计算机网络|网络层 笔记

网络层

网络层 IP

网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务
尽最大努力交付：某路由器收到了一个 IP 数据报，在对其首部进行校验后发现该数据报存在错误，路由器 最有可能采取的动作是丢弃该 IP 数据报。
主要协议：

• 网际协议 IP
• 地址解析协议 ARP
• 网际控制报文协议 ICMP
• 网际组管理协议 IGMP

物理层中继系统：转发器 (repeater)、集线器。
数据链路层中继系统：网桥、交换机。
网络层中继系统：路由器 (router)。连接不同异构的网络

直接交付与间接交付

分组到达一个路由器后，通过查找其路由表，如还需向下一个路由器进行转发，称为间接交付。
当分组不需要路由器，可直接向目的主机进行转发时，则称为直接交付。
分组在传送途中，每一次转发都称为一“跳（hop）”

IP地址

IPv4 32bit 8位一组点分十进制记法
IP地址两级结构：网络号net-id+主机号host-id

分类IP地址

A类地址：从1.0.0.0到126.255.255.255。主要用于大型网络。
B类地址：从128.0.0.0到191.255.255.255。适用于中等规模的网络。
C类地址：从192.0.0.0到223.255.255.255。适用于小型网络。
全0表示本网络本主机
全1为本网络受限广播
主机号全为1为net-id上所有主机进行广播

CIDR无分类域间路由选择

斜线记法表明网络前缀的位数
地址掩码address mask又称子网掩码
IP地址、地址掩码按位AND运算得到网络地址

CIDR路由聚合 (route aggregation)

路由器基于分组首部中的目的地址进行转发。
转发过程是：先查找目的网络，找到目的网络后，再直接交付给主机。这样在路由器中，有时就可以将指向多个网络的多条路由记录合并为一条，这就称为路由聚合。
减少路由器之间的路由选择信息的交换
CIDR计算——找到公共部分，子网掩码相与

子网划分

限制广播范围、便于管理
原地址块位数 + 子网号的位数 = 前缀数 = 地址掩码中1的个数
IP 地址是一种分等级的地址结构。管理机构只需分配网络号，方便了管理。路由器仅根据目的主机所在的网络号来转发分组，可以大幅度减少路由表中的项目数。
同一个网络中各主机的网络号部分必须都是相同的。用转发器、集线器、网桥、交换机连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号。
IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。路由器至少应当有两个不同网络号的 IP 地址。

网际协议IP

硬件地址（或物理地址）是数据链路层使用的地址
IP 地址是用软件实现的，是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址
路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择。
两个路由器的 IP 地址并不出现在 IP 数据报的首部中
IP 地址负责指示目的地——不能变
MAC地址负责逐段传输——每个路段都要变

地址解析协议 ARP

从网络层使用的 IP 址，解析出在数据链路层使用的硬件地址
主机内有ARP 高速缓存 (ARP cache)，存有所在的局域网上的有时效的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表
局域网内，A向B发送IP数据报ARP高速缓存有B的IP地址，得到对应硬件地址；没有时A在本地局域网广播ARP请求分组，B收到后回ARP响应分组，A得到的B的IP地址
不再同一局域网内，通过 ARP 找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。

IP数据报格式

首部固定长度20字节，必须有
可选字段长度可变
MTU——数据帧中数据字段的最大长度
以太网的 MTU = 1500 字节
当一个IP数据报封装成链路层的帧时，此数据报的总长度（首部+数据）一定不能超过下面的数据链路层所规定的的MTU值。
如果超过，就需要把过长的数据报进行分片处理。
生存时间——占8 位，记为 TTL (Time To Live)，指数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。路由器每次转发数据报之前就将TTL减1，若为0则丢弃

IP层转发分组过程

基于终点的转发：查找目的网络，交付给目的主机
分组到达一个路由器后，需要经过下一个路由器转发称为间接交付，路由器向目的主机转发称为直接交付
路由表指出，到某个网络应当先到某个路由器

