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计算机网络
计算机网络知识点总结，详细的总结了网络层的功能，路由算法，路由协议，IP组播，移动IP，网络层设备的内容要点。
编辑于2022-10-06 08:28:16 北京市- 路由算法
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- 大纲
网络层
网络层的功能
1、协议：IP（不可靠）；ICMP 2、简单灵活，无连接，尽最大可能交付 3、主要目的：在任意节点间进行数据报传输 4主要任务：把分组从源端传送到目的端
异构网络互联
物理层、数据链路层、网络层不同
中继系统： 物理层：转发器、集线器 数据链路层：网桥和交换机 网络层：路由器 网络层以上：网关
路由和转发
功能
路由选择：定期更新路由表
分组转发：根据转发表将用户的ip数据报从合适的窗口转发出去
SDN（软件定义网络）
控制层面
路由选择，控制管理网络层协议的运行：OSPF，RIP，BGP
对数据层的路由器进行控制，软件控制网络
数据层面
转发，数据处理的转发过程
旧：路由器既有数据层面，又有网络层面
新：路由器只管转发分组
网络控制器掌管各主机和整个网络状态，为每个分口计算出最佳路由，openflow协议
优点： 1、全局集中式控制和分布式高速转发 2、灵活可编程与性能的平衡 3、降低成本 缺点： 安全风险
拥塞控制
过量的分组导致的性能下降，路由器速率最大值，平均时延急剧增加，大量分组被丢弃，整个网络吞吐量骤降
判断方法：随着网络负载增加，网络吞吐量小于正常吞吐量
解决方法
开环控制：静态预防，事先考虑拥塞因素，一旦启动，不可更改
闭环控制：动态，及时检测哪里发出了拥塞
路由算法
静态路由（非自适应路由算法）
网络管理员手工控制路由信息，可更改
优点：简单，开销小，适用于小网络 缺点：路由更新慢，不适用于大网络
动态路由（自适应路由算法）
路由器之间彼此交换信息，不断更新，寻找最优路径
优点：路由器更新快，适用大网络，及时响应 缺点：算法复杂，增加网络负担
IPV4
IPV4分组
版本：版本号：4 首部长度：单位：4B；最大十进制数：15 总长度：单位：1B；首部长度+数据长度；最长字段2^16-1;以太网：最大传送单元（MTU）：1500B 标识：同一数据报分片使用同一标识 标志：MF＝1：表示后面还有分片；MF＝0：表示最后一个分片 DF＝0：表示允许分片；DF＝1：表示禁止分片，IPV4可以在路由器和主机处分片 片偏移：单位：8B 生存时间（TTL）：表示分组在网络的寿命，转发之前-1，减到0则丢弃 协议：数据使用哪种协议，TCP：面向连接，UDP不面向连接 首部校验和：只检验IP报首部
IP数据报分片
片在目地的网络层被目的主机使用标识，标志，偏移量重新组装
IPV4地址与NAT
IPV4地址
唯一的，如果有两个一样的都错误
主机号全为0：网络本身 主机号全为1：广播地址 127为环回自检 127，128.0，192.0.0是不可指派的 32位全为0：本主机 32位全为1：整个网络的广播地址
A：2^7-2；1-126；2^24-2 B：2^14-1；128.1-191.255；2^16-2 C：2^21-1；192.0.1-223.255.255；2^8-2
网络地址转换（NAT）
专用网络转换为公用网络，对外隐藏内部管理的IP地址，降低网络攻击危险。
私有IP地址只用于LAN（内部），可重复使用，解决了IP不足，不用于WAN（外部）
A：1；10.0.0.0-10.255.255.255 B：16；172.16.0.0-172.31.255.255 C: 256; 192.168.0.0-192.168.255.255
普通路由器仅工作在网络层，不改变IP地址 NAT路由器改变IP地址，在传输层
NAT的表项需要管理员才能添加，如果表里没有则丢弃
