网络层：IPv4 与地址规划

本节导读

大纲「网络层」的功能部分包括异构网络互联、路由与转发、SDN 基本概念、拥塞控制；IPv4 部分包括 IPv4 分组，IPv4 地址与 NAT，子网划分、路由聚集、子网掩码与 CIDR，ARP、DHCP 与 ICMP。路由算法、路由协议、IPv6、组播、移动 IP 和路由器放在第 30 节。

这一节几乎每个知识点都能出计算：首部字段的单位、分片、子网划分、广播地址、路由聚集。算地址时把相关的那个字节写成 8 位二进制，再按掩码的位数切开，最不容易出错。

网络层的功能与 IPv4 分组

网络层把各种异构的网络互联起来，向上提供简单灵活、无连接、尽最大努力交付的数据报服务。路由器的工作分两部分：路由选择（根据路由协议构造路由表）和分组转发（按转发表把分组从合适的端口送出）。

网络中对某种资源（链路带宽、路由器的缓存和处理能力）的需求超过了可用的量，就会出现拥塞，这时网络的吞吐量反而下降。拥塞控制有开环控制（设计时就考虑避免拥塞的因素）和闭环控制（监测拥塞、把信息反馈给有关结点、再调整）两类。拥塞控制涉及整个网络中的所有主机和路由器，而流量控制只涉及发送方和接收方之间的点对点通信。因特网的拥塞控制主要由端系统上的 TCP 实施（见第 31 节），路由器也可以在队列将满时提前丢弃分组来配合。

IPv4 首部固定部分 20 B，要记住的字段：

字段	位数	说明
首部长度	4	单位是 4 B，首部为 20 至 60 B
总长度	16	首部加数据的长度，单位是字节，最大 65535
标识	16	同一个数据报的各分片标识相同
标志	3	MF = 1 表示后面还有分片；DF = 1 表示不允许分片
片偏移	13	本片数据在原数据报数据部分中的位置，单位是 8 B
生存时间 TTL	8	每经过一个路由器减 1，减到 0 就丢弃
协议	8	数据部分属于哪个协议，如 6 是 TCP、17 是 UDP、1 是 ICMP
首部检验和	16	只检验首部，每经过一个路由器都要重新计算

分片时，除最后一片外，每片数据部分的长度都必须是 8 B 的整数倍；各片的首部基本照抄原首部，改动总长度、标志和片偏移。

IPv4 地址、子网划分与 CIDR

分类编址中，A、B、C 类地址的网络号分别占 8、16、24 位，首字节范围分别为 1 至 126、128 至 191、192 至 223；D 类（224 至 239）用于组播，E 类保留。主机号全 0 表示本网络的网络地址，全 1 表示该网络的广播地址，都不能分给主机，所以主机号有 h 位时可分配的地址有 2 的 h 次方 − 2 个。127 开头的地址用于本机环回测试；10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16 是私有地址，只能在内部网络使用。

子网划分从主机号借若干位作子网号，用子网掩码（网络号和子网号对应位为 1）标识。无分类编址 CIDR 用「地址/前缀长度」表示一个地址块，如 /21 表示前 21 位是网络前缀。主机地址与掩码按位与得到网络地址；把主机号部分全部置 1 得到广播地址。

路由聚集（构成超网）把前缀相同的多个地址块合并成一条路由：找出这些网络地址的最长公共前缀即可。查转发表时，若有多条路由匹配，选前缀最长的那条（最长前缀匹配）。

NAT

网络地址转换 NAT 让使用私有地址的内网主机访问因特网：分组出去时，NAT 路由器把源地址换成全球地址，并在转换表中记下对应关系；回来的分组按表把目的地址换回私有地址。实际常用的是网络地址与端口号转换 NAPT，把「私有地址 + 端口号」映射为「全球地址 + 新端口号」，一个全球地址就能供许多内网主机同时使用。NAT 改写了 IP 地址和端口号，严格说已超出网络层的工作范围。

ARP、DHCP 与 ICMP

ARP 在同一个网络内把 IP 地址解析为 MAC 地址：查本机 ARP 高速缓存，没有就广播 ARP 请求，目标主机单播回送 ARP 响应。目的主机在别的网络时，主机只解析默认网关（路由器接口）的 MAC 地址，由路由器逐跳转发。转发过程中 IP 首部的源地址、目的地址不变，每一跳改写的是帧的源、目的 MAC 地址。

DHCP 用于自动配置 IP 地址、子网掩码、默认网关和 DNS 服务器地址，是应用层协议，使用 UDP（客户端端口 68，服务器端口 67）。过程为：客户广播 DHCPDISCOVER（此时还没有 IP 地址，源地址 0.0.0.0，目的地址 255.255.255.255），服务器回 DHCPOFFER，客户广播 DHCPREQUEST 选定一个服务器，服务器回 DHCPACK 确认，地址有租期。