特殊路由：
特定主机路由
CIDR:IP地址/32
例如特殊服务器地址
默认路由default route
CIDR:0.0.0.0
例如网络只用一个路由器与互联网连接

最长前缀匹配longest-prefix matching：
网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体

网际控制报文协议ICMP

Internet Control Message Protocol
IP层标准协议

差错报告报文：

终点不可达：当路由器或主机不能交付数据报时，就向源点发送该报文；
时间超过：当路由器收到生存时间为零的数据报时，将其丢弃，并向源点发送时间超过报文。当终点在预定时间内不能收到一个数据报的所有分片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文；
参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报首部中有字段值不正确时，先丢弃，然后向源点发送参数问题报文；
改变路由（重定向）(Redirect) ：路由器把改变路由报文发送给主机，使其知道下次应将数据报发送给另外的（更适合的）路由器。

询问报文：

回送请求和回答报文：由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问。收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。该报文被用于测试目的站是否可达以及了解其状态。（Ping命令）
时间戳请求和回答报文：请某台主机或路由器回答当前的日期和时间，用于时钟同步和时间测量。

实例

PING (Packet InterNet Groper)
测试两个主机之间的连通性，直接使用网络层 ICMP，没有通过运输层的 TCP 或UDP
tracert，Traceroute
用来跟踪一个分组从源点到终点的路径

IPv6

128位，8段
压缩格式：
省略多个全为0的段为::，一个地址中只能出现一个::
错误示例：abcd:0000:0000:0000:2341:3917:0000:000a->abcd::2341:3917::000a
允许将一个段中前部分的0省略不写，如果不是前导0就不能省略
实现 IPv6 的主机和路由器称为节点，IPv6 地址是分配给节点上面的接口的
采用冒号十六进制记法、零压缩、点分十进制记法的后缀

IPv4向IPv6转变

双协议栈
隧道技术

网络地址转NAT

专用地址只能用作本地地址而不能用作全球地址。在互联网中的所有路由器，对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。
本地地址和全球地址

NAT技术产生的目的：为了缓解 IP 地址空间枯竭的速度
在内部网上使用专用地址的主机如何与互联网上的主机通信
NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址

互连网的路由选择协议

路由选择协议规定了互联网中有关的路由器应如何相互交换信息并生成路由表
非自适应与自适应路由选择
分层次的路由选择协议

自治系统 AS (Autonomous System)

每一个 AS 对其他 AS 表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略
内部网关协议 IGP (Interior Gateway Protocol) ：在一个自治系统内部使用的路由选择协议。如 RIP 、OSPF和IS-IS 协议。
外部网关协议 EGP (External Gateway Protocol)：若源站和目的站处在不同的自治系统中，当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。目前使用最多的是 BGP-4。

路由信息协议 RIP (Routing Information Protocol)

是内部网关协议中最先得到广泛使用的协议。
RIP 是一种分布式的、基于距离-向量的路由选择协议。
RIP 协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。 仅和相邻路由器交换信息
RIP 协议采用UDP协议广播距离向量
从一个路由器到直接连接的网络的距离定义为 1。
从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加 1。
RIP 协议中的“距离”也称为“跳数”(hop count)，RIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。“距离”的最大值为 16 时即相当于不可达

RIP 协议的收敛

距离向量算法

内部网关协议OSPF(Open Shortest Path First)

基于链路状态算法的路由协议
使用洪泛法向本自治系统中所有路由器发送信息。直接用 IP 数据报传送
发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态。
OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域
OSPF 使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫做主干区域

外部网关协议 BGP

是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议
在 AS 之间交换“可达性”信息。边界网关协议 BGP 只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由
每一个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“ BGP 发言人，一般为边界路由器
BGP 协议交换路由信息的结点数量级是自治系统的数量级，这要比这些自治系统中的网络数少很多。

路由器的构成

作用：

• 连通不同的网络。
• 选择信息传送的线路。
• 转发分组。即，按照分组要去的目的地（即目的网络），把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器
  路由器
  控制部分，核心是根据协议构造路由表
  分组转发部分