4.2 地址解析协议ARP、IP数据报格式、IP层分组转发流程

IP地址与硬件地址

• IP地址是网络层以上使用的，硬件地址是“数据链路层”和“物理层”使用的。
• 数据帧在路由器间传送时，IP地址不变，“物理地址”每经过一个路由器都会改变。

地址解析协议ARP

• ARP解决“同一局域网”上的主机或路由器间的IP地址和硬件地址的映射问题。
• 每个主机都设有“ARP高速缓存”，存放“IP地址”到“物理地址”的映射表，并动态更新。
• 获取物理地址：主机A的“ARP进程”在本局域网上广播一个“ARP请求分组”，其中包含A的IP地址和硬件地址，B的IP地址。
  主机B收下请求分组，记录下A的IP地址和物理地址映射，并向A发送“响应分组”，其中包含B的硬件地址。
• ARP高速缓存中的“映射项目”都有固定的“生存时间”，超时项目会被删除，下次请求时更新，保证反应网络的最新状态。

IP数据报格式

• 首部的前一部分是“固定长度”20字节，后一部分是长度可变的“可选字段”，最大40字节。
• 首部长度不是4字节的整倍数时，需要将首部填充为4字节的整倍数。
• 如果IP数据报长度超过“数据链路层”的MTU值，IP数据报会被分片处理。
• IP协议规定，Internet中的所有主机和路由器，必须能够接受长度不超过576字节的数据报。
• 版本：IP协议的版本，通信双方必须一致，目前广泛使用的版本号是IPv4。
• 首部长度：占4位，单位是32位字，最小值是5（20字节），最大值是15（60字节）。
• 区分服务：用来获得更好的服务，一般不使用。
• 总长度：首部和数据长度之和。
• 标识：每产生一个数据报，计数器加1，赋给标识字段。当数据报被分片时，用来标识同一个数据报。
• 标志：MF=1表示“还有分片”，MF=0表示“这是数据报分片中最后一个”。DF=1表示“不能分片”。
• 片偏移：表示较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置，以8个字节为单位。
• 生存时间TTL：由发出数据报的源点设置，防止数据报无限制地在网络中“兜圈子”。现在是“跳数限制”，最大值是255，即最多经过255个路由器，每经过一个路由器，数值减1，为0时丢弃。
• 协议：指出此数据报携带的数据使用何种协议，以使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个处理过程。
• 首部检验和：只检验数据报的首部，不包括数据部分。
  每经过一个路由器，都要重新计算“首部检验和”。因为首部的某些字段（如生存时间、片偏移等）会发生变化。

IP层转发分组的流程

• 从一个路由器转发到下一个路由器。
• 路由表中，每个项目最主要的两个信息：（目的网络地址，下一跳地址）。
• Internet对所有分组转发都是基于“目的主机所在的网络”，但同时允许对特定的目的主机指明一个路由。
• 默认路由：可以减少“路由表所占空间”和“搜索路由表所用时间”。
• 转发过程：从数据报首部得到目的IP地址D，网络地址N。
  如果N与此路由器直接相连，则直接交付目的主机（将IP地址转为硬件地址，IP数据报封装成MAC帧，然后发送）。
  否则查路由表，找出下一跳地址。