U4网络层

这是一篇关于U4网络层的思维导图，主要内容包括：互联网的路由器选择协议，IPv6，网际控制报文协议ICMP，IP层转发分组过程，网际协议IP，概念。

U4网络层

• 概念
  • 网络层提供的两种服务:①互联网设计思路：网络层要设计的尽量简单，向其上层只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务（数据报就是分组）②网络发送分组：1.在发送之前不需要先建立连接2.每一个分组独立发送，与其前后分组无关3.网络层不提供服务质量承诺（运输层负责可靠运输）
    • 虚电路服务与数据报服务的差别：①数'无需建立连接②可靠通信不由网络保证③数据报服务到达终点的顺序不一定按发送的顺序④端到端的差错处理和流量控制，虚'可以由网络负责，也可以由用户主机负责；数’由用户主机负责⑤终点地址：仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号；每个分组都有终点的完整地址，即P地址⑥当节点出故障时：所有通过出故障的节点的虚电路均不能工作；出故障的节点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化⑦分组的转发：属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发；每个分组独立查找转发表进行转发（路由器）
  • 网络层的两个层面
    • 在路由器之间传送的信息分为：①转发源主机和目的主机之间所传送的数据②传送路由信息，目的是为了在路由器中创建路由表，并由此导出转发分组而用的转发表，为第一类数据传送服务
    • 数据层面：每一个路由器根据本路由器生成的转发表把收到的分组，从查找到的对应接口转发出去（独立地）（IP协议属于数据层面）（分组转发）
    • 控制层面：路由器必须和相邻的路由器经常交换路由信息，然后才能创建本路由器的路由表（协同动作）（路由选择协议）（路由选择）
• 网际协议IP
  • 虚拟互连网络
    • 中间设备（将网络相连）：物理层使用转发器；数据链路层使用网桥以及交换机；网络层使用路由器（router）；网络层之上使用网关
    • 在讨论网络互连时都是指用路由器进行网络互连和路由选择，由于参加互连的计算机网络都使用相同的网际协议IP，故把相连后的网络看成虚拟互连网络。互联网由多种异构网络组成。
    • 分组在传送途中的每一次转发都称为一跳，最后一跳为直接交付，其余为间接交付
  • IP地址（没有则无法和网上其他设备通信）（唯一）
    • IP地址及其表示方法
      • IP地址就是给连接到互联网上的主机（或路由）的每一个接口分配一个全球唯一的32位标识符
      • 网络号+主机号（网络号越长，主机号越短，可分配主机数量越少）
    • 分类的IP地址
      • 单播地址：A（网络号8位）B（16）C（24）；多播地址：D（只能做目的地址，IP多播）；E是保留地址；一般不指派的特殊IP地址，全0：本网络上的本主机，全1：该网络上的所有主机
    • 无分类编址CIDR
      • 网络前缀（网络号）：网络前缀任取值，‘/’后面表示网络前缀所占位数，如：128.14.35，7/20（前20位是网络号）
      • 地址块：网络前缀相同的所有连续的IP地址组成一个“CIDR”地址块，例：IP地址：128.14.35.7/20=10000000 00001110 00100011 00000111这个地址的最小地址：128.14.32.0，最大地址：128.14.47.255，这个地址块的IP地址共有2^12个，出去全0、1，可指派地址2^12-2个；128.14.32.0是包含多个IP地址的地址块或网络前缀或主机号全0的地址；对于分类的IP地址可不用指明前缀
      • 地址掩码（子网掩码）（使用二进制使计算机能够从IP地址中算出网络地址）：1的个数就是网络前缀的长度，例：A类255.0.0.0→11111111 00000000 00000000 00000000，把二进制的IP地址和地址掩码进行按位AND运算（1 A 1=1,1 A 0=0,0 A 0=0）可得网络地址
        • 特殊的地址掩码：①前缀n=32，没有主机号，这个特殊的IP地址用于主机路由②n=31，只有2个IP地址，用于点对点链路~4.4③n=0同时IP地址也全是0，用于默认路由
        • 每个CIDR地址块中的地址数一定是2的整数次幂，除特别几个，CIDR地址块都包含多个c类地址，又是称CIDR编码为构造超网
