第四章网络层

网络层：主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。
分组是对数据报的切割的片段。
流量控制：接收方控制。
拥塞控制是全局的

数据交换方式：

①电路交换
②报文交换
③分组交换：数据报方式、虚电路方式

①电路交换

（自己复习：链路分为：广播式（介质访问控制：在广播信道中）、点对点式；链路层传输的帧，目前不考虑可靠传输）

②报文交换

报文：源应用发送的信息整体。（应用层）

③分组交换：数据报方式、虚电路方式

分组：把大的数据块切割成小的数据块
分组较短：出错几率降低，所以可靠性更高。
对缓存大小要求降低。

报文交换&分组交换
报文交换式串行；分组时并行转发思想

三种数据交换方式比较：

数据报方式&虚电路方式：

几种传输单元名词辨析：
报文--分割报文段--ip数据报（目的地址、源地址），过大的话分割成分组--
网络层传输单元是分组。
到链路层，加头加尾。头就是 MAC地址物理地址。尾：帧检验序列。

数据报：无连接
（网桥也有转发表）

虚电路：

数据报&虚电路：

IP数据报格式

TCP/IP协议栈：

IP数据报格式：
数据部分是传输层的数据单元
任何数据报的固定部分是20字节，可变部分可有可无，大多数情况下都是没有的。

IP数据报格式：首部
首部长度：单位是4B，指明首部的长度是 X x 4B， X≥5
区分服务很少使用
标识、标志、片偏移：之后
协议：数据部分所使用的协议

首部检验和：检验使用的是二进制求和。只检验首部，不检验数据部分，每经过一个路由器都要检验一下，发生变化之后，数据报有没有出错，出错就把数据报丢弃。没错就继续传输。
源地址、目的地址：IPv4是32位。

IP数据报分片

最大传送单元：
MTU就是中间的数据部分最大长度。
过大的话就要分片。

IP数据报首部中的三个标志字段对于分片的作用：
标识：同一数据报的分片使用同一标识。
标志：
片偏移：

IP数据报分片例题：

IPv4地址：

发展：分类的IP地址--子网的划分--构成超网（无分类编制方法）
IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器或主机的接口；；并不是一个IP就标识一个主机，一个主机可以有很多个接口（有线上网，有线接口；无线上网，无线接口）。一个路由器有很多个端口，每个接口都会分配唯一的IP接口。
IP地址：：={<网络号>,<主机号>}
网络号：确定主机所在的范围。主机号：该区域内的哪一台主机。或者哪一个接口。
点分十进制：
互联网中的IP地址：
一个个区域都是局域网。因为网桥不能分隔广播域的，所以用网桥连接的网段（链路层设备）是一个局域网(局域网使用广播信道)。
路由器的每一个接口都有一个不同的网络号IP地址，所以说路由器可以分割广播域。
绿色区域：无编号网络，是由一段连线构成的。

分类的IP地址：合理划分IP地址资源

广播经过路由器会被隔离。不会被转发出去
0.0.0.0 : 只能作为源地址
网络号全零：本王范围内的主机。
255.255.255.255：如果发送目的地址是全1，就是发送一个广播信号，向本网络所有主机发送广播数据报。（不能通过路由器）
127.0.0.1
特殊IP地址：

私有IP地址：
内部网络使用的，放在互联网上，路由器不认的。（至于内部网络如何与外部通信，用到的技术是NAT技术）
网段个数：网络号

分类IP地址边界：
A：去掉一个全0，和全1的
B：128.0这个网络号是不可以指派的

网络地址转换NAT技术

NAT路由表
私有IP地址：路由器对目的地址是私有IP地址的数据一律不进行转发。
只需要在专用网和因特网连接的路由器上安装一个NAT软件；
WAN：广域网（外网端）；LAN局域网（内网端）
端口号：进程的标识。不同主机统一进程可以相同。
：A主机要和B主机通信，在网络层要封装：
源IP地址 | 目的IP地址
源IP地址：专用网主机的ip地址192.168.0.3
目的IP地址：213.18.2.4
到传输层，加端口号：假设30000
到达NAT路由器，源IP地址替换成WAN中使用的的172.38.1.5和端口号40001；
从外网发进来：

子网划分 & 子网掩码

子网划分

子网划分就是把主机号划分为：子网号、主机号
子网号是相应单位自己定的，对外不表现。
主机号至少要留两位。因为如果留一位，0或1，因为主机号不能是全0或者全1，全1全0都是特殊的ip地址不能被指派的。
子网号能够全0全1看情况：

