IP Protocol

intro

OSI模型23

网络层功能

IP 寻址
选路
封装打包
分片

数据链路层功能

逻辑链路控制
媒体访问控制
封装链路层帧
MAC 寻址
差错检测与处理
定义物理层标准

细腰结构：IP 网络层的核心地位

性能至上的 IP 层
- 无连接
- 非可靠
- 无确认

多播：广播与组播

全球作用域
组织内
场点内
本地链路层
本机作用

路由器与交换机

Switch and Router

工作在网络层的路由器
- 连接不同网络的设备
工作在数据链路层的交换机
- 同一个网络下连接不同主机的设备

IPv4 分类地址

易用性：IPv4 地址的点分十进制表示

32 位二进制数
IP 地址空间：2^32 个

IP 地址的分配机构

层层分配的 IP 地址

IPv4地址分类

IPv4地址分类

分类 IP 地址的优点

简单明了
具有 3 个级别的灵活性
选路(基于网络地址)简单

分类 IP 寻址的问题

缺少私有网络下的地址灵活性：同一个网络下没有地址层次
3 类地址块太少，无法与现实网络很好的匹配

CIDR无分类地址

CIDR 子网掩码

CIDR
- Classless Inter-Domain Routing
表示方法
- A.B.C.D/N，N 范围[0, 32]

CIDR 子网划分示例

71.94.0.0/15
- 多级子网划分

寻址历程示例

208.130.29.33 的寻址历程

MCI 分配到了 208.128.0.0/11
MCI 将 208.130.28.0/22 分配给ARS
ARS 将 208.130.29.0/22 分配给Public Servers 使用
www.freesoft.org 使用了208.130.29.33 地址

全 0 或者全 1 的特殊含义

预留 IP 地址(RFC1918)

ARP与RARP

IP 地址与链路地址的转换：ARP 与 RARP 协议

链路层 MAC 地址

链路层地址 MAC(Media Access Control Address)
- 实现本地网络设备间的直接传输
网络层地址 IP(Internet Protocol address)
- 实现大型网络间的传输，
查看 MAC 地址
- Windows: ipconfig /all
- Linux：ifconfig

ARP

2.5 层协议 ARP：从 IP 地址寻找 MAC 地址

动态地址解析协议 ARP(RFC826)
- Address Resolution Protocol
动态地址解析：广播

ARP的工作流程

检查本地缓存
- Windows: arp –a
- Linux: arp –nv
- Mac: arp -nla
广播形式的请求
单播形式的应答

ARP 报文格式：FrameType=0x0806

硬件类型，如 1 表示以太网
协议类型，如 0x0800 表示 IPv4
硬件地址长度，如 6
协议地址长度，如 4 表示 IPv4
操作码，如 1 表示请求，2 表示应答
发送方硬件地址
发送方协议地址
目标硬件地址
目标协议地址

硬件类型与操作码

硬件类型与操作码

RARP

2.5 层协议 RARP：从 MAC 地址中寻找 IP 地址

动态地址解析协议 RARP(RFC903)
- Reverse Address Resolution Protocol

RARP的工作流程

广播形式的请求
单播形式的应答

RARP 报文格式：FrameType=0x8035

硬件类型，如 1 表示以太网
协议类型，如 0x0800 表示 IPv4
硬件地址长度，如 6
协议地址长度，如 4 表示 IPv4
操作码，如 3 表示请求，4 表示应答
发送方硬件地址
发送方协议地址
目标硬件地址
目标协议地址

ARP 欺骗(ARP spoofing/poisoning)

NAT与LVS

Network Address Translation 应用的前提

内网中主要用于客户端访问互联网
同一时间仅少量主机访问互联网
内网中存在一个路由器负责访问外网

单向(向外)转换 NAT：动态映射

NAPT 端口映射：Network Address Port Translation

双向(向内)NAT：IP 地址静态映射

LVS(Linux Virtual Server)/NAT 工作模式

NAT 优缺点

优点

共享公共 IP 地址，节约开支
扩展主机时不涉及公共地址
更换 ISP 服务商(更换公网 IP 地址)，不对主机地址产生影响
更好的安全性，外部服务无法主动访问内网服务
更好的隔离性

缺点

网络管理复杂
性能下降
重新修改校验和
客户端缺乏公网 IP 导致功能缺失
某些应用层协议由于传递网络层信息而功能受限

IP选路协议

IP报文传输方式

直接传输
本地网络间接传输
- 内部选路协议
- RIP
- OSPF
公网间接传输
- 外部选路协议
- BGP

路由表 routing table

内部选路协议

RIP 内部选路协议

Routing Information Protocol
特点
- 基于跳数确定路由
- UDP 协议向相邻路由器通知路由表
问题
- 跳数度量
- 慢收敛
- 选路环路

OSPF 内部选路协议

Open Shortest Path First
多级拓扑结构：同级拓扑中的每台路由器都具有最终相同的数据信息(LSDB)
- 直接使用 IP 协议(协议号 0x06 为 TCP，0x11 为 UDP，而 0x59 为 OSPF)传递路由信息

