SHOUT OUT MY SLOGAN: ——Fighting ！ Stealthy Learner （加油偷博仔！）

（来自有道翻译，hhh）

不知不觉，我已经Stealthily learn《计算机网络》了这么多日子了。
所幸，在没人监督的要认真学习的时候，
没有纠结太久：
“to study or not to study （和好姑娘打游戏） is a question”
不像顾城先生笔下的小鱼儿，还在研究（纠结） 《水呀，真急》

水呀，真急，真急，
桥墩后又几条小鱼 …
它们在举行会议，
研究着前进还是退避。
太阳在桥面上走过，
带着几分醉意。
研究在不断继续，
河水在不断流去。
月牙在桥栏边停靠，
似乎要看个仔细。
水呵，真急，真急，
桥墩后又几条小鱼 …
————《水呀，真急》1980年3月

可能，小鱼仍在研究，大鱼已到上游。

加油大鱼儿萌！Let’s get to today’s topic

0 、IP主要内容、IP datagram格式

主要内容是这些：

•  数据报格式
•  分片
•  IPv4地址
•  NAT：网络地址转换
•  IPv6

再来看一下IP在网络中所在的层次。

• 互联网的网络层 （主机,路由器中的网络层功能：）
  
  同时，网络层还有其他的协议，比如 “路由协议”。（会实现控制平面的路由功能。）
  在讲到网络层的控制平面，会细说。

红框摘出来看一下。
IP 协议
•地址约定 （长度啊、有无分成网络部分/主机部分啊/、有没有所谓内网地址啊…）
•数据报格式 （pdu格式，分成header和body。）
•分组处理的约定 （ttl -1 …）

而ICMP协议主要是拿来测试的，比如ping…

• IP 数据报格式
  

Describes several fields

固定20字节的头部。
选项长度 = 数据报总长（length） - 20Bytes的固定长度
·
IP 协议版本号（ver）：——4个bits。
现在上面就是IPV4（0100）的数据报格式。
头部长度（head len），以一（bit）当四（bytes） ：
普通IP数据报（没有option时）该字段的值是5（即20个字节的长度）。如果有options那么大于5
服务类型（TOS、type of service）：
占用8位二进制位，用于规定本数据报的处理方式。基本废弃不用了…
第二行的三个字段：
用于分片，后文细说。
Internet checksum：
判断分组的头部在传输过程中，有没有问题

一、IP 分片和重组(Fragmentation & Reassembly)

•  网络链路有MTU(最大传输单元) – 链路层帧所携带的最大数据长度
   不同的链路类型
   不同的MTU

再Briefly Describes一下MTU：Maximum Transfer Unit：
如果IP层有一个数据报要传，而且数据帧的长度比链路层的MTU还大，
那么IP层就需要进行分片( fragmentation)，
即把数据报分成若干片，这样每一片就都小于MTU。

•  大的IP数据报在网络上被分片 （这可不是乱分的啊，是训练有素的IP，有备而来的！）
  •  一个数据报被分割成若干个小的数据报
     相同的ID （区分不同的数据报）
     不同的偏移量 （数据报的按序重组排序）
     最后一个分片标记为0
  •  “重组”只在最终的目标主机进行
  •  IP头部的信息被用于标识，排序相关分片
    

1.IP 分片和重组-例子

二、IP 编址: 引论

•  IP 地址: 32bits标示，对主机或者路由器的接口编址
•  接口: 主机/路由器和物理链路的连接处
   路由器通常拥有多个接口
   主机也有可能有多个接口
   IP地址和每一个接口关联
•  一个IP地址和一个接口相关联
  

1.子网(Subnets)

•  什么是子网(subnet) ?：
   一个子网内的节点（主机或者路由器）
  它们的IP地址的高位部分相同（前缀相同），这些节点构成的网络的一部分叫做子网
   无需路由器介入（再ip的层面“一跳可达”），子网内各主机可以在物理上相互直接到达

•  IP地址:
   子网部分(高位bits)
   主机部分(地位bits)