        • 路由聚合：一个大的CIDR地址块往往含多个较小的地址块，所以在路由器的转发表中就利用较大的一个CIDR块代替许多较小的地址块，压缩转发表所占空间，减少查找转发表所用时间
    • IP地址特点
      • ①每一个IP地址由网络前缀+主机号构成（根据目的主机所连接的网络前缀(即地址块)来转发分组（而不考虑主机号）②实际上IP地址是标志一台主机和一条链路的接口。多归属主机：同时连接到两个网络上就同时拥有两个不同的IP地址（路由器）③用转换器或交换机连接起来的若干个局域网仍为一个网络④所有分配到网络前缀的网络（不管覆盖范围的大小）都是平等的
      • ①在同一个局域网上的主机或路由器具有相同的网络号②以太网交换机是链路层设备只有MAC地址③当两个路由器直接相连连线两端的接口处可以不分配IP地址，若要分配则使用/31地址块（点对点链路）④路由器总是具有两个或以上的IP地址，即每个接口的IP地址不同⑤网络地址里的主机号全为0⑥同一个局域网具有相同的网络前缀
  • IP地址与MAC地址（图）
    • 区别：MAC是数据链路层使用的物理地址，IP地址是网络层及以上使用的逻辑地址（IP地址是用软件实现的）联系：发送数据时，数据从高层到低层，然后才到通信链路上传输。IP数据报一旦交给数据链路层就被封装成MAC帧。MAC帧在传输时使用MAC源地址和目的地址，通信设备收下的MAC帧去除首尾后把MAC层的数据上交给网络层，网络层才能找到IP数据报的源IP和目的IP
    • ①路过的路由器的IP地址不出现在IP数据报的首部，首部始终是源地址和目的地址②路由器只根据目的站的IP地址进行转发③在链路层只看见MAC帧，MAC首部的变化IP层是看不到的（IP层屏蔽下层复杂的细节）
  • 地址解析协议ARP
    • 解决的问题：知道IP地址，要找出相应的MAC地址（网络层使用IP地址，但在网络链路上传送数据帧是最终使用链路层的MAC地址）；方法：在主机的ARP高速缓存中存放本局域网IP地址到MAC地址的映射表（不在同一个局域网：通过与主机连接在同一个局域网的路由器转发）
    • 工作原理：①在局域网中广播一个ARP请求分组，内容为：我的IP地址是...，MAC地址是...，我想知道IP地址为...主机的MAC地址②局域网中的所有主机都收到请求③主机的IP地址与请求的相同则收下并响应，进行单播，内容为：我的IP地址是...，MAC地址是...④收到响应分组后写入映射⑤每个映射地址都有生存时间
    • 使用ARP的四种情况：①同局域网的2个主机②不同局域网的2个主机③连接在同一个网络的路由器和主机④连接在不同网络的路由器和主机
  • IP数据报格式
    • 首部（20固定字节+可选）+数据
    • 首部的固定部分：①版本（4位）：IPv4还是6②首部长度（4）：最小值是5（0101，最大值1111）③区分服务（8）④总长度（16）：首部和数据之和的长度，数据链路层规定数据帧的数据字段最大长度MTU，以太网规定是1500字节（太长分片）⑤标识（16）：每产生一个数据报则计数器+1，并把此值赋给标识字段，要分片时会被复制到所有数据报片的标识字段，相同的标识字段值使分片后能重新组装⑥标志（3）：最低位为1表示后面还有分片，为0表示这是数据报片的最后一个；中间位当0时才能进行分片⑦片偏移（13）：某片在原分组中的相对位置，以8个字节为偏移单位⑧生存时间TTL（8）：防止无法交付的数据报兜圈子，路由每转发一次就减1（跳数限制），减为0就丢弃，初始值设置为1时，说明只能在本局域网内传送⑨协议（8）：ICMP 1,IGMP 2,IP 4,TCP 6,UDP 17,OSPF 89⑩首部检验和（16）：只检验首部，不检验数据部分，结果为0则无差错（图）（11）源地址（32）：发送方（12）目的地址（32）：接收方
• 互联网的路由器选择协议
  • 基本概念
    • 理想的路由算法：①正确和完整②计算上简单③自适应性④稳定性⑤公平⑥得出较为合理的选择
    • 分层次路由选择协议：①内部网关IGP:一个自治系统（AS）内，有RIP和OSPF②外部网关协议EGP；自治系统之间的路由选择叫域间路由选择，自治系统内部的叫域内路由选择
  • 内部网关协议RIP：基于距离向量（自己到其他每一个目的网络的距离记录）
    • 距离等于16时不可达；仅和相邻路由交换信息，交换的信息是当前本路由器知道的全部信息；更新的原则：找出到每个目的网络的最短距离
    • 距离向量算法（图）：对每个相邻路由器发来的报文作如下处理①修改：对地址为X的相邻路由发来的保文，距离+1，将下一跳地址都改为X，每个项目3个关键数据即：目的网络Net，距离d，下一跳路由X②添加：原先没有的目的网络，否则若下一跳路由为X则把收到的项目替换原路由表中的项目，否则若d小于原距离则更新③若3分钟未收到更新的路由表，则把此相邻路由器记为不可达路由距离设置为16④返回
