导图社区 CN 第四章 网络层
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网络层
功能
异构网络互连
路由器连接不同物理、数据链路、网络层协议的网络
路由器可以连接IPv4和IPv6的网络
主机间通信
用IP地址唯一标识互联网上的一台主机
拥塞控制（网络整体）
问题
路由器转发接近最大速率时大量分布被丢弃
源于目的之间的平均时延趋向无穷
方法
开环控制
静态预防
设计网络时即预防阻塞问题，网络运行期间不会修改
闭环控制
动态处理
检测网络中的拥塞，在运行期间调整网络
路由选择与分组转发
网络架构
传统方法
路由器运行路由选择算法，进行路由选择和分组转发
数据层和控制层
软件定义网络SDN
网络控制应用程序
幕后黑手
控制网络状态，计算分组的转发表
SDN控制器
北向接口
状态管理层和网络控制应用程序的通信
网络范围状态管理层
持有控制决定
南向接口
状态管理层和路由器的通信
Overflow协议
控制层，软件实现
路由器
不进行路由选择
只是根据转发表转发分组
数据层，硬件实现
IPv4
分组首部（固定20B+可变40B）
1总8片的首4
总长度=首部+数据
除最后一个分片外，其他分片数据部分的长度为8B整数倍
版本为4和6，协议为6(TCP)和17(UDP)
标识为数据报编号
数据报根据数据链路层MTU分片
MTU是帧的数据部分，即分组的最大总长度
同一个数据报的不同分片有相同的标识
一个数据报分片时标识被复制到所有分片中
标志3位
中间DF(Don't)
0：允许分片
1：不能分片
最后MF(More)
0：当前为最后一个分片
1：后面还有分片
片偏移为本片在IP数据报的原始位置
生存时间TTL
路由器先将分组TTL-1，再判断TTL是否为0，为0则丢弃
丢弃分组时向源点发送ICMP报文
首部校验和只校验首部，不校验数据
FCS帧检验序列会检验数据
源地址和目的地址为IP，32位
IPv4地址
特点
IP地址在因特网范围内唯一
IP地址=网络号+主机号
IP管理机构分配网络号，主机号由拥有该网络的单位分配
路由器根据网络号转发分组，不考虑主机号
一个路由器至少有2个IP地址（每个端口至少分配一个IP地址）
IP地址分类
特殊IP
网络号全0：本网主机
主机号全0
本网络的本主机
主机号特定值
本网络特定主机
可目的，不可源
主机号全1：广播地址
网络号特定值
特定网络广播地址
网络号全1
本网络广播地址
可源，不可目的
主机号全0，网络号特定值
网络号不可能全0，参照ABCD类地址划分
网络地址
不可源，不可目的
网络号127，主机号非全0/1
环回地址，本地软件环回测试
可源，可目的
网络地址转换NAT
私有IP地址（可重用地址）
只用于局域网，不用于广域网
只能通过NAT转换成全球IP后才能用于因特网
分类
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
NAT路由器
连接专用网和因特网，有LAN和WAN端口
专用网的不同IP地址通过NAT路由器映射到同一全球IP地址的不同端口
NAT转换表
转发数据报一定会转换IP地址
需要转换端口号，工作在网络层和传输层
一般路由器只工作在网络层
子网划分
IP地址=网络号+子网号+主机号（原主机号划分成子网号+新主机号）
仅根据IP地址无法判断网络是否进行了子网划分，通过子网掩码确定子网号
子网掩码
IP地址&子网掩码=子网IP地址
未划分子网的网络使用默认IP地址
A类：255.0.0.0
B类：255.255.0.0
C类：255.255.255.0
路由表表项
目的网络地址|子网掩码|下一跳地址|端口
变长子网划分
划分为3个子网，子网号：0，10，11
无分类编址CIDR
IP地址=网络前缀+主机号