1.1判断一个子网

将每一个接口从主机或者路由器上分开,构成了一个个网络的孤岛

像水果忍者，切三刀，三片水蓝蓝的（子网）孤岛
但是呢！
如果不划这三刀，这“三个孤岛”的前缀还是有一样的地方！223.1…
所以，这三个子网，对于外部而言，是一个子网。“路由聚合！”

 每一个孤岛（网络）都是一个都可以被称之为subnet

预告一下：

子网掩码： 11111111 11111111 11111111 00000000
Subnet mask: /24
子网掩码(subnet mask)
又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，
它是一种用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网，
以及哪些位标识的是主机的位掩码。
子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。
子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。

1.2猜一下，这有几个子网

是六个！！
hhh…哈哈…哈（有点尴尬）

叨唠两句：
长途连接一般是point 2 point。
而局域网一般采用多点连接的方式。

2.IP 地址分类

拿Class A，Describes一下：

• 最高位是0，（第一个byte的最高位）
• 第1个byte的其他7bits代表网络号。（图中的Class A 的Network字段）
• So，Class A has 126 (2⁷ - 2 = 126) 个网络号，因为约定全0/全1的网络号不用
  为什么不用呢？一会看看下面的特殊的IP地址
• 然后主机号是 32 - 8 = 24 bits，同理有2²⁴-2这么多的主机号
• 所以A类网，全球一共有126个。Have been handed out

对于Class B、C的Table describes

B类，前2个bytes代表网络号
C类，前3个bytes代表网络号

A、B、C类的地址叫做单播地址（unicast）——“我到你”
而D 类地址叫组播地址（multicast）——“我到这个D类组的”…
还以一种叫广播地址（broadcast）——“我到所有”，一般在局域网内部
E 类地址预留的（Reserved for future use） （但存方寸地,留与子孙耕）

在做分组转发的时候只关心网络号，
就是说互联网对一个子网、一个子网，做路由、通告、计算，
而非对单个ip地址做路由。
·
在路由信息的通告的过程当中，还不断地做路由聚集。减少表项，路由减负。
路由聚集的作用：

3.特殊的IP地址

最底下有个Loopback 回路地址(测试地址)，
ping 127.x.x.x

本地回环地址指的是以127开头的地址（127.0.0.1 - 127.255.255.254），通常用127.0.0.1来表示。

是在ping自个儿呢。

作用有这些：
1.测试本机的网络配置，能PING通127.0.0.1说明本机的网卡和IP协议安装都没有问题

4.内网(专用)IP地址

•  专用地址：地址空间的一部份供专用地址使用
•  永远不会被当做公用地址来分配, 不会与公用地址重复
  •  只在局部网络中有意义，区分不同的设备
•  路由器不对目标地址是专用地址的分组进行转发

 专用地址范围（A、B、C类都有）

•  Class A 10.0.0.0-10.255.255.255 MASK 255.0.0.0
•  Class B 172.16.0.0-172.31.255.255 MASK 255.255.0.0
•  Class C 192.168.0.0-192.168.255.255 MASK 255.255.255.0

Class C地址，比较熟悉，192.168.0.0
·

5.IP 编址: CIDR

以下内容部分来自于这篇文章

背景：
在1992年因特网仍然面临三个必须尽早解决的问题，
这就是：B类地址在1992年已分配了近一半，眼看就要在1994年3月全部分配完毕！
因特网主干网上的路由表中的项目数急剧增长（从几千个增长到几万个）。
整个 IPv4 的地址空间最终将全部耗尽。
·
1987年，RFC1009就指明了在一个划分子网的网络中可同时使用几个不同的子网掩码。
使用变长子网掩码VLSM(Variable Length Subnet Mask)
可进一步提高IP地址资源的利用率。在VLSM的基础上又进一步研究出
无分类编址方法，
它的正式名字是
无分类域间路由选择 CIDR (Classless Inter-Domain Routing)。

CIDR: Classless InterDomain Routing（无类域间路由）

网络前缀越短，
其地址块所包含的地址数就越多。
而在三级结构的IP地址中，划分子网是使网络前缀变长。

•  子网部分可以在任意的位置
•  地址格式: a.b.c.d/x, 其中 x 是 地址中子网号的长度
  
  区分A、B、C类网络只需分别比较IP地址的前1、2、3个byte(s),
  ·
  但对于这种无类域间路由，要如何区分其无类网络号?

