计算机网络知识点总结——第四章网络层

一、网络层概述

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。
功能

1. 路由选择与分组转发（寻找转发最佳路径）
2. 异构网络互联
3. 拥塞控制（若所有结点都来不及接收分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态）
   控制方法有两种：
   开环控制（静态）：网络开始前，考虑所有有关发生拥塞的情况。
   闭环控制（动态）：采用监听的方式检测并调整。

二、IPv4

IP数据报格式

IP数据报若过大，则会进行分片，分出来的组为数据传输单元。

版本：IPv4/IPv6
首部长度：单位是4B，最小是5即20B
区分服务：指示期望获得哪种类型的服务
总长度：首部+数据，单位是1B，占16位，所以最大为2¹⁶-1=65535B,但以太网最大传送单元MTU为1500B，超过MTU将会被切片。
生存时间（TTL）：IP分组的保质期，经过一个路由器-1，变成0则丢弃。
协议：数据部分的协议编号，⭐6–TCP，UDP–17⭐
首部检验和：只检验首部，不检验数据部分。
源地址&目的地址：32位（IPv4）
可选字段（可有可无）：0-40B,用来支持排错、测量以及安全措施。
填充：全0，把首部补成4B的整数倍。

IP数据报分片
最大传送单元（MTU）：链路层数据帧可封装数据的上限，以太网的MTU是1500B。当所传送的数据报长度超过MTU则进行分片。

标识：同一数据报的分片使用同一标识。
⭐标志⭐：只有两位有意义。x _ _。中间位DF（Don’t Fragment）：DF=1，禁止分配，DF=0，允许分片。最低位MF（More Fragment）：MF=1，后面还有分片，MF=0，代表最有一片/没有分片。
⭐片偏移⭐：指出较长分组分片后，某片在原分组的相对位置，以8B为单位。片偏移量=前分片数据长度总和/8B。

IPv4地址

IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，表示路由器（一个接口一个IP地址）、主机的接口。
分类的IP地址


弱点：

1. IP地址空间的利用率有时很低。
2. 两级IP地址不够灵活

特殊IP地址

• 不能够作为主机的IP地址在互联网上使用
  
  全0，本机地址。全1，广播地址

私有IP地址

• 在互联网上不进行转发的网络。路由器会过滤。
  

网络地址转换NAT

在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。
⭐NAT路由器包含一个 NAT转换表。⭐

A主机在专用网192.168.0.0内，该网段要想访问因特网中的其他主机，例如B，则需要通过NAT路由器，将NAT路由器的全球IP地址作为主机A的代表地址，进行传输数据。主机A在经过NAT路由器时生成NAT转换表，NAT全球IP的端口号对应内部发送数据的主机IP：端口，最后发送回来的数据根据NAT转换表找到对应主机进行分发数据。

⭐子网划分和子网掩码⭐

子网划分

⭐主机号不能全0和全1。⭐
子网掩码

主机位对应为0，网络号位置全为1。
⭐子网掩码与IP地址逐位相与⭐（同1为1，有0为0），就得到子网网络地址。

使用子网时分组的转发

1. 提取目的IP地址
2. 是否直接交付，匹配则直接交付，结束转发
3. 特定主机路由，符合特定路由则转发
4. 检测路由表中有无路径
5. 上述步骤无法执行则发送给默认路由0.0.0.0
6. 上述都无效则报告转发分组出错，丢弃

⭐无分类编址CIDR⭐

背景：B类地址很快将分配完毕，路由表中的表项急剧增长。
特点

1. 消除了传统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念。
2. 融合子网地址与子网掩码，方便子网划分。

⭐CIDR记法⭐：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数。
例128.14.32.0/20.
子网掩码：前20位1

⭐构成超网⭐
将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。
方法：将网络前缀缩短（所有路由地址取交集）

例题

⭐最长前缀匹配⭐
使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果（跟网络掩码按位相与），应选择具有最长网络前缀的路由，前缀越长，地址块越小，路由越具体。