子网划分、子网掩码、CIDR
子网划分
内部事情，对外表示没有划分
网络号：子网号：主机号
主机号不能全为0和1
子网掩码
网络号全为1，主机号全为0
同一子网的所有主机必须设置成相同子网掩码
路由器转发表中：目的网络地址；子网掩码；下一跳地址
无分类域间路由器（CIDR）
把小的网络汇聚成大的超网
消除了传统A，B，C类地址及划分子网的概念
网络前缀；主机号
掩码：网络前缀；主机号/位数
网络前缀相同的连续IP地址组成CIDR地址块，这种聚合成为路由聚合，构成超网
最长前缀匹配：网络前缀越长，地址块越小，路由越具体
ARP、DHCP、ICMP
IP地址与硬件地址
路由器可以隔离广播
ARP（地址解析协议）
无论网络层用什么协议，最终都要用硬件地址，地址解析协议完成IP地址到MAC帧地址的映射，解决下一跳走哪问题
工作在网络层
ARP高速缓存有B的硬件地址则写成MAC帧，没有则发FFFFFFFF帧广播要，要到了就写入ARP缓存
自动进行
1、发送方是主机，用ARP找到目的主机硬件地址 2、发送方是主机，用ARP找到路由器硬件地址，剩下交给路由器 3、发送方是路由器，用ARP找到目的主机硬件地址 4、发送方是路由器，用ARP找到路由器硬件地址，剩下交给路由器
发送数据的过程中，会重新封装源硬件地址和目的硬件地址
APR请求是广播，ARP响应是单播
DHCP（动态主机配置协议）
给主机动态分配IP地址
1、应用层协议 2、基于UDP 3、广播方发送报文 4、使用客户/服务器
ICMP（网际控制报文协议）
为了提高IP数据报交付成功机会，让主机或路由器差错报告和异常情况
IP层协议，封装在IP数据报中发送
ICMP差错报文报告和ICMP询问报文报告
发送差错： 1、终点不可达，无法交付 2、时间超过，生存时间TTL＝0 3、参数问题，首部字段有问题 4、改变路由（重定向），可通过更好的路由 5、源点抑制：拥塞丢数据
不应发送差错； 1、ICMP差错报告报文不发送 2、第一个分片的后续所有分片都不发送 3、组播地址的数据报不发送 4、特殊地址不发送（127）
ICMP询问报文类型：
回送请求和回答报文：测试目的站是否可达以及了解其相关状况
时间戳请求和回答报文：用来进行时间同步和测量时间
ping（测试两台主机的连通性）应用层 tracert（跟踪分组经过的路由）网络层
IPV6
IP地址耗尽三种解决办法
CIDR，分配更合理
NAT，节省IP
采用IPV6，从根本上解决了IP不够用的问题
主要特点
1、IP地址从32位扩展到128位 2、将IPV4的校验和字段彻底删除，减少了每跳的处理时间 3、将可选字段移出首部，变成了扩展首部 4、即插即用，自动配置，不需要DHCP 5、首部长度必须是8B的整数倍 6、只能在主机处分片
地址表现形式
128位，16位一组，一共8组
0压缩： 0000--0 1234：0000：0000：5678---1234：：5678双冒号表示法只能出现一次
基本地址类型
单播：一对一，可做源地址+目的地址
多播：一对多，目的地址
任播：一对多中的一个通信，可做目的地址
IPV6向IPC4过度策略
双栈协议
同时启用IPV4协议栈和IPV6协议栈
隧道技术
将其它协议的数据帧重新包装然后通过隧道发送
路由协议
路由选择协议必须按照层次的方式进行
自治系统（AS）
包含很多局域网
内部网关协议（IGP）：自治系统内部所使用域内路由选择协议，具体协议：RIP、OSFP
外部网关协议（BGP）：自治系统之间所使用的域间路由选择协议，具体协议：BGP-4
RIP（路由信息协议）
内部网协议中，基于距离向量，简单
适用于小的互联网
RIP规定
每个路由器都要维护从它自身到目的网络的距离记录
距离＝跳数，没经过一个路由器跳数+1，优先选择跳数少的路径
最多15跳，距离为16时不可达，为了防止数据报不断循环，减少网络拥塞
每30秒广播一次RIP路由更新信息，自动建立维护路由表