简直欲哭无类了！

于是子网掩码，应运而生。

无类网络是一种相对于有类网络的网络，无类网络IP地址的掩码是变长的。
在有类网络的基础上，拿出一部分主机ID作为子网ID。
·
例如：
IP地址为192.168.250.44 子网掩码不能是小于24位。
因为这是一个C类地址（前3Bytes是网络号），子网掩码只能大于24位。
而掩码255.255.248.0（21位）是不符合规定的。
·
如果一个网络中的主机有100台，
那么，可以用子网掩码/25来划分这个C类网络（“192.168.250.0/24”）：
划分成192.168.250.0/25 和192.168.250.128/25两个子网。
—主机192.168.250.44/25 属于子网192.168.250.0/25。

做足了铺垫，终于迎来下面这个机智的发明

6.子网掩码(subnet mask)

根据RFC950定义，
子网掩码是一个32位的2进制数，
其对应网络地址的所有位都置为1，
对应于主机地址的所有位置都为0。

使用子网是为了减少IP的浪费。
因为随着互联网的发展，越来越多的网络产生，有的网络多则几百台，
有的只有区区几台，这样就浪费了很多IP地址，所以要划分子网。
使用子网可以提高网络应用的效率。
·
子网掩码判断两台计算机是否属于同一网段的方法是，
将计算机十进制的IP地址和子网掩码转换为二进制的形式，然后进行二进制
“与”(AND)计算（全1则得1，不全1则得0），如果得出的结果是相同的，
那么这两台计算机就属于同一网段。

7.转发表和转发算法

8.主机如何获得一个IP地址

•  系统管理员将地址配置在一个文件中
  Wintel: control-panel->network-> configuration->tcp/ip->properties
  (就是你使用的网络（无线wifi、以太网等）的属性，)
  UNIX: /etc/rc.config

•  DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: 从服务器中动态获得一个IP地址
  “plug-and-play”
  很多无线路由器都有DHCP服务
  （老头老太太上网就不用自己配ip）

8.1.DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol（动态主机配置协议）

• 目标: 允许主机在加入网络的时候，动态地从服务器那里获得IP地址：
   可以更新对主机在用IP地址的租用期-租期快到了
   重新启动时，允许重新使用以前用过的IP地址
   支持移动用户加入到该网络（短期在网）
• DHCP工作概况: 图文并茂的解释在8.2
   主机广播“DHCP discover” 报文[可选] (ip地址全1)
   DHCP 服务器用 “DHCP offer”提供报文响应[可选]
   主机请求IP地址（单播ip地址请求）：发送 “DHCP request” 报文
   DHCP服务器发送地址：“DHCP ack” 报文

8.2 DHCP client-server scenario （DHCP 客户-服务机场景 ）

transaction:(一笔)交易，业务，买卖; 办理; 处理
transaction ID: 事务号
·
简单说明上面的新来的client和DHCPserver的“你来我往”：
第一步：Client通过广播（broadcast）发送DHCP Discover 报文，Look for服务器端

第二步：Server通过单播（unicast）发送DHCP Offer 报文向客户端提供IP地址等网络信息

第三步：Client通过广播DHCP Request 报文告知服务器端本地选择使用哪个IP地址

第四步：Server通过DHCP Ack报文告知客户端IP地址是合法可用的

8.3 DHCP: 不仅仅是IP addresses(好文章，DHCP协议原理及其实现流程)

• DHCP 返回:
   IP 地址
   第一跳路由器的IP地址（默认网关）
   DNS服务器的域名和IP地址
   子网掩码 (指示地址部分的网络号和主机号)
  （老头老太太上网就不用自己配ip、网关、子网掩码、DNS了）