OSPF 最短路径树

只有路由器到达网络有开销
- 网络到达路由器没有开销
RC 的最短路径树

RC 构造最短路径树

第一级：RC 直达设备
- N2：3
- N3：6
- RB：5
第二级：间隔 1 跳设备
- 经过 N2 到 RA：3
- 经过 N3 到 RD：6
第三级：间隔 2 跳设备
- 经过 N2、RA 到 N1：5
- 经过 N3、RD 到 N4：10

外部选路协议

BGP：Border Gateway Protocol

网络间的选路协议
存放网络间信息 RIB
- Routing Information Base
- TCP 协议传输 RIB 信息
E(External)BGP
- 外部对等方传输使用
I(Internal)BGP
- 内部对等方传输使用

路由跟踪工具

Windows: tracert
Linux/Mac: traceroute

MTU与IP报文分片

IP 报文格式

IHL：头部长度，单位字
TL：总长度，单位字节
Id：分片标识
Flags：分片控制
- DF 为1：不能分片
- MF 为1：中间分片
FO：分片内偏移，单位 8 字节
TTL：路由器跳数生存期
Protocol：承载协议
HC：校验和

MTU(Maximum Transmission Unit)分片

MTU 最大传输单元( RFC791 ：>=576 字节)
ping 命令
- -f：设置 DF 标志位为 1
- -l：指定负载中的数据长度

常见网络 MTU

常见网络MTU

可能出现多次分片

IP 分片示例

分片主体
- 源主机
- 路由器
重组主体
- 目的主机

ICMP协议

Internet Control Message Protocol

RFC792
IP 协议的助手
- 告知错误
- 传递信息

ICMP协议格式

承载在 IP 之上
组成字段
- 类型(Type)
- 子类型(Code)
- 校验和

ICMPv4 报文类型

错误报文
- 3：目的地不可达
- 4：发生拥塞，要求发送方降低速率
- 5：告诉主机更好的网络路径
- 11：路径超出 TTL 限制
- 12：其他问题
信息报文
- 0：连通性测试中的响应
- 8：连通性测试中的请求
- 9：路由器通告其能力
- 10：路由器通知请求
- 13：时间戳请求
- 14：时间戳应答
- 17：掩码请求
- 18：掩码应答
- 30：Traceroute

目的地不可达报文：Type=3

常用子类型 Code
- 0：网络不可达
- 1：主机不可达
- 2：协议不可达
- 3：端口不可达
- 4：要分片但 DF 为1
- 10：不允许向特定主机通信
- 13：管理受禁

Echo 与 Echo Reply 报文

ping 联通性测试

TTL 超限：Type=11

traceroute/tracert

多播与IGMP协议

广播地址

以太网地址：ff:ff:ff:ff:ff:ff
IP 地址

组播IP地址

预留组播地址
- 224.0.0.1：子网内的所有系统组
- 224.0.0.2：子网内的所有路由器组
- 224.0.1.1：用于 NTP 同步系统时钟
- 224.0.0.9：用于 RIP-2 协议

组播IP地址2

组播以太网地址

以太网地址：01:00:5e:00:00:00 到 01:00:5e:7f:ff:ff
低 23 位：映射 IP 组播地址至以太网地址

组播以太网地址

IGMP(Internet Group Management Protocol)协议

Type 类型
- 0x11 Membership Query [RFC3376]
- 0x22 Version 3 Membership Report [RFC3376]
- 0x12 Version 1 Membership Report [RFC-1112]
- 0x16 Version 2 Membership Report [RFC-2236]
- 0x17 Version 2 Leave Group [RFC-2236]

0x22 Membership Report：状态变更通知

Group Record 格式

Record Type 类型
- 当前状态
  - 1: MODE_IS_INCLUDE
  - 2: MODE_IS_EXCLUDE
- 过滤模式变更(如从 INCLUDE 奕为 EXCLUDE)
  - 3: CHANGE_TO_INCLUDE
  - 4: CHANGE_TO_EXCLUDE
- 源地址列表变更(过滤模式同时决定状态)
  - 5: ALLOW_NEW_SOURCES
  - 6: BLOCK_OLD_SOURCES

IPv6地址

支持万物互联的 IPv6 地址

IPv6 目的

更大的地址空间：128 位长度
更好的地址空间管理
消除了 NAT 等寻址技术
更简易的 IP 配置管理
优秀的选路设计
更好的多播支持
安全性
移动性

IPv6 地址的冒分十六进制表示法

首零去除
零压缩
- FF00:4501:0:0:0:0:0:32
  - FF00:4501::32
- 805B:2D9D:DC28:0:0:FC57:0:0
  - 805B:2D9D:DC28::FC57:0:0
  - 805B:2D9D:DC28:0:0:FC57::
- 环回地址0:0:0:0:0:0:0:1
  - ::1