需要考慮prefix即可。

要注意的是，後面的32-x位為host部分，這部分並不是有2^(32-x)個地址可以用——需要留出全0的地址作為子網地址，還有全1的地址用來做廣播地址。

Classful addressing

分類編址方案將IP地址分為五類，詳細的已有前人總結（上面的連結），在這裡只放一些圖示，用來給自己快速覆盤：

A類地址：目前已經被全部瓜分

PS：A類地址中有一個很重要的迴環地址：127.0.0.1，這裡有較為詳細的介紹。

B類地址：同樣也被全部瓜分^^

C類地址：接近瓜分完畢

其實分類編制方案也可以用子網掩碼的視角看待，如下圖：