特点
仅和相邻路由器交换信息
路由器交换的信息是当前路由器所知道的全部信息，自己的路由表
每隔30秒交换信息
通过收敛，每个网络路由器到目的网络路由器都是距离最短的
距离向量算法
格式：目的网络N，距离d，下一跳路由地址X
1、相邻路由器X发来信息，将下一跳地址全改为X，距离+1 2、原来路由表没有的网络加上，有但是长的改成短的 3、180秒还没收到相邻路由表更新，则标记为不可达路由器，距离设置16 4、返回
优点：简单，开销小收敛快 缺点：坏消息传的慢，慢收敛
OSPS（开放最短路径协议）
内部网关协议，基于分布式状态路由算法，适用于大网络
洪泛法
与RIP区别
1、向本AS所有路由器发送信息 2、发送的信息与本路由器相邻的所有路由器的链路状态 3、只有当链路状态发生变化时，才使用洪泛法发送信息 4、网络层协议，使用IP数据报发送
工作原理
所有路由器建立一个链路状态数据库，依据这个，每个路由器使用Dijkstra最短路径算法建立自己的路由表
路由表不会存储完整路径，只存储下一跳
将AS划分为更小的范围，利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每个区域而非整个自治系统，减少了网络上的通信量，在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整拓扑，不知道其它区域的网络拓扑情况
OSPF使用HELLO分组保持与其邻居连接 每隔一段时间刷新一次数据库中的链路状态 没有坏消息传的慢
边路网关协（BGP）
应用层协议，TCP传送
寻找一条能够到达目的网络的比较好的路由。树形
交换的信息：到达某个网络所要经过的一系列AS，是一个完整路径
区域
BGP支持CIDR，路由表中包含目的网络前缀，下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列
刚开始运行，交换路由表，以后发生变化才交换发生变化的部分
4种报文
打开报文：建立关系
更新报文父母：发送信息
保活报文，确认信息
通知报文：发送检测到的错误
IP组播
概念
提高了数据传输速率，减少了主干网出现拥塞的可能性
应用于UDP
组播路由器：运行组播协议
只发送一份数据，只有在传送路径分叉时才分组复制后继续转发
IP组播地址
属于多播组的设备将分配一个组播IP地址（一群共同需求主机的相同标识）
D类地址：224.0.0.0---239.255.255.255，一个地址表示一个组播，只能做分组的目的地址，源地址为单播地址
尽最大努力交付，UDP，对组播数据报不产生ICMP差错报文
IP组播分为两种：在本局域网的硬件组播报，因特网内的硬件组播
以太网组播地址：01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF
IGMP（因特网组管理协议）和组播路由算法
IGMP协议让路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出了莫个组播组
组播路由选择找出以源主机为根节点的组播转发树
可以建立在任何路由器协议之上，因此称为协议无关的组播（稀疏/密集）
移动IP
移动IP技术以固定的网络IP地址实现不同网段的漫游功能
移动结点：永久IP地址的移动代理 归属代理，本地代理 永久地址，归属地址，主地址 外部代理，外地代理 转交地址，辅地址
A在外部代理注册，外部代理给归属代理，A的转交地址，通信
网络层设备
路由器的组成和功能
路由器具有多个输入输出接口的计算机，可以连接不同网络并完成路由转发
路由选择处理机的任务：根据所定的路由选择协议构造出路由表，定期维护路由表
如果一个存储转发设备实现了某个层次的功能，那么可以互联两个在该层次上使用不同的网络 网桥实现了物理层和数据链路层，所以可以 中继器是直通式设备，所以不行
