IP网络基础之网络层

IP网络基础之网络层知识梳理，包括网络层的主要任务、需要解决的问题、IP地址、IP分组转发、路由选择协议等等。

IP网络层思维导图

• 概述
  • 主要任务
    • 实现网络互联
    • 进而实现数据包的传输
  • 需要解决问题
    • 提供服务
      • 面向连接的可靠交付
        • 思路
          • 可靠通信由网络自身保证
        • 必须先建立网络层连接——虚电路
        • 总是按发送顺序到达终点
        • 差错处理和流量控制：网络/用户主机负责
      • 无连接的、尽最大努力交付的数据报服务
        • 思路
          • 可靠通信由用户主机保证
        • 无需建立连接
        • 每个分组独立选择路由进行转发
        • 差错处理和流量控制：用户主机负责
    • 异构网络互联互通的方法
      • • 使用转发器或网桥不称为网络互连
        • 使用路由器进行网络互连
• IP地址
  • IP地址
    • 如何确保信息报正确送到目的地----IP地址唯一标识
      • 如何方便我们使用和记忆---点分十进制
        • 将每 8 位的二进制数转换为十进制数
      • IPv4地址
        • 第一阶段：分类编址
          • IP地址的构成
            • 如何标识主机：主机编号
              • 标识同一网络上的不同主机
            • 如何标识同一网络：网络号
          • A类地址
            • 网络号8位（首位为0）
            • 最小网络号0保留，不指派
            • 最大网络号127，作为本地环回测试地址，不指派
          • B类地址
            • 网络号16位（前两位为10）
            • 最小网络号128.0，可指派
            • 最大网络号191.255，可指派
          • C类地址
            • 网络号24位（前三位为110）
            • 最小网络号192.0.0，可指派
            • 最大网络号233.255.255，可指派
          • 可分配
            • 主机号全0为网络地址，不可分配
            • 主机号全1为广播地址，不可分配
          • D类地址
            • 多播地址（前四位为1110）
          • E类地址
            • 保留（前五位为11110）
          • 不可分配
        • • 第二阶段：划分子网
            • 借用主机号的部分作为子网号
            • 子网掩码
              • 连续的比特1表示网络号和子网号
              • 连续的比特0表示主机号
            • 默认子网掩码
              • 不占用主机号
            • (IP 地址) AND (子网掩码) = 网络地址
            • 重要属性
              • 路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在子网的子网掩码告诉相邻路由器。
              • 路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码。
        • • 第三阶段：无分类编址
            • 消除了传统的A类、B类、C类地址以及划分子网的概念
            • 使用斜线记法（CIDR记法）
              • 前缀的位数 n 不固定，在IPv4地址之后加上斜线“/”，在加上网络前缀所占比特数量
            • 地址掩码---让机器从 IP 地址迅速算出网络地址
              • 1 的个数就是网络前缀的长度
            • 路由聚合（构造超网）
              • 将路由表中目的网络的共同前缀组合成新的主机号
    • 特点
      • • 路由器的每一个接口都有一个不同网络号的 IP 地址。
    • 问题：IP地址和MAC地址有何区别
      • IP地址：虚拟地址、软件地址、网络层及以上各层使用
      • MAC地址：物理地址、逻辑地址、物理链路层使用
  • 如何通过IP地址找到对应的MAC地址
    • ARP协议
      • ARP高速缓存表
        • 存放 IP 地址到 MAC 地址的映射表
          • < IP 地址；MAC 地址；生存时间 (Age)；类型等 >
        • • 动态
            • 自动获取，生命周期为2分钟
            • 超过生存时间的项目都从高速缓存中删除
      • ARP工作
      • 广播ARP请求分组
        • 单播ARP回应分组
      • 只能在一段网络上使用
        • 同一个局域网上的主机或路由器的IP 地址中的网络号必须一样。
    • 为什么要使用IP地址和MAC地址
      • MAC地址的转换和寻址非常复杂
      • 连接到互联网的主机只需各自拥有一个唯一的 IP 地址
    • 为什么需要动态主机配置协议
      • 即插即用即连网（不用手工配置）
      • 发送报文--成为客户
        • DHCP服务器回答报文，在数据库中查找该计算机的配置信息
          • 找到则返回信息
          • 找不到则从服务器的IP地址池取一个地址分配给该计算机
    • 在专用网上使用专用地址的关系如何与互联网上的主机通信
      • 在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址
        • 专用地址地址块
          • 10.0.0.0/8
          • 172.16.2.2/12
          • 192.168.0.0/16
      • 如何节省IP地址
        • 引入NAPT，使多台主机共用一个全球IP地址，且可以同时通信
  • IP数据报
    • 版本（4位）
      • 用以表明IP协议实现的版本号
    • 首部长度（4位）