8.4 DHCP: 实例

•  联网笔记本需要获取自己的IP地址，第一跳路由器地址和DNS服务器：采用DHCP协议
•  DHCP 请求被封装在UDP段中, 封装在IP数据报中，封装在 以太网的帧中
•  以太网帧在局域网范围内广 播 (dest: FFFFFFFFFFFF) ， 被运行DHCP服务的路由器收 到
•  以太网帧解封装成IP，IP 解封装成UDP，解封装成 DHCP
  

•  DHCP服务器生成DHCP ACK，包含客户端的IP地址，第一跳路由器的IP地址和DNS域名服务器的IP地址
•  DHCP服务器封装的报文所在的帧转发到客户端，在客户端解封装成DHCP报文
•  客户端知道它自己的IP地址，DNS服务器的名字和IP地址，第一跳路由器的IP地址

8.5 DHCP: Wireshark 输出(home LAN)

这部分、老师没讲，我附一下。

9.如何获得一个网络的子网部分（从ISP）

• 从ISP获得地址块中分配一个小地址块
  

结合9.1图一起分析

9.0.一个ISP如何获得一个地址块

向ICANN机构申请

• ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers
   分配地址
   管理DNS
   分配域名，解决冲突

那么，
ICANN怎么获得地址呢？

9.1层次编址: 路由聚集（route aggregation）

(上面是老师的讲解视频76min20s处开始)

层次编址允许路由信息的有效广播:

Des: destination
MK： Mask
Next： Next hop
Inf： Interface

---

我大概是这样Understand的：
左边8个蓝框框（Organization 0~7）
是从一个大机构（大块ip）获得小块 （子网）
第一块地址：200.23.16.0/23：
——前23位是网络号，剩下的9位是主机号所以有2⁹-2=510个主机号
——最大主机号是200.23.17.255（当然，这是全1的主机号，不使用）
·

——怎么算出最大主机号呢？我是这样的：
9位主机地址，8位低地址范围是0~255；还剩1位，处在“16”所在8bits的末位，
那么1位范围0 ~ 1 ，最大就是（16+1）17。
(所谓16所在8bits：我把ip地址看作是8bits . 8bits . 8bits . 8bits)

子网前缀为200.23.16的ip都发给（NextHop）ip0
子网前缀为200.23.18的ip都发给（NextHop）ip1
…
子网前缀为200.23.30的ip都发给（NextHop）ip7
然后这ip0~7 就路由聚集，发到ipx （前缀为200.23.16.0 /20）

那，为什么就/20呢？
其实和上面算最大主机号道理一样
从/23 变到 /20 ,所以主机号又多了高位的3bits
那么 "16"所在的八位，其中低四位是主机号的高四位
所以 16+4bit（范围0~15）<= 31
刚好就聚集了左边的Organization0~8的子网ip，没有空洞ip

好比一台设备IP地址200.23.18.7
——处在Organization 1中，
——下一跳（Next）是IP地址位IP1的路由器，
——再下一跳是IPx
反过来，跳到IP地址是200.23.18.7的设备

下面9.2的图，就发挥聪明才智寄几看吧。

9.2层次编址: 特殊路由信息(more specific routes)

10.NAT: Network Address Translation(网络地址转换)

右边是本地网络，（内网），左边是内网之外的网络

•  动机（使用NAT的原因）: 本地网络只有一个有效IP地址:
  不需要从ISP分配一块地址，可用一个IP地址用于所有的（局域网）设备 –省钱
  可以在局域网改变设备的地址情况下而无须通知外界
  可以改变ISP（地址变化）而不需要改变内部的设备地址
  局域网内部的设备没有明确的地址，对外是不可见的 –安全

10.1实现: NAT 路由器必须:

• 外出数据包：
  源地址和端口号为NAT IP地址和新的端口号，
  目标IP和端口不变 …远端的C/S将会用NAP IP地址，
  新端口号作为目标地址

• 记住
  每个转换替换对（在NAT转换表中）
  … 源IP，端口 vs NAP IP ，新端口

• 进入数据包：
  替换目标IP地址和端口号，
  采用存储在NAT表中的mapping （映射） 表项，用（源IP，端口）

•  16-bit端口字段:
   6万多个同时连接，一个局域网!

