当前位置：首页 > article >正文

入门车载以太网(3) -- 网络层

article 2024/11/7 1:18:20

1. 网络通信示例

2. IP地址类别

3. IP数据报

4. 小结

今天继续车载以太网，聊聊网络层。

1. 网络通信示例

我们首先回顾车载以太网的数据传输模型。

从7层开始(车载以太网模糊了5-7层，统称应用层)，每个中间层都为上层提供功能，享受其下一层提供的服务。

而网络层位于模型的第3层，负责处理IP数据包在不同网络间的传输、路由、拥塞控制和流量控制，在该层级使用 IP 地址找到最终目的地。

为什么会出现网络层呢？我们假设以下两种网络通信场景：

当通信双方出现在同一局域网里，可利用交换机直接使用MAC寻址方式进行通信；
当通信双方出现在不同网络时，数据链路层无法直接通信（试想几万台设备通过交换机通信的成本？），因此就需要三层IP地址进寻找目标设备。

我们以Alice和Bob为例，在北京的Alice通过电脑微信客户端向身处上海的Bob的手机发送消息“Hello Bob”，很明显这2个设备没有物理连接，使用多个交换机利用MAC寻址进行数据透传也不现实，那么有没有其他办法呢？路由器就派上了用场，它作为一台拥有独立MAC地址的设备，可以对数据进行转发，承担了网关的作用。

由于MAC地址是设备制造商在出厂生成时固定烧录的，一般来说只要不人为修改，MAC地址就是固定的，就像门牌号一样具备唯一性。如果通过MAC地址想要组建自己的子网，那就必须通知厂商生产时按照你的规划来设置MAC地址，It's totally imTMpossible。

因此在第三层网络层出现了IP地址，常理讲这个地址是逻辑地址，可以自由设置。但我们先把其通信原理讲清楚，再讲IP地址的分类。

首先假设有两个子网段（192.168.0.1\192.168.1.1）（不要纠结怎么来的，先记住它），网段内通过交换机进行数据透传，网段间通过路由器进行数据转发，如下：

ECU0要给ECU1发送数据，整个数据包格式如下：

这种情况下，IP地址没有起到作用，只需要交换机就可发出去。

但如果ECU0要给ECU4发送数据，就需要先把数据发给路由器，再由路由器转发给ECU4；

在ECU0 -> 路由器这一路径下，数据包格式如下：

在路由器 -> ECU4这一路径下，数据包格式如下：

敏锐的你想必已经发现了，在ECU0 -> ECU4这条通路下，变化的只有MAC地址，IP地址始终不变，就好像我给你写信，不管这个信是通过什么交通方式（飞机、火车、汽车）送到你手上，寄信人始终是我，收信人始终是你。

在上述通信过程中，我们深入研究下去，会发现几个问题：

ECU0是如何知道要把数据丢给路由器？路由器IP地址怎么来的？

既然把数据丢给路由器，那ECU0肯定知道接收节点不在一个网段内，如何判断？这就引入了子网掩码概念，我们假定子网掩码为255.255.255.0，ECU0只需要“与”上掩码，如下：

源IP：  192.168.0.1 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0
目标IP：192.168.1.1 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0

就可发现目标IP不在一个网段，那就交给路由器处理吧。

路由器每个端口都有MAC地址，哪总得有个IP地址吧，默认网关的概念又出现了。

如上图，①代表路由器端口位于子网段0，IP地址192.168.0.254；②代码路由器端口位于子网段1，IP地址192.168.1.254。

ECU0在首先配置在该网段的默认网关IP地址为192.168.0.254，一旦发现接受方不在同一网段，它就往这个默认网关这个地址发数据。

这是网络层的部分内容，但实际上数据还是得从数据链路层->物理层发送出去，ECU0是如何知道路由器MAC地址的，这又引入了ARP(Address Resolution Protocol)，ECU0广播一条ARP请求，各个节点就会带上自己MAC地址响应，通过这种方式最终实现了网段内ARP缓存表完整，如下表：

路由器是怎么知道从哪个端口把数据扔给ECU4？

如同交换机有自己的SAT（Source Address Table）一样，路由器要完成数据转发，也要维护自己的路由表，该路由表记录目标网段地址、子网掩码、对应端口或者下一跳。

值得一提的是，子网掩码转为二进制表现形式b11....11000，那么掩码前多少位就表示对应子网的网段，例如子网掩码255.255.255.0前24位用于网段表示，因此，这个路由表一般又按如下格式表示：

路由器从端口3接到ECU0发过的报文，发现目标IP地址处于网段1，查找路由表发现是网段1对应端口6，然后再从ARP中找到IP地址对应的MAC地址，最终在数据链路层重新添加头，经由交换机转发给ECU4。

至此，一个简单的通信示例就完成了，这里面涉及到的概念有子网、子网掩码、默认网关、ARP、路由表，每个概念都可以单独再深挖，这里暂时不表。

2. IP地址类别

在第一小节，我们给每个ECU都分配了IP地址：192.168.1.xxx，这个是怎么来的呢？

这就不得不提到IP协议，IPv4和IPv6。

IPv4规定IP地址长度为32位，因此理论上就可以表示2^32 近42亿个终端设备。为方便记录，IP地址分为了4个8位字段，每个字段用十进制表示，采用点-数记号法，例如100.100.101.111。一般来说，前3个字段表示网络ID，后1个字段表示设备主机ID。

除此之外，IP地址考虑不同规模网络需求，定义了5类地址空间类别，A至E类，具体如下：

A类地址可用于少量的大型网络，B类地址用于中等规模，C类地址适用小型网络。根据RFC1918"Address Allocation for Private Internets"规定，IANA还将A、B、C类地址预留一部分作为私有地址(Private Address)，具体如下：

A类：10.0.0.0 -- 10.255.255.255，1个网络--16777216（2^24）个节点
B类：172.16.0.0 -- 172.32.255.255，16个网络--65534(2^16)个节点
C类：192.168.0.0 -- 192.168.255.255，256个网络 -- 254个节点

因此，192这个怎么来的就不言而喻了。

3. IP数据报

在了解了IP地址类别之后，我们继续来看看IPv4数据报格式。

首先，在MAC层以太网帧Ethertype用0x0800来表示IPv4类型报文，

IPv4数据报总体如下图所示：

在IP层的数据报每个位域描述如下：

Version：使用的IP版本号，IPv4 = 4;
IHL: Internet Header Length，单位DWORD(32bits)；
DSCP：Differentiated Service，Traffic Management；
ECN：Explicit Congestion Notification，扩展探测丢弃的数据包；
Total Length：数据和头的总长度；
ID：一帧报文的不同分片；
Flag：是否切片，bit1（不分片）、bit2（分片）
Fragment Offset：分片偏移；
Time to Live：每次路由减1，如果到0，数据包就丢弃；
Protocol：第四层的协议；
Source IP Address：源IP地址
Options：一般来说，这部分都为空