网络层1

计算机网络网络层导图及其细节，主要包括路由、路由层、IPV4四大板块知识。

六顶思考帽

• 网络层1
  • 路由
    • 异构网络互连
      • 概念：在网络层使用标准化协议（如IP），但相互连接的网络则可以是异构的
      • 物理层或数据链路层的中继系统仅是将网络扩大，其本质扔是同一个网络
    • 路由与转发
      • 路由选择：根据路由协议构造路由表，并从其他路由器得到的网络变化情况，动态更新路由表
      • 分组转发：根据转发表将用户IP数据报从合适端口转发出去
      • 路由表由选择算法得到，转发表由路由表得到。转发表应当查找过程最优化，路由表应对网络  
      • 拓扑变化计算最优化。平时不区分路由表和转发表，统称路由表
    • 拥塞控制
      • 通信子网中因出现过量数据报引起网络性能下降的现象
      • 拥塞控制解决的问题是如何获取拥塞信息并解决拥塞问题，注意区别流量控制
      • 控制方法
        • 开环控制：事先考虑拥塞原因，尽量避免拥塞的静态预防法
        • 闭环控制：基于反馈环路的概念，检测拥塞的产生并处理，是动态的方法
  • 路由算法
    • 静态路由：由网络管理员手工添加和维护路由表，不适用于大型和复杂的网络环境
    • 动态路由：路由器间彼此交换信息，按一定算法得来，不断更新，有助于改善网络性能
    • 距离--向量路由算法
      • 所有节点定期将路由选择表传送给邻接节点，路由选择表中包括目的节点与路径代价
      • 收到路由选择表后，对比自己的路由选择表，若有一条新的路由，则在路由表中添加上；若有一个路径代价更小的路由，则更新 
      • 显然更新报文的大小与通信子网节点数成正比，RIP使用该算法
    • 链路状态路由算法
      • 每个节点都有完全的网络拓扑信息
      • 每个节点主动测试邻接节点的状态，并定期的将链路状态传播给所有其他节点，而不仅仅是其邻接节点
      • 节点收到链路状态报文后，节点更新自己的网络拓扑信息，用Dijkstra算法算出单源节点最短路径
      • 优点：每个节点独立计算路径，易于查找故障。链路状态报文大小与网络中路由节点数无关，规模可伸展
    • 层次路由
      • 随着网络规模扩大，路由表变大，查找路由表变慢，传递路由表占用更大带宽，因此路由选择按层次方式进行
      • OSPF将系统划分出域，路由器只知道本区域路由细节，不知道其他域的路由细节
      • 降低区域内部路由信息通信量，但增加了交换信息的种类，适用于规模很大的自治系统
  • IPV4
    • IPV4分组
      • 数据报的格式
        • IP首部大小为20B，IP数据报总长度不超过65535B
        • 当分组长度超过MTU时，必须分片
        • 校验和只校验分组首部，不校验数据部分
        • 路由器转发分组前，TTL-1。当TTL=0时该分组必须丢弃
        • 协议字段6表示TCP，17表示UDP
      • 数据报分片
        • MTU表示数据链路层能承载的最大数据量，是最大传输单元，用来限制IP数据报长度
        • 分片后的数据报在目的地址网络层合并，依据是首部的标识，标志和片偏移
        • 每个分片有相同的标识。标志有MF和DF两位，MF表示是否是最后一片，DF表示该数据报能否分片。通过片偏移确定该片在原始报文中的位置。片偏移以8B为单位 
      • 网络层转发分组
        • 1、提取目的IP地址，得到目的网络地址N
        • 2、若该地址直接与路由器相连，则直接将数据报交给主机
        • 3、若路由表中有到达网络N的路由，则根据路由表转发该数据报
        • 4、若路由表中有默认路由，则发送到默认路由器。若234都失败，则报告转发分组出错
    • IPV4
      • IP地址由网络号和主机号组成。网络号在全因特网是唯一的，主机号在该网络号下是唯一的。5类IP地址
      • 特殊IP地址
        • 主机号全0表示本网络本身
        • 主机号全1表示本网络广播地址
        • 127.0.0.1用于环路自检，该报文不会出现在任何网络上
        • 32位全0表示本主机
        • 32位全1表示整个网络广播地址。由于路由器对广播域隔离，实际相当于本网络广播地址
    • 特点
      • 网络信息中心分配IP时只分配网络号，由得到IP的单位分配主机号
      • 路由器转发IP数据报的依据是网络号，不考虑主机号，可减小路由表大小
      • 当一台主机连接两个网络时，必须同时有两个网络网络号对应的IP地址（外网地址，内网地址）。  
      • 每个路由器必然至少具备两个IP地址，每个端口至少分配一个IP地址
      • 用集线器，交换机，网桥连接的若干局域网同属一个网络（一个广播域），因此其网络号都相同，主机号都不同
    • NAT
      • 网络地址转换，将专用网络地址转换为公用网络地址，从而对外隐藏内部管理地址。NAT节省了IP地址的消耗隐藏内部网络细节，降低受攻击的风险