实现: NAT 路由器图示如下

However，
外网设备想和内网设备友好的打交道呢？
另一方面，避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。
外网只知道一个面具ip（NAT ip），并不知道这面具之下的
真实面孔（内网设备ip）
“这就是NAT 穿越的问题了"

---

提问：
路由，代理服务器和NAT技术的区别?

10.2对NAT是有争议的

•  路由器只应该对第3层做信息处理，而这里对端口号（4层）作了处理
•  违反了end-to-end 原则
  •  端到端原则：复杂性放到网络边缘
     无需借助中转和变换，就可以直接传送到目标主机
  •  NAT可能要被一些应用设计者考虑, eg, P2P applications
  •  外网的机器无法主动连接到内网的机器上
•  地址短缺问题可以被IPv6 解决
•  NAT穿越： 如果客户端需要连接在NAT后面的服务器，如何操作

10.3NAT 穿越问题

•  客户端需要连接地址为10.0.0.1的服务器
  •  服务器地址10.0.0.1 LAN本地地址 (客户端不能够使用其作为目标地址)
     整网只有一个外部可见地址: 138.76.29.7
    

•  方案1: 静态配置NAT：
  转发进来的对服务器特定端口连接请求
   e.g., (123.76.29.7, port 2500) 总是转发到10.0.0.1 port 25000

•  方案2: Universal Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (IGD) 协议.
  允许NATted主机可以:
   获知网络的公共 IP地址(138.76.29.7)
   列举存在的端口映射
   增/删端口映射 (在租用时间内)
  i.e., 自动化静态NAT端口映射配置
  

•  方案 3: 中继 (used in Skype)
   NAT后面的服务器建立和中继的连接
   外部的客户端链接到中继
   中继在2个连接之间桥接

这三个方法不作解释了，一笔带过。下面来看ipv6

11.IPV6

 初始动机: 32-bit地址空间将会被很快用完

 另外的动机:

•  头部格式改变帮助加速处理和转发  TTL-1
   头部checksum
   分片
•  头部格式改变帮助QoS

IPv6 数据报格式:
 固定的40 字节头部
 数据报传输过程中，不允许分片

11.1IPv6 头部 (Cont)

上述表格各个字段：
先回顾一下ipv4的数据报头部格式
再看看ipv6数据报头部格式

11.2和IPv4的其它变化

11.3从IPv4到IPv6的平移

•  不是所有的路由器都能够同时升级的
   没有一个标记日 “flag days”
   在IPv4和IPv6路由器混合时，网络如何运转?
•  隧道: 在IPv4路由器之间传输的IPv4数据报中携带IPv6数据报
  

隧道(Tunneling)

或者，按老师的说法。
ipv4看作是大片海洋
ipv6 是这个海洋上的孤岛，
ipv6的数据报，封装成ipv4的载荷，
坐在ipv4的小船上，从一个ipv6的小岛，游啊游，游啊游，
到达另一个ipv6的小岛，再解封装。
从ipv4的载荷中蹦跶出来

---

然后随着时间的推移，ipv6的岛屿越来越大 （反大陆漂移学说 hhhh）
ipv4的海洋越来越小，
海平面不断下降，小岛不断融合。
最后ipv4变成了”孤岛“，ipv6成为了海洋。
这大概就是平滑的ipv6的应用。

11.4IPv6: 应用

•  Google: 8% 的客户通过IPv6访问谷歌服务
•  NIST: 全美国1/3的政府域支持IPv6
•  估计还需要很长时间进行部署
  20年以上!
  看看过去20年来应用层面的变化: WWW, Facebook, streaming media, Skype, …
  为什么?
  （”留给爱思考的同学们课后思考。“）