动态的子网划分（网络前缀长度可变）
选择路由表中最长前缀匹配的路由
构成超网（路由聚合）
将路由器中206.1.0.0/17和206.1.128.0/17合并成206.1.0.0/16
减少路由表内容
协议
地址解析ARP
网络层协议
ARP表
每台主机都有
存放本局域网上主机和路由器的IP地址/MAC地址映射
IP地址®MAC地址自动完成，用户不知道
请求分组广播，响应分组单播
过程
源主机
检查本机ARP
有目的IP
将目标MAC地址写入MAC帧，转发数据分组
无目的IP
将请求分组目的MAC地址置为FF-FF-FF-FF，广播发送
等待响应
收到响应
向ARP表中添加新映射
向目的主机单播发送数据分组
没有响应
目的主机不在本局域网
设置IP地址为默认网关的ARP请求，广播ARP请求分组
本地局域网路由器收到后返回路由器MAC地址
源主机向本局域网路由器转发数据分组
路由器用ARP协议探测目的MAC地址并转发
目的主机
收到IP对应的请求分组后单播发送响应分组
动态主机配置DHCP
应用层协议，基于UDP
即插即用，客户/服务器模式
同一网络中可能有多个DHCP服务器，客户机从提供报文中选择一个IP
分配给DHCP客户机的IP有租用期
网际报文控制ICMP
向源主机报告差错情况
差错报告报文
终点不可达
源点抑制
拥塞控制丢弃数据报
时间超过
TTL=0
参数问题
路由改变
路由器发送
报文可通过更好的路由
中原食残鹿
不发情况
不对差错报告报文发送差错报告报文
只对一个数据报的第一个分片发送
组播地址(240~255)的数据报不发送
特殊地址不发送（127.0.0.0或0.0.0.0）
叠一组特
询问报文
回送请求和回答
时间戳请求和回答
地址掩码请求和回答
路由器询问和通告
会师迪露
应用
Traceroute
差错报告报文的时间超过
PING
询问报文的回送请求和回答
应用层
路由算法
静态路由算法
手工配置和修改路由
适用于军事网络和小型商业网络
动态路由算法
距离-向量算法：RIP协议
慢收敛（坏消息传得慢）
一条路径最多15跳，16跳时认为不可达
交换时机
每30秒广播一次路由信息
超过180秒没有收到相邻路由器的信息后记跳数为16
算法
收到相邻路由器X的路由信息时，将跳数都+1，下一跳改为X
比较原路由表和收到信息
原路由表没有
添加
原路由表有
下一跳地址相同则更新
下一跳地址不同则比较后更新/保持
链路状态算法：OSPF协议
收敛速度快
将一个AS划分为区域
一个主干区域和多个普通区域
主干区域连接其他AS和本AS内其他区域
洪泛范围局限于每个区域（适用于大型网络）
信息交换时机
链路状态发生变化时
报文类型
去餐厅
问候分组：相邻路由器每隔10秒交换1次
点菜
链路状态请求分组
上菜
链路状态更新分组
向全网洪泛发送
结账
链路状态确认分组
看菜单
数据库描述分组
Dijkstra计算带权单源最短路径
层次路由
互联网=多个自治系统AS的连接
AS内：域内路由选择
内部网关协议IGP
RIP
OSPF
AS间：域间路由选择
外部网关协议EGP
BGP-4
BGP发言人
每个AS都有，与其他发言人通信
运行BGP和AS的内部网关协议
Open
与另一个发言人建立连接
Update
更新路由信息
Keepalive
Open的确认
证明与邻站有连接
Notification
差错报文
刚运行时交换整个BGP路由表
以后交换变化部分
路由协议比较
网络层设备
层次
物理层
数据链路层
网络即局域网，即一个广播域
源和目的在同一网络上无需通过路由器
分组转发
输入端口
物理层处理（最先）+数据链路层处理+网络层处理
交换结构
根据转发表转发分组
输出端口
网络层处理（最先）+数据链路层处理+物理层处理
路由转发
路由表
目的IP|子网掩码|下一跳IP|接口
路由选择，涉及多个路由器
软件实现