ARP地址解析协议

每一个主机或路由器都含有一个ARP高速缓存：IP地址与MAC地址的映射（解决下一跳走哪，10-20min更新一次）。
在同网段内

• 在网络层中需要对数据帧加上源地址IP和目的地址IP，在数据链路层需要插入源地址的MAC地址和目的地址的MAC地址，但是目的地址的MAC地址不清楚，如果ARP高速缓存中有映射存在，则填入，不存在则发送广播ARP请求分组。当目的主机响应后会返回一个单播ARP响应分组（包含MAC地址）。然后源主机对帧添加上目的地址的MAC地址，形成比特流的形式在链路上传输。

在不同网段内

• 其他相同，当在ARP高速缓存中没有目的主机的MAC地址，发送主机先用子网掩码和目的IP进行相与，判断是否在一个子网中，不在则目的MAC地址填默认网关的MAC地址。

ARP协议4中典型情况

1. 主机A发给本网络上的主机B：用ARP找到主机B的硬件地址
2. 主机A发给另一网络上的主机B：用ARP找到本网络上一个路由器（网关）的硬件地址
3. 路由器发给本网络的主机：用ARP找到主机A的硬件地址
4. 路由器发给另一网络的主机Ｂ：用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。
   ARP协议自动进行

DHCP动态主机配置协议

动态主机配置协议DHCP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⭐。
DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址，允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。

协议使用过程

1. 主机广播DHCP发现报文，询问是否有DHCP服务器，服务器获得一个IP地址
2. DHCP服务器广播DHCP提供报文。服务器拟分配给主机一个IP地址及相关配置，先到先得。
3. 主机广播DHCP请求报文。主机向服务器请求提供IP地址。
4. DHCP服务器广播DHCP确认报文。正式将IP地址分配给主机。

ICMP网际控制报文协议

ICMP协议支持主机或路由器：差错报告和网络探询
ICMP报文结构

ICMP差错报告报文类型

1. 终点不可达：当路由器或主机不能交付数据报时就向元代你发送终点不可达报文 （数据报无法交付）
2. 源点抑制：当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢 （拥塞丢数据）
3. 时间超过：当路由器收到生存时间TTL=0的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片式，就把已收到的数据报片都丢弃，并向原点发送时间超过报文。（TTL=0）
4. 参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。（首部字段有问题）
5. 改变路由（重定向）：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器。（值得更好的路由）

⭐不应发送ICMP差错报文的情况（选择题可能考）⭐

1. 对ICMP差错报告报文出现的差错不再发送ICMP差错报告报文
2. 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文。
3. 对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文
4. 对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报不发送ICMP差错报告报文

ICMP询问报文

1. 回送请求和回答报文
   主机或路由器向特定目的主机发出询问，目的主机接收到后必须发回ICMP会送回答报文。⭐测试目的主机是否可达（PING）⭐
2. 时间戳请求和回答报文
   请求某个主机或路由器回答当前的日期和时间，用来进行时钟同步和测量时间。

ICMP的应用

1. PING
   测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文。
2. Traceroute
   跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文。

三、IPv6（没考过）

32位的IPv4地址空间已分配殆尽。IPv6从根本上解决地址耗尽的问题。⭐增加了地址位（128位）⭐

IPv6数据报格式

IPv6和IPv4的区别

1. IPv6将地址从32位（4B）扩大到128位（16B），更大的地址空间
2. IPv6将IPv4的校验和字段彻底移除，以减少每跳的处理时间。
3. IPv6将IPv4的可选字段移出首部，变成了扩展首部，成为灵活的首部格式，路由器通常不对扩展首部进行检查，大大提高了路由器的处理效率
4. IPv6支持⭐即插即用（自动配置）⭐，不需要DHCP协议。
5. IPv6首部长度必须使⭐8B的整数倍⭐，IPv4首部使4B的整数倍。
6. IPv6只能在主机处分片，IPv4可以在路由器和主机处分片。
   ……