    • 特点：①坏消息传播得慢：网络发生故障要经过长时间才能传送到所有的路由器②网络规模有限（最大距离15跳）③简单，开销小
  • 内部网关协议OSPF：基于链路状态洪泛法
    • 特点：①向本自治系统中所有路由器发送信息（洪泛：只能上到下）②发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态③每隔一段时间就洪泛④所有路由器最终都能建立一个一致的链路状态数据库（全网拓扑图，RIP就只能知道距离和下一跳）⑤更新收敛得更快⑥若同一个目的网络有多条相同代价得路径，可将通信量分配给这几条路径—负载均衡（RIP只有一条路径）⑦通过划分区域来洪泛（图）
    • OSPF的5种分组类型：①问候：发现和维持邻站可达性②数据库描述：自己所有链路状态的信息③链路状态请求：向对方发送某些链路状态项目的信息④链路状态更新：洪泛⑤链路状态确认：对链路更新分组的确认；OSPF直接用IP数据报传送（图）只要有一个路由器链路状态改变就要更新，使用洪泛
  • 外部网关协议BGP：采用路径向量路由选择协议
    • BGP路由：iBGP、eBGP，发送内容：X（前缀）,AS1（自治系统路径）,R1（下一跳）意思是从R1经AS1可到达X（图）；！！！一个AS内两个路由器即使没有物理连接，他们之间仍有iBGP连接
    • 3种不同的自治系统AS：末梢、穿越、对等（图）
    • BGP的路由选择
      • ①本地偏好（人为设定）②AS跳数最少③热土豆（分组在AS内转发次数最少）④选择路由器BGP标识符（具有多个接口的路由器有多个IP地址，标识符使用的是IP地址中数值最大的那个）数值最小的路由
    • BGP5种报文（图）：①OPEN:与BGP连接对等端建立关系②UPDATE（核心）：通告某一路由信息③KEEPALIVE:周期性证实与对等端的连通性④NOTIFICATION:发送检测到的差错（每个路由都有一个保持时间计时器，在商定的时间内未收到对方发来的报文则认为对方已不能工作）
  • 路由器的构成
    • 结构=路由选择部分+分组转发部分（交换结构、一组输入输出端口）
      • 选择部分（控制层面）：核心构件是路由选择处理机--根据所选定的路由协议构造出路由表，并进行更新
      • 分组转发（数据层面）：
    • 交换结构（在路由器中的网络）：作用--根据转发表对分组进行处理，从一个合适的端口输出，分组丢失就是发生在路由器中的输入输出队列产生溢出的时候；交换结构类型：①通过存储器②通过总线③通过互连网络（N个输入端口N个输出，2N条总线，是一种无阻塞的交换结构，若输出端口被占用，后到达的分组则在输入端口排队）
• IPv6
  • IPv6基本首部
  • IPv6地址
  • 从IPv4向IPv6过渡
  • ICMPv6
• 网际控制报文协议ICMP
  • 前4字节（统一是类型+代码+检验和）+ICMP类型（4）+数据字段（长度取决于类型）
  • ICMP报文种类
    • 差错报文：①终点不可达②时间超过（TTL=0）③参数问题：数据报首部有的字段值不对④改变路由（找到了更好的路由）
      • 不发送差错报文的情况：①对ICMP差错报文不再发送②对第一个分片所有后续数据报片③具有多播地址的数据报④具有特殊地址（0.0.0.0或127.0.0.0）
    • 询问报文：①回送请求或回送回答：收到此报文的主机必须给源发送回答报文②时间戳请求：发送方能够计算当前网络往返时延
  • ICMP应用举例
• IP层转发分组过程
  • 分组转发算法步骤：①从首部提取IP地址(即目的地址)②查找到有特定主机路由则按照这条路由下一跳转发，否则从转发表下一行开始检查③把这一行子网掩码与目的地址进行按位AND，匹配则在本网络内，查找结束按下一跳转发，否则对下一行进行检查重新执行③，否则④；④若转发表有一个默认路由则传送给指明的默认路由，否则，报错
  • 基于终点的转发：基于首部的目的地址
    • 将要发送的分组的目的地址与本网络的子网掩码进行按位AND（图），若等于本网络前缀则表明目的主机连接在本网络上；否则则将分组发送给本网络相应的路由
  • 最长前期匹配：在采用CIDR编址时，若一个分组在转发表中可找到多个匹配的前缀，那么应当选择前缀最长的一个作为匹配（前缀越长，地址块越小，越具体）
    • 特殊：主机路由（32位前缀）默认路由（0.0.0.0/0，不管目的在哪都由指定路由器R来处理）
  • 使用二线索查找转发表（图）
• 区分网络地址、网络号
• TCP/IP体系中的网络层常常被称为IP层
• TCP：传输控制协议