《网络层》学习笔记

《计算机网络》（谢希仁版）第四章《网络层》学习知识梳理。 网络层是OSI参考模型中的第三层，介于传输层和数据链路层之间，它在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端，从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。主要内容有：虚电路分组交换和数据报分组交换、路由选择算法、阻塞控制方法、X.25协议、综合业务数据网（ISDN）、异步传输模式（ATM）及网际互连原理与实现。

网络层

• 功能
  • 路由转发
  • 拥塞控制
    • 开环控制
      • 设计网络前考虑拥塞情况，静态控制
    • 闭环控制
      • 根据网络运行反馈情况调整，动态控制
  • 异构网络互连
    • 异构网络指传输介质，链路协议，数据编码方式，数据单元格式，转发机制不同的网络
• 路由算法
  • 静态路由
    • 管理员写好路由
  • 动态路由
    • 域内
      • RIP
        • 基于距离-向量算法
        • 跟相邻路由器交换路由表
        • 每隔固定时间交换一次
        • 路由表包含「目的IP地址，跳数，下一跳IP地址」
        • 基于UDP，是一种应用层协议
      • OSPF
        • 基于链路状态
        • 将部分路由表广播给所有路由器(洪泛法)
        • 仅有变化时才更新路由表，用Dijsktra算法计算最短路由
        • 广播内容为相邻路由器链路状态(是否可达，距离等)
        • 基于IP，网络层协议
        • 分组类型
          • 问候
          • 数据库描述
          • 链路状态请求
          • 链路状态更新
          • 链路状态确认
    • 域间
      • BPG
        • 基于路径-向量
        • 第一次交换全部路由表 之后只更新变化部分
        • 和相邻路由器交换
        • 交换内容为到目标地址需要经过的AS
        • 基于TCP，应用层协议
  • 层次路由
    • 自制系统AS
      • 自制系统自己决定路由算法
      • 自制系统内为域内路由，自治系统间为域间路由
    • 区域
      • 自制系统又可以划分为多个区域
      • 区域内路由器要知道到所有地址的详细方法
      • 减小了OSPF的路由表，使之可以用在更大的网络
• IPv4
  • 分组格式
    • 版本
    • 头部长度
      • 单位4B(20-60B)
    • 分组长度
      • 单位B
    • 标识
      • 每个分组的分片均复制，为合并时使用
    • 标志
      • 第二位MF,最低位DF
    • 片偏移
      • 单位8B
        • 分片时除最后一片外，数据长度为8B的倍数
    • 首部检验和
      • 仅检验首部
    • 生存时间TTL
    • 协议
      • 数据使用的上层协议 UDP为17，TCP为6
    • 源地址
    • 目的地址
  • 地址划分
    • • A类
        • 前一位0
          • 网络号1-126
      • B类
        • 前两位10
          • 网络号128.1-191.255
      • C类
        • 前三位110
          • 网络号192.0.1-223.255.255
      • D类
        • 多播地址
      • E类
        • 保留
      • 另有他用的 特殊地址
        • 主机号全0
          • 本网络
        • 主机号全1
          • 广播
        • 0.0.0.0
          • 本网络本主机
        • 255.255.255.255
          • 受限广播地址
        • 127.0.0.0
          • 环路自检
    • 子网划分
      • 借主机位部分为子网号，采用<网络号:子网号:主机号>，规定子网掩码
      • ABC类子网划分一般不使用全0全1子网号
    • 无分类域间路由选择CIDR
      • 路由聚合
        • 一个CIDR地址块可以表示很多地址
      • 不再区分ABC类，采用<网络前缀:主机号>
      • 子网划分一般可以采用全0全1网络号
      • 路由选择匹配最长网络前缀
        • 常用二叉线索树查找
  • NAT地址转换
    • NAT路由器对专用网地址和公用网地址相互转换
    • 专用网地址可重复，可以大大节约网络号
    • 专用地址范围
      • A类
        • 10.0.0.0-10.255.255.255
      • B类
        • 172.16.0.0-172.31.255.255
      • C类:
        • 192.168.0.0-192.168.255.255
  • 地址解析协议ARP
    • 从IP地址解析MAC地址
    • 每个主机都有ARP缓存，存放IP地址到Mac地址的映射
    • 发送时，检查目的地址
      • 若在缓存中，用局域网发送
      • 若不在缓存中，广播自己的Mac地址寻找，接收方会单播回复其映射
    • 采用{IP地址:端口}的映射，可以让多个私有IP地址共享一个全球IP地址
    • RARP
      • 反向地址解析
  • 动态主机配置协议DHCP
    • 用于给主机动态分配IP地址，即插即用
    • 客户-服务器方式，是应用层协议，用UDP
    • 发现，提供，请求，确认(均广播)
    • 网络中一般有多个DHCP服务器提供地址，客户选一个即可
  • 网际报文控制协议ICMP
    • IP层协议
    • 差错报告
      • 终点不可达
      • 原点抑制
      • 时间超过
      • 参数错误
      • 改变路由
      • 不发送ICMP的情况
        • 对ICMP报文的差错
        • 分片数据报的后续报片
        • 组播
        • 特殊地址(127.0.0.0或0.0.0.0)
    • 询问
      • 回送请求和回答
      • 时间戳请求和回答
      • 掩码地址请求和回答
      • 路由器询问和通告
    • 应用
      • 分组网间探测PING
        • 回送请求和回答
      • traceroute(UNIX) tracert(Windows)
        • 时间超过
• IPv6
  • 特点
    • 地址长度128bit，地址中连续的0可以用::代替，只能用一次
    • 没有检验和
    • 改进选项，首部长度固定(8B*5)，扩展首部选项由源点和终点处理，加快了分组处理速度
    • 只有源结点可以分片，路由器不负责，终点组装
    • 身份验证和保密，更高的安全性
    • 即插即用，无需DHCP分配
    • 支持资源预分配
    • 和IPv4不兼容
      • 处理方法
        • 双协议栈
        • 隧道技术
  • 地址划分
    • 单播
    • 多播
    • 任播
• IP组播
  • D类IP地址(1110)
    • 224.0.0.0-239.255.255.255
  • 靠路由器的软件实现，能运行组播协议的称为组播路由器
  • 映射不唯一
    • 组播地址的后23为映射为Mac地址后23位，即32个IP地址映射一个Mac地址，因此收到组播数据报的主机应在IP层用软件筛选
  • IGMP协议
    • 关心有哪些主机加入(退出)组播
    • 路由选择实际为找出以源结点为根的组播转发树
• 移动IP
  • 归属网络和本地代理(归属代理)
    • 漫游时向本地代理注册转交地址 用隧道技术转交移动结点的数据包
  • 外部网络和外部代理
    • 外部代理地址做转交地址 或给移动结点配置一个动态地址
  • 主地址和辅地址
• 设备
  • 路由器
    • 路由选择处理机
      • 路由表
      • 路由协议
      • 对网络拓扑计算最优化
    • 交换结构
      • 转发表
      • 输入，输出端口
      • 三种交换方式
        • 存储器交换
        • 总线交换
        • 互连网络交换
      • 使查找过程最优化
• RIP显著特点，坏消息传的慢
• 【注】网络号128.0和192.0.0不可指派