计算机网络知识点——5.网络层之IP数据报

概述：

• 每个数据链路层只涉及一个直连网，而网络层协议涉及整个网络
• 网络层协议负责确定把收到的包从哪条路径转发（forwarding）出去，即路由选择（routing）功能。具体传送有数据链路层和物理层负责。

交换技术：

电路交换（Circuit Switching）：

通过在网络中连接多条物理电路形成一条通路后传送数据

每条物理电路可以是一条链路（link）或者一条链路通过FDM或TDM形成的通道（Channel）。

包交换（Paceet Switching）：

采用统计多路复用的方法通过网络传送数据包，有虚电路（Virtual Circuit）和数据报（Datagram）两种方式。

采用虚电路方式需要先建立连接然后才可以传送数据。

采用数据报方式不需要建立连接便可以发送数据包。交换机根据数据包的目的地址转发包。

因特网采用数据报交换技术。

虚电路包括：

1. 交换式虚电路(Switched Virtual Circuit)
2. 永久虚电路(Permanent Virtual Circuit)

• 交换式虚电路每次传送数据前都要建立连接，传送数据后要释放连接
• 永久虚电路由管理员建好后一直保持着，随时可以传送数据

例子：

以下哪种交换技术采用包交换技术且在传送数据之前需要建立连接？
A.电路交换
B.数据报
C.永久虚电路
D.交换式虚电路

答案：D

问题：

下图存在3条虚电路（red,green,blue） ,它们都是从A或者B出发的虚电路，请填写它们的虚电路表(虚电路填写次序: red,green,blue)。
* 接口编号用黑色字表示. VCI - Virtual Circuits Identifier

交换机S1的虚电路表：

输入接口	输入VCI	输出接口	输出VCI
1	2	3	4
1	1	3	2
2	1	3	1

交换机S2的虚电路表：

输入接口	输入VCI	输出接口	输出VCI
1	4	2	2
1	2	3	1
1	1	3	2

IP协议的服务模型：

• IP（Internet Protocol）协议是因特网的网络层协议
• IP协议是可路由的（routable）--全局地址，按层分配
• IP协议提供尽力服务（best effort），即无连接无确认的数据报服务
• IP协议可以运行在任何网络上

问题：

下面哪些关于IP协议的说法是正确的？
A.IP协议是因特网的网络层协议.
B.IP协议可以提供可靠服务.
C.IP协议可以提供一种数据报服务.
D.IP协议是可路由的(routable).
E.IP协议可以用于连接任何物理网络.
F.IP协议具有拥塞控制机制.
答案：ACDE

IP数据报格式：

IP数据报的字段说明：

问题：

如果一个IP数据报的协议字段的值为17, 目的主机应该把该数据报交给哪个上层协
议?
A.TCP
B.UDP
C.ICMP
D.IGMP
答案：B

IP数据报的服务类型：

从整体上说明数据报所需的服务，即区分服务（Differeniated Services）。

IP数据报的生存期：

• 生存期(Time-To-Live,TTL):用于限制其在因特网上的停留时间，实际限制为经过的路由器数，即跳数（hop count）
• TTL的初值需要设置为网络直径的两倍
• 当收到IP数据报时，路由器或主机会把它的TTL减1.如果减到0时还未到达目的地，则该数据报将被丢弃，路由器会发送一个ICMP包告知源主机。

问题：

下面哪些关于IP数据报的TTL字段的说法是正确的？
A.每经过一个路由器TTL减1.
B.TTL的最大值为128.
C.TTL是数据报经过的跳数.
D.TTL限制了因特网的直径.
E.TTL记录数据报在网上存在的时间.
F.TTL防止数据报长时间滞留在因特网上.
答案：ADF

IP数据报的分段和重组：

• 一个物理网络的最大传输单元（MTU）是该网络可以运载的最大有效载荷，即数据帧的数据部分的最大长度
• 如果一个数据报的大小大于要承载它的网络的MTU，路由器需要先对该数据报进行分段(fragment)
• 源主机每次发送IP数据报时都会把标识（Identification）字段加1.分段时用标识的值保持不变，并且用偏移量字段（offset）指出该片段的数据部分相对原来数据报的偏移量（以8字节为单位）
• 当目的主机收到该数据报的所有片段时，它会重组为原来的数据报
• 当第一个片段到达目的主机时，目的主机会启动一个重组定时器（默认超时值为15秒）。如果该定时器到期时没有收集到所有片段，目的主机会放弃本次重组并丢弃该数据报的所有片段
• DF（Don't Fragment）为1表示不允许分段，MF（More Fragment）为1标识后面还有片段

每一种物理网络都会规定链路层数据帧的最大长度，称为链路层MTU(Maximum Transmission Unit).IP协议在传输数据包时，若IP数据报加上数据帧头部后长度大于MTU，则将数据报文分为若干分片进行传输，并在目标系统中进行重组。比如说，在以太网环境中可传输最大IP报文大小（MTU）为1500字节。如果要传输的数据帧大小超过1500字节，即IP数据报长度大于1472(1500-20-8=1472，普通数据报)字节，则需要分片之后进行传输。

在网络层，因为IP包的首部要占用20字节，所以这的MTU为1500－20＝1480；　
在传输层，对于UDP包的首部要占用8字节，所以这的MTU为1480－8＝1472； 　　 　

例1:

数据大小为1400B，MTU最大传输单元为532，ip包的首部占用20字节，532-20=512，因为以8字节为单位,：

第一个片段：OFFSET=0,MF=1;

第二个片段：OFFSET=64,MF=1;

第三个片段：OFFSET=128,MF=0.

例2：

一个没有选项的IP数据报的总长度为3000字节，标识(iden)是10034，DF=0，OFFSET=0，要转发到MTU为800的一个物理网络上。如果前面的片段尽量大，如何划分片段？填写这些片段的 iden、offset、MF: 

解析：（800-20）/8=97，每个片段最大偏移量为97

3000/8=375  375-291>97,所以片段3即为最后一个片段

	iden	offset	MF
片段0	10034	0	1
片段1	10034	97	1
片段2	10034	194	1
片段3	10034	291	0

例3：

如果上题的第二个片段在后面的一个路由器上要转发到MTU=300的物理网络上，要继续划分片段，填写这些片段的 iden、offset、MF:

解析：要转发的第二个片段为97~194的片段，（300-20）/8=35，每个片段偏移量为35，所以：

	iden	offset	MF
片段1	10034	97	1
片段2	10034	132	1
片段3	10034	167	1

问题：如果不带选项的IP数据报被分段, 这些片段头部的哪些字段可能与原数据报头部字段的内容不一样?

A.header checksum
B.MF
C.offset
D.TTL
E.total length
F.Identification
G.destination address
H.protocol
答案：ABCE

IP数据报的选项：

一般格式为：

记录路由选项：

指针字段指向下一个IP地址的位置： 4(空)， 8， … ， 40(满)。

该数据报经过的每个路由器记录转出接口的IP地址，直到记满9个地址。

例：IP的记录路由选项中如果指针为16，表示记录了多少个IP地址？

答案：3个，指针为4时0个，为8时1个,为12时2个,为16时3个

可以使用 ping -r 命令，记录计数跃点的路由，count有效范围从1到9.

使用ping /?命令可查询相关命令字符含义。