      • 私有地址不能直接用于Internet，要通过NAT转换为全球IP地址后才能用于Internet。所有路由器对目的地址是私有地址的数据报一律不转发。
      • 使用NAT时需要连接到因特网的路由器装有NAT软件，且至少有一个有效外网地址。NAT映射表存放着  内网地址:端口号->外网地址:端口号的映射，
      • 普通路由器转发数据报时不改变源和目的IP地址，而NAT路由器转发数据包时要根据地址转换表更换IP地址。
    • 子网
      • 子网划分
        • 在IP地址中增加一个“子网号”字段，使IP地址变成3级，这叫子网划分。子网划分是内网范畴，外网不知子网划分
        • 从主机号中借用若干位构成子网号，IP地址变成<网络号：子网号：主机号>。
        • 原子网号不能全为0或全为1，现随着CIDR的广泛使用，子网号也可以全0或全1了，但要求路由器有软件支持
        • 无论IPv4还是CIDR，主机号全0或全1都不能分配。主机号全0是子网网络号，主机号全1是子网广播地址
    • 子网掩码
      • 用子网掩码表达对源网络中主机号的借位，进行子网划分。
      • 子网掩码中1的部分对应网络号和子网号，0的部分对应主机号。IP地址与子网掩码相与得到的是子网的网络号
      • 使用子网掩码特征
        • 主机除了设置IP地址，必须设置子网掩码
        • 一个子网下的所有主机和路由器对应端口，有相同子网掩码
        • 路由表中记录：目的网络地址：子网掩码：下一跳地址
      • 路由转发方法
        • 从分组中提取目的IP地址，用各网络子网掩码与IP相与，若有匹配的相应网络地址，则直接传递到主机
        • 若路由表中有目的IP特定路由，则转发到下一跳
        • IP地址和路由表中各子网掩码相与，若有匹配的目的网络地址，则转发到下一跳
        • 若有默认路由，传递给默认路由，否则报告分组出错。
    • 无类编址（CIDR）
      • 在使用变长子网掩码的基础上提出的消除ABC类的划分，在软件支持下实现超网构造的一种IP地址划分方法
      • 使用网络前缀代替子网概念，两级CIDR为<网络前缀，主机号>
      • CIDR记法：即IP地址/网络前缀占用比特数。如128.14.32.5/20表示掩码前20位全1，后12位全0，  
      • 用掩码和IP相与得到网络前缀（跟子网算法一致）。CIDR不使用子网是指没有指明子网字段，但组织内部扔可划分子网
      • 超网：网络前缀相同的IP组成地址块，其可以包含多个ABC类地址，称为路由聚合或构成超网。
      • CIDR前缀越短，主机号越长，可分配地址越多，计算时注意去掉全0和全1的地址
      • 最长前缀匹配：路由表项目为<网络前缀，下一跳地址>，查找时若有多个匹配项，则选前缀最长的。
      • CIDR查找路由表算法：线索二叉树。
    • ARP
      • IP地址与MAC
        • 网络层只能看到抽象的IP数据报分组
        • 虽然IP首部有完整的源IP和目的IP，但路由选择时只需要目的IP
        • 数据链路层只能看到帧，*********？？？？
      • ARP地址解析协议完成IP地址到MAC地址的映射。每台主机、路由器上都有一个ARP表，使用ARP协议动态维护该表
      • 工作原理：A向B发送IP报，在A的ARP表中看有无B的IP地址，有则查出其硬件地址写入MAC帧并发送。若没有，则 A用全F的MAC地址广播ARP请求分组，可以使同一局域网所有主机收到该分组。B收到该请求后发送响应ARP分组， 包含B的IP与MAC的映射。A收到后写入ARP表，封装MAC帧并发送。
      • 若A和B不在同一局域网，则ARP找到本局域网路由器地址，将分组发给路由器，让路由器将分组发给下一个网络。
    • DHCP
      • 动态主机配置协议。它是应用层协议，基于UDP，用来动态分配IP地址
      • 申请主机广播请求报文，DHCP服务器响应报文并分配IP。该IP是临时IP，有租用时间。
    • ICMP
      • 网际控制报文协议，是网络层协议，使主机和路由器可以报告差错和异常情况
      • ICMP也是IP分组，其报文作为IP分组的数据字段
      • ICMP差错
        • 终点不可达；源点抑制（减缓发送速率）；时间超时（TTL到0）
        • 参数问题（首部参数）；改变路由（重定向）
      • 不发送ICMP差错
        • ICMP报文出错
        • 分片的数据报的后续分片
        • 具有多播地址的数据报
        • 127.0.0.1或0.0.0.0这样的特殊地址的报文
    • 应用
      • ping：应用层协议，直接使用ICMP协议而不使用TCP和UDP协议，用到ICMP的回送请求和回答报文
      • tracert（traceroute）：工作在网络层，使用ICMP的超时报文