例子：

子网掩码：
主机部分全为0

两级IP就是没有划分子网。三级IP就是已经划分子网。
子网掩码和目的IP地址相与得到子网网络地址。
已知主机的IP地址，和子网掩码，求主机所在的网络地址是多少。

子网掩码：网络号+子网号 = 全1，主机号部分 = 全0
以下例子，网络号+主机号= 16+6 = 22全1；
主机IP地址所在的网络：180.80.76.0，剩下的主机号部分全是1

使用子网是分组转发：

无分类编址CIDR（构成超网）

变长的子网掩码
全0本网络，全1是广播地址，所以不能用这个作为主机号
子网掩码1的位数是网络前缀的位数，剩下的主机号位数全为0

CIDR地址块……；地址掩码（子网掩码）：地址块部分全是1，主机号部分全是0
根据一个CIDR记法IP地址可以得到最小地址和最大地址

构成超网：将多个子网构成一个交大子网，叫作超网。
路由转发表这便是两列，上一节是三列

最长前缀匹配：
0.0.0.0/0：默认路由，如果在路由表中没有找到匹配地址，交给默认路由，默认路由再去寻找别的路由器有没有。。。
想办法找到相应的网络。
选第二个，网络前缀更长的哪一个。

ARP协议

设备如何获取MAC地址？

在数据封装过程中，根据每一层加上不同的头或者尾。网络层的头部加上ip地址（逻辑），链路层头加上MAC地址（目的）。

发送数据的过程
网络层：IP1是源主机地址，IP3目的主机地址
链路层：加上MAC地址；除了MAC1源MAC地址，还要加上目的MAC地址。对于目的主机的MAC地址是不知道的，需要ARP协议。
对于每一台主机都有一个ARP高速缓存（IP地址与MAC地址的映射，所存的都是局域网内部主机的表项，包括连接的该局域网的路由器的端口的IP地址映射）

在同一个局域网内：

查询1号主机的ARP高速缓存，找到3号主机的IP和MAC映射，然后填入3主机的MAC地址。
还加其他……
如果在1号主机的ARP高速缓存中没有找到，使用ARP协议。
首先广播一个ARP请求，
自己IP地址|待查寻的IP地址|自己MAC地址|FF-FF-FF-FF-FF-FF

因为交换机对广播信号没有屏蔽，所有信号到达局域网内的每一个主机，并且到达路由器丁得一端。
目的主机返回一个单波的ARP响应分组。单波只会从源地址到目的地地址，不会转发给其他端口。相应分组：

不在同一个局域网内的APR协议的使用：

MAC地址有差别
路由器有多个端口，也有多个IP地址和多个MAC地址
如果1号主机
①封装，数据链路层只能封装到MAC1地址。
ARP高速缓存只能缓存本局域网内的IP地址和MAC地址的映射
②源主机用自己的子网掩码和目的地址的IP相与，判断是否在同一个局域网内。
③不在，查询默认网关（本局域网与外界沟通的路由器）的MAC地址
④那么链路层的目的地址的MAC填的是默认网关的MAC地址。
⑤获取默认网关的MAC地址：源主机发送一个广播ARP请求分组；IP填的是默认网关的IP6

此时，默认网关回复一个单波ARP相应分组：

⑥获取到默认网关的MAC地址，然后封装链路层

⑦到达路由器后，因为路由器是三层结构，解封装、封装自上而下。。（目前不考虑NAT情况，所以源IP地址和目的IP地址是不变的）。此时源MAC地址和目的MAC地址改变（此时用的是点对点式通信PPP协议）。（数据的IP是不变的，广播时候是变化的）

MAC9再次使用一个ARP协议

ARP协议的特点：

每获取一次MAC地址就是用一次ARP协议（在缓存中查找不算）

DHCP协议（IP的动态获取）

主机如何获取IP地址？ ①静态配置 ②动态配置

①静态配置：IP地址、子网掩码、默认网关
②动态配置：DHCP服务器

DHCP动态主机配置协议是应用层协议，使用客户/服务器方式，客户端和服务端通过广播方式进行交互，基于UDP。
将此应用层协议放在网络层，是因为该协议为网络层通信提供基础，有DHCP才有IP地址……