功能：分组转发，只涉及一个路由器，路由选择，涉及多个路由器
路由器是面向协议，网桥与高层协议无关
路由器默认目的地址和子网掩码都是0000.0000，可以检验，但是无法确保传输分组不丢失
路由算法--路由表--转发表
网络层
网络层的功能
1、协议：IP（不可靠）；ICMP 2、简单灵活，无连接，尽最大可能交付 3、主要目的：在任意节点间进行数据报传输 4主要任务：把分组从源端传送到目的端
异构网络互联
物理层、数据链路层、网络层不同
中继系统： 物理层：转发器、集线器 数据链路层：网桥和交换机 网络层：路由器 网络层以上：网关
路由和转发
功能
路由选择：定期更新路由表
分组转发：根据转发表将用户的ip数据报从合适的窗口转发出去
SDN（软件定义网络）
控制层面
路由选择，控制管理网络层协议的运行：OSPF，RIP，BGP
对数据层的路由器进行控制，软件控制网络
数据层面
转发，数据处理的转发过程
旧：路由器既有数据层面，又有网络层面
新：路由器只管转发分组
网络控制器掌管各主机和整个网络状态，为每个分口计算出最佳路由，openflow协议
优点： 1、全局集中式控制和分布式高速转发 2、灵活可编程与性能的平衡 3、降低成本 缺点： 安全风险
拥塞控制
过量的分组导致的性能下降，路由器速率最大值，平均时延急剧增加，大量分组被丢弃，整个网络吞吐量骤降
判断方法：随着网络负载增加，网络吞吐量小于正常吞吐量
解决方法
开环控制：静态预防，事先考虑拥塞因素，一旦启动，不可更改
闭环控制：动态，及时检测哪里发出了拥塞
路由算法
静态路由（非自适应路由算法）
网络管理员手工控制路由信息，可更改
优点：简单，开销小，适用于小网络 缺点：路由更新慢，不适用于大网络
动态路由（自适应路由算法）
路由器之间彼此交换信息，不断更新，寻找最优路径
优点：路由器更新快，适用大网络，及时响应 缺点：算法复杂，增加网络负担
IPV4
IPV4分组
版本：版本号：4 首部长度：单位：4B；最大十进制数：15 总长度：单位：1B；首部长度+数据长度；最长字段2^16-1;以太网：最大传送单元（MTU）：1500B 标识：同一数据报分片使用同一标识 标志：MF＝1：表示后面还有分片；MF＝0：表示最后一个分片 DF＝0：表示允许分片；DF＝1：表示禁止分片，IPV4可以在路由器和主机处分片 片偏移：单位：8B 生存时间（TTL）：表示分组在网络的寿命，转发之前-1，减到0则丢弃 协议：数据使用哪种协议，TCP：面向连接，UDP不面向连接 首部校验和：只检验IP报首部
IP数据报分片
片在目地的网络层被目的主机使用标识，标志，偏移量重新组装
IPV4地址与NAT
IPV4地址
唯一的，如果有两个一样的都错误
主机号全为0：网络本身 主机号全为1：广播地址 127为环回自检 127，128.0，192.0.0是不可指派的 32位全为0：本主机 32位全为1：整个网络的广播地址
A：2^7-2；1-126；2^24-2 B：2^14-1；128.1-191.255；2^16-2 C：2^21-1；192.0.1-223.255.255；2^8-2
网络地址转换（NAT）
专用网络转换为公用网络，对外隐藏内部管理的IP地址，降低网络攻击危险。
私有IP地址只用于LAN（内部），可重复使用，解决了IP不足，不用于WAN（外部）
A：1；10.0.0.0-10.255.255.255 B：16；172.16.0.0-172.31.255.255 C: 256; 192.168.0.0-192.168.255.255
普通路由器仅工作在网络层，不改变IP地址 NAT路由器改变IP地址，在传输层
NAT的表项需要管理员才能添加，如果表里没有则丢弃
子网划分、子网掩码、CIDR
子网划分
内部事情，对外表示没有划分
网络号：子网号：主机号
主机号不能全为0和1
子网掩码
网络号全为1，主机号全为0
同一子网的所有主机必须设置成相同子网掩码