IPv6地址表示形式
一般形式 ：冒号十六进制记法：四位的十六进制，共八组。
压缩形式：每一组至少保存一个数组，每组前面的0都可以省略。

IPv6基本地址类型

• 单播
  一对一通信，可做源地址+目的地址。
• 多播
  一对多通信，可做目的地址
• 任播
  一对多中的一个通信，可做目的地地址。

四、路由协议与路由算法

路由算法

• 静态路由算法（非自适应路由算法）
  管理员手工配置路由信息。
  优点：简便、可靠，在符合稳定，拓扑变化不大的网络中运行效果很好，广泛用于高度安全的军事网络和较小的商业网络。
  缺点：路由更新慢，⭐不适用大型网络⭐。
• 动态路由算法（自适应路由算法）
  路由器彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。
  优点：路由更新快，⭐适用大型网络⭐，及时响应链路费用或网络拓扑变化
  缺点：算法复杂，增加网络负担。

分层次的路由选择协议

背景：

• 因特网规模很大
• 许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网。

自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还是用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

内部网关协议IGP

• 一个AS内使用的 RIP（小网络）、OSFP（大网络）

外部网关协议EGP

• AS之间使用的 GBP

RIP协议（UDP）

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单，只适用于小互联网。
RIP协议要求网络中每一个路由器都维护⭐从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录（即一组距离）⭐

距离：通常为“跳数”，即从源端口到目的的端口所经过的路由器个数，经过一个路由器跳数+1.特别的，从一路由器到直接连接的网络距离为1。RIP允许一条路由最多只能包含⭐15个路由器，因此距离为16表示网络不可达。⭐

路由表的建立（路由器间交换信息）

1. 仅和相邻路由器交换信息
2. 路由器交换的信息是自己的路由表
3. 每30秒交换一次路由信息，然后路由器根据新信息更新路由表。若超过180s没收到邻居路由器的通告，则判定邻居没了，并更新自己的路由表。

经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址，即**“收敛”**。

RIP的特点

• 当网络出现故障时，要经过比较长的时间（例如数分钟）才能将此信息传送到所有的路由器，“慢收敛”。即当某网出现故障时，直连路由器到达该网的路由表更新为不可达，但是其他路由器路由表未更新，仍为可达状态，每30一更新，会造成故障检查慢。

⭐距离向量算法⭐

每个路由表项都有三个关键数据<目的网络N，距离d，下一跳路由器地址X>，对于每个相邻的路由器发送过来的RIP报文（使用UDP协议），执行步骤如图：

小节脑图

OSPF协议（IP）

开放最短路径优先OSPF协议：“开放”标明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的“最短路径优先”，使用了DIjkstra提出的最短路径算法SPF。
OSPF协议特点
⭐主要特点就是使用分布式的链路状态协议。⭐

1. 使用洪泛法（网络内所有路由器都能接收到）自治系统内所有路由器发送信息，即路由器通过输出端口向所有相邻的路由器发送信息，而每一个相邻路由器又再次将此信息发往器所有的相邻路由器。广播。
2. 发送的信息就是与本路由相邻的所有路由器的链路状态。
3. 只有当里链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器洪泛发送此信息。
4. 最后所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图
5. 每隔30min，要刷新依次数据库中的链路状态。
6. ⭐当互联网规模很大时，OSPF协议要比距离向量协议RIP好得多⭐。
7. OSPF不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快。

OSPF分组
OSPF分组⭐直接使用IP数据报⭐进行传输。

链路状态路由算法

HELLO问候分组、DD数据库描述分组、LSR链路状态请求分组、LSU链路状态更新分组、LSAck链路状态确认分组

BGP协议（TCP）

边界网关协议BGP协议，⭐支持CIRD⭐
和谁交换信息

• 与其他AS的邻站BGP发言人交换信息（网络边界路由器）
  

交换什么信息？

• 交换的网络可达性的信息，即要到达某个网络所要经过的一系列AS（路径向量）。

多久交换依次？

• 发生变化时更新有变化的部分。

BGP所交换的网络可达性的信息就是要⭐到达某个网络所要经过的一系列AS⭐。当BGP发言人相互交换了网络可达性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各AS的较好路由。

