网络层的分类与结构

网络层也称为IP层，在TCP/IP协议中为第三层，主要目的是在互联网中对目的主机的寻址。IP层结构比较完善，因此除了路由外还有许多其它的应用。下面就IP层的分类及结构进行介绍。

1. IP层分类

IP层按照IP地址的长短可以分为IPV4和IP6两种。IPv4的IP地址是由4个字节组成，而IPv6的IP 地址是由16个字节组成。这两种网络层的协议不仅IP地址长度不同，协议结构也有差别，因此后续篇幅将分开对IPv4和IPv6的组成、结构和应用分开介绍。

• IPv4相关的内容

  • IPv4的表示方法

IPv4总共32位2进制数（4个字节），IPv4以4位十进制的方式表示：如192.168.1.199，实际上每个分段都是8位2进制数。

• • IPv4地址的分类：

总共分为A，B，C，D四类。以网络ID（Net-id）与主机ID（Host-id）表示，如图1所示。

• • • A类地址:

第一个bit 为零，Net-id由第一个字节表示，因此Net-id的范围为0-127.因此常见10.x.x.x到 127.x.x.x等都是A类地址。A类地址的网络ID最多127个，主机是24-bit，因此主机可以多达1600万个。

• • • B类地址：

B类地址的第一个bit为1，第二个bit为0，以网络ID（Net-id）总共16个bit，其中只有14个bits 可以使用，因此表达范围128.0到191.255总共16384个，主机ID可达65536个。

• • • C类地址：

C类地址的前三个bits为110，Net-id总共24个bits，其中只有21个bits 可以使用，因此表达范围192.0到223.255总共200万个，主机ID只剩8bits，因此范围为0-255。

• • • D类地址：

D类地址的前四个bits为1110，是多播地址，关于多播（组播）的，后面会有专门的篇幅介绍。

• • • E类地址：

E类地址前4bits为1111，为保留地址。目前没有被使用。

图1

• 子网掩码(subnet mask)

子网掩码又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩等，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。

子网掩码是一个32位数据，是与IP地址结合使用的一种技术。它的主要作用有两个，一是用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。二是用于将一个大的IP网络划分为若干小的子网络。

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。

通过计算机的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。

• • 子网掩码分类：

子网掩码一共分为两类。第一类是缺省（自动生成）子网掩码，一类是自定义子网掩码。A类网络缺省子网掩码：255.0.0.0，B类网络缺省子网掩码：255.255.0.0，C类网络缺省子网掩码：255.255.255.0 。

第二类为自定义类，自定义子网掩码是将一个网络划分为几个子网，需要每一段使用不同的网络号或子网号，实际上我们可以认为是将主机号分为两个部分：子网号、子网主机号。形式如下：

（1）未做子网划分的IP地址：网络号+主机号

（2）做子网划分后的IP地址：网络号+子网号+子网主机号。

举例说明子网掩码255.255.255.128的作用，

子网掩码255.255.255.128，网络号为255.255.255，子网号为128， 子网主机号为0-127，合在一起表示网络IP地址范围为255.255.255.128–255.255.255.255.

• • 实验网段（也就是常说的内网）

RFC 1918为私有网络预留出了三个IP地址块，如下：

A类：10.0.0.0～10.255.255.255

B类：172.16.0.0～172.31.255.255

C类：192.168.0.0～192.168.255.255

上述三个范围内的地址不会在因特网上被分配，因此可以不必向ISP或注册中心申请而在公司或企业内部自由使用。

NAT最初的设计目的是用于实现私有网络访问公共网络的功能，后扩展到实现任意两个网络间进行访问时的地址转换应用，本文中将这两个网络分别称为内部网络（内网）和外部网络（外网），通常私网为内部网络，公网为外部网络。NAT技术在后续章节中会详解。

• IP的报文格式

IP报文格式如图2所示，IP v4报文字段详解见表1.

图2  IP v4报文结构

表1

字段	长度	含义	缺省/常用值
版本(version)	4bit	IP版本号 IPv4/IPv6	4/6
首部长度(IHL)	4bit	IPv4的首部长度（32-bit计算）	5
区分服务（TOS）	8bit	提供更好的服务，一般很少使用 type of service	0
总长度	16bit	IP首部与数据之和的总长度，按字节计算
标识（identifier）	16bit	IPv4 在软件中维持一个计数器，每发送一个数据包计数器+1，初始值可以为随机数
标志	3bit	bit [16: 18]，只有bit[17]，bit[18]有效，bit[16]必须为0。bit[18] ：‘0’表示后面没有分片，‘1’表示后面还有分片数据。bit[17]:为‘1’表示不能分片，‘0’表示可以分片	000/001/010
片偏移	13bit	分片的偏移量，初始值为0，后续为前面所有片的累计长度，按字节计算，以8个字节为计算单位，最大的累计长度是(213 – 1) × 8 = 65528	0
生存时间（TTL)	8bit	记录多少跳，每跳（hop）一次减1，当TTL等于0时，该IP包就被路由器丢弃，并通过ICMP将信息发送给发送者	64/128/255
协议	8bit	TCP = 6，UDP = 17（0x11），ICMP = 1，IGMP = 2
首部校验和	16bit	发送者提供16位checksum计算值，接收者校验（包含路由器）
源地址	32bit	源IP地址
目的地址	32bit	目的IP地址
选项	可变	自定义，通常会用来排错，测量，安全等，如有选项数据，应32bit对齐，并在首部长度指出	0

2. IPv6的组成及表示方法：

由128位二进制数据组成，其中每16位以“：”分割，如：fd00:bc4d:fbcb:0a72:f98f:b46f:710e:df2f

如果在“：”分割序列中，前面的四个bit都为0，则0可以省略不写，如：

2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329 -> 2001:0db8:0:0:0:ff00:0042:8329->

2001:db8::ff00:42:8329(在不引起混淆的前提下）

回环地址：0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001 –> ::1

表3

0         3	4            11	12             15	16            23	24                    31
Version	Traffic class	flow label
Payload  length			Next header	Hop limit
Source  address
Destination address

 

IPv6报文格式

（1）版本号（Version）：与IPv4一样，指定IPv6 还是IPv4

（2）区分服务（Traffic class）：区分数据包的服务类别，与IPv4的同名字段一样（TOS）

（3）流标签（flow label）：对一些要求低延迟的连接建立一种伪连接，随机填充该字段（0~220）。当一个流标签字段非0的数据包出现时。所有的路由器都在自己的内部表中查找该流标签的值，看它是否要求那一种特殊待遇（比如尽快被发送）。

（4）有效载荷长度（payload length）：数据载荷的长度，不包含头部。

（5）下一个头（next header）：指明了当前包头之后还有哪种扩展头。指定上层的传输类型。

（6）跳数限制（Hop limit）：与IPv4的TTL类似。

（7）原地址和目的地址：各16字节的源和目的IP地址。

后续章节中将继续介绍IP层的应用。