路由器转发表中：目的网络地址；子网掩码；下一跳地址
无分类域间路由器（CIDR）
把小的网络汇聚成大的超网
消除了传统A，B，C类地址及划分子网的概念
网络前缀；主机号
掩码：网络前缀；主机号/位数
网络前缀相同的连续IP地址组成CIDR地址块，这种聚合成为路由聚合，构成超网
最长前缀匹配：网络前缀越长，地址块越小，路由越具体
ARP、DHCP、ICMP
IP地址与硬件地址
路由器可以隔离广播
ARP（地址解析协议）
无论网络层用什么协议，最终都要用硬件地址，地址解析协议完成IP地址到MAC帧地址的映射，解决下一跳走哪问题
工作在网络层
ARP高速缓存有B的硬件地址则写成MAC帧，没有则发FFFFFFFF帧广播要，要到了就写入ARP缓存
自动进行
1、发送方是主机，用ARP找到目的主机硬件地址 2、发送方是主机，用ARP找到路由器硬件地址，剩下交给路由器 3、发送方是路由器，用ARP找到目的主机硬件地址 4、发送方是路由器，用ARP找到路由器硬件地址，剩下交给路由器
发送数据的过程中，会重新封装源硬件地址和目的硬件地址
APR请求是广播，ARP响应是单播
DHCP（动态主机配置协议）
给主机动态分配IP地址
1、应用层协议 2、基于UDP 3、广播方发送报文 4、使用客户/服务器
ICMP（网际控制报文协议）
为了提高IP数据报交付成功机会，让主机或路由器差错报告和异常情况
IP层协议，封装在IP数据报中发送
ICMP差错报文报告和ICMP询问报文报告
发送差错： 1、终点不可达，无法交付 2、时间超过，生存时间TTL＝0 3、参数问题，首部字段有问题 4、改变路由（重定向），可通过更好的路由 5、源点抑制：拥塞丢数据
不应发送差错； 1、ICMP差错报告报文不发送 2、第一个分片的后续所有分片都不发送 3、组播地址的数据报不发送 4、特殊地址不发送（127）
ICMP询问报文类型：
回送请求和回答报文：测试目的站是否可达以及了解其相关状况
时间戳请求和回答报文：用来进行时间同步和测量时间
ping（测试两台主机的连通性）应用层 tracert（跟踪分组经过的路由）网络层
IPV6
IP地址耗尽三种解决办法
CIDR，分配更合理
NAT，节省IP
采用IPV6，从根本上解决了IP不够用的问题
主要特点
1、IP地址从32位扩展到128位 2、将IPV4的校验和字段彻底删除，减少了每跳的处理时间 3、将可选字段移出首部，变成了扩展首部 4、即插即用，自动配置，不需要DHCP 5、首部长度必须是8B的整数倍 6、只能在主机处分片
地址表现形式
128位，16位一组，一共8组
0压缩： 0000--0 1234：0000：0000：5678---1234：：5678双冒号表示法只能出现一次
基本地址类型
单播：一对一，可做源地址+目的地址
多播：一对多，目的地址
任播：一对多中的一个通信，可做目的地址
IPV6向IPC4过度策略
双栈协议
同时启用IPV4协议栈和IPV6协议栈
隧道技术
将其它协议的数据帧重新包装然后通过隧道发送
路由协议
路由选择协议必须按照层次的方式进行
自治系统（AS）
包含很多局域网
内部网关协议（IGP）：自治系统内部所使用域内路由选择协议，具体协议：RIP、OSFP
外部网关协议（BGP）：自治系统之间所使用的域间路由选择协议，具体协议：BGP-4
RIP（路由信息协议）
内部网协议中，基于距离向量，简单
适用于小的互联网
RIP规定
每个路由器都要维护从它自身到目的网络的距离记录
距离＝跳数，没经过一个路由器跳数+1，优先选择跳数少的路径
最多15跳，距离为16时不可达，为了防止数据报不断循环，减少网络拥塞
每30秒广播一次RIP路由更新信息，自动建立维护路由表
特点
仅和相邻路由器交换信息
路由器交换的信息是当前路由器所知道的全部信息，自己的路由表
每隔30秒交换信息
通过收敛，每个网络路由器到目的网络路由器都是距离最短的
距离向量算法
