计算机网络第四章笔记（二）

一、主机发送IPv4数据报的过程

1. 交付方式

主机发送数据报前，需通过IP地址与子网掩码的逐比特逻辑与运算 ，判断目的主机与自身是否在同一网络，从而选择交付方式：

直接交付 ：同一网络内主机通信，无需路由器中转，直接发送数据报。
间接交付 ：不同网络主机通信，需将数据报发送给默认网关（路由器） ，由路由器中转。

2. 具体实例

已知：主机A的IP为10.1.1.1，子网掩码255.255.255.0；主机B的IP为10.1.1.2，主机C的IP为10.2.2.1。

主机A计算自身网络地址：10.1.1.1 & 255.255.255.0 = 10.1.1.0。
主机A计算主机B的网络地址：10.1.1.2 & 255.255.255.0 = 10.1.1.0（与自身一致，直接交付）。
主机A计算主机C的网络地址：10.2.2.1 & 255.255.255.0 = 10.2.2.0（与自身不同，间接交付 ）。

3. 默认网关配置

以太网1（ $10.1.1.0/24$ (10.1.1.0/24)）主机的默认网关：路由器R的接口0（10.1.1.254）。
以太网2（ $10.2.2.0/25$ (10.2.2.0/25)）主机的默认网关：路由器R的接口1（10.2.2.126）。

二、路由器转发IPv4数据报的过程

1. 转发前提：正确接收数据报

路由器需确认收到的IPv4数据报满足两个条件：

首部无差错（无字段缺失、非法值）；
生存时间（TTL）字段未到期。

2. 查表转发的具体步骤（以路由器R转发主机A→主机C的数据报为例）

提取目的地址 ：数据报首部的目的IP为10.2.2.1。
路由表匹配（路由器R的路由表条目）：

|------------------------|--------------------------------------|-------|
| 目的网络 | 地址掩码 | 下一跳 |
| $10.1.1.0$ (10.1.1.0) | $255.255.255.0$ (255.255.255.0) | 接口0直连 |
| $10.2.2.0$ (10.2.2.0) | $255.255.255.128$ (255.255.255.128) | 接口1直连 |
网络地址计算 ：将目的IP10.2.2.1与路由表中10.2.2.0的掩码255.255.255.128做与运算，得到10.2.2.0，匹配第二条条目。
转发执行：按"接口1直连"的指示，从接口1将数据报直接交付给主机C。

3. 广播数据报的处理规则

路由器不转发广播IPv4数据报，包括：

直接广播（如以太网1的10.1.1.255、以太网2的10.2.2.127）；
受限广播（255.255.255.255）。

→ 路由器是隔离广播域的核心设备。

4. 路由匹配的规则

无匹配条目：丢弃数据报，并向源主机发送ICMP差错报文；
多条匹配条目：采用最长前缀匹配原则（匹配掩码最长的条目）。

三、IPv4数据报分片

1. 分片原因

数据链路层有最大传输单元（MTU） （如以太网MTU=1500字节），若IPv4数据报总长度超过MTU，无法直接封装成帧，需拆分为更小的分片。

2. 分片相关首部字段

|-----|-------|--------------------------------------------------------------------------------|
| 字段 | 长度/单位 | 核心作用 |
| 标识 | 16比特 | 同一原数据报的所有分片标识相同，用于目的站重组。 |
| 标志 | 3比特 | MF（最低位）：MF=1表示后续有分片，MF=0为最后一片；DF（中间位）：DF=1禁止分片，DF=0允许分片；保留位（最高位）：固定为0。 |
| 片偏移 | 13比特 | 以8字节为单位，指示分片在原数据报中的位置（最后一片除外，其他分片数据载荷需为8字节整数倍）。 |

3. 分片计算实例

原数据报：总长度3820字节（首部20字节+数据载荷3800字节），以太网MTU限制数据载荷最大1420字节。

分片1：总长度1440字节（20+1420），MF=1，片偏移0（0/8）。
分片2：总长度1440字节（20+1420），MF=1，片偏移175（1400/8）。
分片3：总长度1020字节（20+1000），MF=0，片偏移350（2800/8）。

若分片2需再次分片（载荷800+600字节）：

分片2-1：总长度820字节（20+800），MF=1，片偏移175。
分片2-2：总长度620字节（20+600），MF=0，片偏移275（2200/8）。

四、与发送/转发相关的IPv4首部字段

1. 基础字段

版本：4比特，IPv4对应值为4，通信双方版本需一致。
首部长度 ：4比特，以4字节 为单位，最小值为5（对应20字节固定首部），最大值为15（对应60字节首部）；若首部长度非4字节整数倍，需用填充字段补全。
总长度 ：16比特，以1字节为单位，指示数据报首部+数据载荷的总长度，最大值为65535字节（受MTU限制，实际很少用满）。

2. 生存时间（TTL）

长度：8比特，路由器转发前将TTL减1；若TTL减至0，丢弃数据报并发送"时间超过"的ICMP报文。
作用：防止数据报因路由环路无限兜圈；可实现traceroute/tracert路由跟踪、限制多播范围。

3. 协议字段

长度：8比特，指示数据载荷对应的上层协议，典型值：TCP(6)、UDP(17)、IPv6(41)。

4. 首部检验和

长度：16比特，仅检验数据报首部（减少计算量），数据载荷不参与。
发送方计算步骤：
- 将首部检验和字段置0；
- 把首部划分为若干16比特字序列；
- 对序列做反码算术求和，将结果按位取反后写入检验和字段。
接收方检验步骤：
- 把首部划分为若干16比特字序列；
- 对序列做反码算术求和，结果按位取反；
- 若结果为0，首部无差错；否则丢弃数据报。