BGP协议报文格式
BGP是应用层协议，借助TCP传送，所以交换信息时，⭐要先建立TCP连接。⭐

BGP的4种报文

• OPEN（打开）报文：用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，并认证发送方。
• UPDATE（更新）报文：通告新路径或撤销原路径
• KEEPALIVW（保活）报文：在无UPDATE时，周期性证实邻站的连通性；也作为OPEN的确认。
• NOTIFICATION（同志）报文：报告先前报文的差错；也用于关闭连接。

三种路由协议比较

1. RIP是一种分布式的基于距离向量的内部网关路由选择协议，通过广播⭐UDP报文⭐来交换路由信息。
2. OSPF是一个内部网关协议，要交换的信息量大，应使用报文的长度应尽量短，所以⭐不适用传输层协议（如UDP或TCP），而是直接采用IP⭐
3. BGP是一个外部网关协议，在不同的自治系统之间交换路由信息，由于网络环境复杂，需要保证可靠传输，⭐所以采用TCP⭐。

五、IP组播

• 单播
  单播用于发送数据包到单个目的地，且没发送一份单播报文都是用一个单播IP地址作为目的地址。是一种点对点传输方式。
• 广播
  广播是指发送数据包到同一广播域或子网内的所有设备的一种数据传输方式，是一种点对多点的传输方式。（广播发送）
• 组播（多播）
  当网络中的某些用户需要待定数据时，组播数据发送者仅发送一次数据，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发，是一种点对多点传输方式（精确发送）

IP组播地址

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址（一群共同需求主机的相同标识）。
组播地址范围为224.0.0.0~239.255.255.255（D类地址），一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。

硬件组播
同单播地址一样，组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余下的六个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到。

IGMP与组播路由算法

一个组播路由器通过IGMP协议可以知道它所连的局域网中是否有可以接受组播数据报的主机。
⭐IGMP使用IP传递报文。⭐

IGMP工作的两个阶段

1. 某主机要加入组播组时，该足迹向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声明自己要成为该组的成员。本地组播路由器收到IGMP报文后，要利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器。
2. 本地组播路由器周期性潭村本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还是组播组的成员。只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组时活跃的；如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。
   ⭐组播路由器知道的成员关系只是所连接的局域网中有无组播组的成员。⭐

组播路由选择协议
目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。构造树可以避免在路由器之间兜圈子。
对不同的多播组队应于不同的多播转发数；同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。

组播路由选择协议常使用的三种算法：

• 基于链路状态的路由选择
• 基于距离-向量的路由选择
• 协议无关的组播（稀疏/密集）

小节脑图

六、移动IP（了解概念）

移动IP技术是移动结点（计算机/服务器等）以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。

相关概念

1. 移动节点
   具有永久IP地址的移动设备
2. 归属代理（本地代理）
   一个移动结点的永久“居所”成为归属网络，在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理。
3. 永久地址（归属地址/主地址）
   移动站点在归属网络中的原始地址
4. 外部代理（外地代理）
   在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体成为外部代理。
5. 转交地址（辅地址）
   可以是外部代理的地址或动态配置的一个地址。

七、网络层设备

路由器

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。

• 路由选择（路由之间，宏观）
  根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期地和相邻路由器交换路由信息而不断地更新和维护路由表。
• 分组转发（路由器端口到端口，微观）
  根据转发表（路由表得来）对分组进行转发。
  若收到RIP/OSPF分组等，则把分组送往路由选择处理机；若收到数据分组，则查找转发表并输出。

⭐路由器的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失最主要的原因。⭐

⭐三层设备的区别⭐

路由器——可以互联两个不同网络层协议网段
网桥——可以互联两个物理层和链路层不同的网段。
集线器——不能互联两个物理层不同的网段

路由表与路由转发

• 路由表根据路由选择算法得出的，主要用途是路由选择，总用软件来实现。
• 转发表由路由表得来，可以用软件实现，也可以用特殊的硬件来实现。转发表必须包含完成转发功能所必需的信息，在转发表的每一行必须包含从要到达的目的网络到输出端口和某些MAC地址信息的映射。