格式：目的网络N，距离d，下一跳路由地址X
1、相邻路由器X发来信息，将下一跳地址全改为X，距离+1 2、原来路由表没有的网络加上，有但是长的改成短的 3、180秒还没收到相邻路由表更新，则标记为不可达路由器，距离设置16 4、返回
优点：简单，开销小收敛快 缺点：坏消息传的慢，慢收敛
OSPS（开放最短路径协议）
内部网关协议，基于分布式状态路由算法，适用于大网络
洪泛法
与RIP区别
1、向本AS所有路由器发送信息 2、发送的信息与本路由器相邻的所有路由器的链路状态 3、只有当链路状态发生变化时，才使用洪泛法发送信息 4、网络层协议，使用IP数据报发送
工作原理
所有路由器建立一个链路状态数据库，依据这个，每个路由器使用Dijkstra最短路径算法建立自己的路由表
路由表不会存储完整路径，只存储下一跳
将AS划分为更小的范围，利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每个区域而非整个自治系统，减少了网络上的通信量，在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整拓扑，不知道其它区域的网络拓扑情况
OSPF使用HELLO分组保持与其邻居连接 每隔一段时间刷新一次数据库中的链路状态 没有坏消息传的慢
边路网关协（BGP）
应用层协议，TCP传送
寻找一条能够到达目的网络的比较好的路由。树形
交换的信息：到达某个网络所要经过的一系列AS，是一个完整路径
区域
BGP支持CIDR，路由表中包含目的网络前缀，下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列
刚开始运行，交换路由表，以后发生变化才交换发生变化的部分
4种报文
打开报文：建立关系
更新报文父母：发送信息
保活报文，确认信息
通知报文：发送检测到的错误
IP组播
概念
提高了数据传输速率，减少了主干网出现拥塞的可能性
应用于UDP
组播路由器：运行组播协议
只发送一份数据，只有在传送路径分叉时才分组复制后继续转发
IP组播地址
属于多播组的设备将分配一个组播IP地址（一群共同需求主机的相同标识）
D类地址：224.0.0.0---239.255.255.255，一个地址表示一个组播，只能做分组的目的地址，源地址为单播地址
尽最大努力交付，UDP，对组播数据报不产生ICMP差错报文
IP组播分为两种：在本局域网的硬件组播报，因特网内的硬件组播
以太网组播地址：01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF
IGMP（因特网组管理协议）和组播路由算法
IGMP协议让路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出了莫个组播组
组播路由选择找出以源主机为根节点的组播转发树
可以建立在任何路由器协议之上，因此称为协议无关的组播（稀疏/密集）
移动IP
移动IP技术以固定的网络IP地址实现不同网段的漫游功能
移动结点：永久IP地址的移动代理 归属代理，本地代理 永久地址，归属地址，主地址 外部代理，外地代理 转交地址，辅地址
A在外部代理注册，外部代理给归属代理，A的转交地址，通信
网络层设备
路由器的组成和功能
路由器具有多个输入输出接口的计算机，可以连接不同网络并完成路由转发
路由选择处理机的任务：根据所定的路由选择协议构造出路由表，定期维护路由表
如果一个存储转发设备实现了某个层次的功能，那么可以互联两个在该层次上使用不同的网络 网桥实现了物理层和数据链路层，所以可以 中继器是直通式设备，所以不行
功能：分组转发，只涉及一个路由器，路由选择，涉及多个路由器
路由器是面向协议，网桥与高层协议无关
路由器默认目的地址和子网掩码都是0000.0000，可以检验，但是无法确保传输分组不丢失
路由算法--路由表--转发表