ICMP协议

ICMP协议支持主机或路由器：①差错或异常的报告 ②网络探询
通信过程中，对于错误的分组，在网络层丢弃掉。要发送特定的ICMP差错报告报文。

ICMP数据报：

ICMP报文装在IP数据报的数据部分。
ICMP报文中的检验和：区分：IP数据报首部中的检验和只检验首部部分，不检验数据部分。检验该报文是否出错。

ICMP报文的类型：①ICMP差错报文 ②ICMP询问报文
①ICMP差错报文：

ICMP差错报告报文的拼接；（ICMP报告报文是IP数据数据报的数据部分）

不该发送ICMP差错报告报文的情况：

②ICMP询问报文：

ICMP的应用

IPv6

32位的IPv4地址空间已分配殆尽，CIDR和NAT治标不治本。
改进首部，首部瘦身，加快路由器效率。实现快速处理/转发数据报功能、支持Qos

IPv6数据报格式：
有效载荷包括两个部分：一个是数据部分、一个是选项部分（扩展首部），相当于把IPv4可变部分挪到了有效载荷中，所以IPv6的基本首部就是固定的40字节。
扩展首部：如果数据报要增加某些功能，就放在扩展首部中。

有效载荷长度：扩展首部/数据部分大小
下一个首部：基本首部中也有一个下一个首部字段，指向的是扩展首部1，每一个扩展首部中都有下一个扩展首部的字段，那么扩展首部1中的下一个首部指向的是扩展首部2……最后一个指向数据部分，数据部分就是上一层传过来的报文段。
跳数限制：相当于TTL。当在路由器上达到0，就会把数据博爱丢弃，并且返回一个ICMP差错报告报文。
源地址和目的地址都是：128位，在IPv4上是32位。

IPv4和IPv6区别：
如果分组过大，在链路层无法传输，只能在路由器丢弃掉，并使用ICMPv6返回一个差错报告报文。
IPv4使用的协议字段：分组携带的数据使用的是什么协议，也就是分组的数据部分交给传输层的哪个协议。

IPv6地址表示形式：
表示方式没有了点分十进制。
此时用冒号十六进制记法：

IPv6基本地址类型：

任波：给任波组内的一台主机发送数据报（通常是最近的一台）

IPv6向IPv4过度的策略：
隧道技术：IPv6路由器上的数据报包装成IPv4的数据部分，以在IPv4的数据报传输，到了IPv6这里取出数据部分即可。

路由算法及路由协议

路由器转发表：

路由算法分类：①静态路由算法(非自适应) ②动态路由算法(自适应)

分层次的路由选择协议：

RIP协议及距离向量算法（应用层的）

RIP协议：是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，简单。

1、只和相邻的路由器交换信息
2、交换的信息是：自己的路由表
3、每30秒交换一次路由信息，然后路由器根据最新信息更新路由表。若超过180秒没收到邻居通告，则判定路局没了，并更新自己的路由表。

距离向量算法：

OSPF协议及链路状态算法（洪泛法）

链路状态路由算法：

OSPF的区域：

网络层协议：

BGP协议

BGP是应用层协议：一个繁衍人要和其他发言人交换信息，要先建立TCP连接，再交换BGP报文，利用BGP会话交换路由信息。

BGP-4四种报文：

三种路由协议比较：

IP组播

IP数据报的三种传输方式：
组播：到达目的主机之前才开始复制数据

到最后一步，一个数据报才会标称很多个数据报，分发给主机。

如何知道局域网中的主机是不是一个组播组呢？
（接受同一组播的主机叫作同一个组播组主机）
IP组播地址：
在因特网通信过程中，每一台主机都要有全球唯一的IP地址，如果某主机想要接受特定组播分组，如何使得多播数据报传送到该主机中呢？显然，组播数据报的目的主机不能写特定主机的IP地址。这样写的话，只会发给这个主机。组播组其他主机收不到。所以需要一个新的地址，该主机需要产生一个新的地址，来接受组播的数据报。组播组中的其他主机都有这样一个组播地址。
这个主机要产生一个新的地址来接收数据报。其他组播组中的主机都可以由这样一个IP组播地址，接受发送给该组播组的数据报。

因特网范围内的组播、硬件组播
硬件组播：局域网范围内，组播数据报如何交付给相应的主机

最低23位决定了多播地址的范围，
最低23位和MAC地址有一个映射关系：决定是否属于一个多播组的
可能IP地址那5位不同，表示不同的组播组。但是剩下23位一样，导致MAC地址一样。