      • 可表示的最大数值为15个长度单位（4字节）
    • 区分服务（8位）
      • 用来获得更好的服务
    • 总长度（16位）
      • 首部和数据之和的长度
    • 标识（16位）
      • 计数器：用来产生IP数据报的标识
    • 标志（3位）
      • 最低为为MF（1表示后面还有分片，0表示其为最后一片分片）
      • 中间位为DF（为0时方允许分片）
    • 片偏移（13位）
      • 表示较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置
      • 以8个字节为偏移单位
    • 生存时间（8位）
      • 设置数据报可经过路由器数
      • TTL
    • 协议（8位）
      • 表示所封装的上层协议类型，此数据报携带的数据使用何种协议
      • ICMP
      • IGMP
      • TCP
      • UDP
      • OSPF
    • 首部校验和（16位）
      • 只检验数据报的首部，不检验数据部分
      • 对首部中每16个位进行反码算术运算求和
        • 每经过一个路由器都要重新计算
    • 源地址（32位）、目的地址（32位）
    • 可选部分
• IP分组转发
  • IP层分组转发
    • 基于终点的转发
      • 逐跳转发
        • 目的网络地址，下一跳地址
          • 逐行寻找前缀匹配
            • 子主题
              • 主机所在的网络前缀
            • 目的IP AND 子网掩码
              • 目的IP是否属于一个网络前缀
    • 最长前缀匹配
      • 原则：选择前缀最长的一个作为匹配的前缀
    • 使用二叉线索查找转发表
  • 网际控制报文协议ICMP
    • 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告（IP层协议）
    • 差错报告报文
      • 类型
        • 终点不可达
        • 时间超过
        • 参数问题
        • 改变路由
      • 不发送情况
        • 对ICMP差错报告报文不发送
        • 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片不发送
        • 对具有多播地址的数据报不发送
        • 对具有特殊地址的数据报不发送
    • 询问报文
      • 类型
        • 回送请求和回答
          • 主机或路由器向特定主机发出的询问
          • 收到此报文的主机，必须向源主机发送ICMP回送回答报文
          • 用于测试目的站是否可达及了解其有关状态
        • 时间戳请求和回答
          • 请求报文
            • 请某个主机或路由器回答当前的日期和时间
          • 回答报文
            • 有一个32位的字段
              • 写入的整数代表从1900年1月1日起到当前时刻的秒数
          • 用于进行时钟同步和测量时间
• 路由选择协议
  • 属于网络层控制层面的内容
  • 一个自治系统对其他自治系统表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略
  • 内部网关协议IGP（在自治系统内）
    • 内部网关协议RIP
      • 距离向量
      • 仅和相邻路由器交换信息
      • 按固定时间间隔交换路由信息
      • 距离向量算法
        • 路由表中没有目的网络N
          • 则把该项目添加到路由表中
        • 路由表中网络N的下一跳路由器为X
          • 则用收到的项目替换原路由表中的项目
        • 收到项目中的距离小于路由表中的距离
          • 用收到项目更新原路由表中的项目
      • 无法知道具体路径开销，不适用大型网络，坏消息传播慢的问题无法解决
    • 内部网关协议 OSPF
      • 链路状态
      • 传递链路状态通告（LSA）--最短路径算法确认到每个节点的最短路径
      • 工作过程
        • 确定邻站可达
        • 同步链路状态数据库
          • 全网范围内一致---更新过程收敛速度快
        • 更新链路状态
          • 可靠的洪泛法向全网更新链路状态--向自治系统内所有路由器发送信息
  • 外部网关协议EGP（在不同自治系统之间）
    • 外部网关协议 BGP
      • 路径向量
      • 计算出比较好的路由而非一定需要最佳
      • 四种报文：打开、更新、保活、通知
  • 路由器的构成
    • 主要工作：转发分组
      • 将输入端口收到的分组按照目的网络从合适的输出端口转发给下一跳路由器
    • 由路由选择（软件）和分组转发（硬件））两个部分组成
      • 转发和路由选择有何区别
        • 转发：根据转发表将IP数据报从合适端口转发
          • 仅涉及一个路由器
            • 转发表必须包含完成转发功能所必须的信息
        • 路由：根据网络拓扑变化动态改变所选路由
          • 涉及很多个路由器
            • 路由表仅包含从目的网络到下一跳的映射
      • 通过存储器、总线和纵横交换结构三种方法进行交换
• IPV6
  • IPv4地址耗尽一直无法解决的问题
    • 采用具有更大地址空间的新版本IP
  • 如何节省空间
    • 冒号十六进制记法
      • 零压缩：一串连续的零用一对冒号取代
      • 点分十进制记法的后缀
        • 取消子网掩码
  • IPv6数据报由两个部分组成：基本首部和有效载荷
  • IPv6的首部与IPv4有什么区别
  • 三种基本类型：单播、多播和任播
  • 如何从IPv4向IPv6过渡
    • 逐步演进，向后兼容
      • 使用双协议栈
      • 使用隧道技术
• 最高位相加后产生进行，则在最低位+1
• 造成问题：大地址块，浪费资源
• 减小了转发表所占的 存储空间，以及查找转发表的时间。
• 造成问题：IP地址枯竭
• 互联网规模如此大的情况下，如何进行路由选择