转发表
目的IP|下一跳MAC
分组转发，只涉及一个路由器
软件或硬件实现
可以适用默认路由代替所有“下一跳”相同表项
转发表由路由表得来
移动IP
定义
移动结点
有永久地址的移动设备
本地代理/归属代理
移动结点的永久管家
绑定/解绑主地址和辅地址
永久地址/主地址
移动结点的唯一地址
固定不变
外部代理
移动结点进入外部网络时的管家
转交地址/辅地址
外部网络中移动结点获得的地址
动态改变
移动结点进入外部网络时获得转交地址
通过外部代理向本地代理发送注册报文
永久地址|转交地址
本地代理绑定两个地址，建立隧道
发送给本地代理的分组通过隧道转发给转交地址
IP组播
一定应用于UDP
一对多，而TCP连接为一对一
不提供可靠传输
源主机只需要发送一次分组
发给组播地址
因特网将副本发给组中每台主机
一个组播组对应一个D类地址，但不是所有D类地址都能用做组播地址
与广播区别
因特网组播
因特网范围内，涉及多个网络
IGMP协议
让组播路由器知道LAN中的组是否活跃
组播路由器不知道组播成员及其数量
主机
向组播地址发送IGMP报文以加入该组播组
组播路由器将更新的组成员转发给其他组播路由器
本地组播路由器
周期性探询组播组
组中有一个主机响应，认为此组活跃
组播路由选择
组播转发树避免路由环路
一次组播中涉及的组播路由器不会收到重复的组播分组
路由选择算法
距离-向量
链路状态
协议无关
硬件组播
在一个局域网内部
IP组播地址®硬件组播地址
01-00-5E+0(1bit)+IP后23位
32个IP组播地址映射成一个MAC地址
32位IP地址除去构成硬件组播地址的23位，前9位中前4位为1110（D类地址），剩余5位对应不同的32个IP组播地址
A组播组内的主机可能收到发往B组播组的分组
收到组播分组的主机在IP层进行过滤
IPv6
IP地址不足
NAT和CIDR延长IPv4分配完的时间
IPv6从根本上解决问题
区别
IPv6地址
一般
4B35:0000:0000:000B:0000:039A:0000:32A8
压缩
4B35:0:0:B:0:39A:0:32A8
零压缩
4B35::B:0:39A:0:32A8
双冒号在一个IPv6地址中只能出现一次
通信方式
单播
多播
任播
从一组计算机中选择一个交付数据报
本质上一对一
向IPv4过渡
双协议栈
设备上同时装有IPv4和IPv6协议，可以与两种IP协议的网络通信
隧道技术
将IPv6数据报封装到IPv4数据报的数据部分
主机发送分组
目的IP与自己在同网段
通过ARP请求分组探寻目的MAC
向目的主机直接发送以太网帧
目的IP与自己不在同网段
通过ARP请求（设置IP为默认网关）得到本网段路由器MAC地址
如果ARP表中无默认网关对应MAC地址
默认网关为离主机最近的路由器端口IP地址
向路由器发送以太网帧，由路由器完成之后的转发
数据报分片
路由器连接不同的网络
不同网络协议使用的链路层协议可能不同（如分别使用以太网和因特网）
链路层协议要求的MTU不同，因此中间路由器可能会将分组分片
中间路由器可以将IP分组分片，只有目的主机会将分片重组成数据报
路由选择
按照网络前缀从长到短查找路由表
使用该表项中的子网掩码与目的IP逻辑与
结果与表项中网络地址相同则得到下一跳的IP地址
通过ARP将该IP转换成MAC
更改本MAC帧的首部
在不同网络中传送时MAC帧的目的和源地址都发生变化
根据此MAC地址找到下一跳路由器
查完没找到则选择默认路由0.0.0.0/0（子网掩码也为0.0.0.0），转发
因特网和互联网的IP地址默认也为0.0.0.0/0
访问互联网时路由选择默认路由
转发过程中分组的源IP和目的IP没有改写（没有NAT时）
IPv4网络地址
IP地址划分
规定不同种类网络能分配的主机IP数
借用IP地址划分规定的部分主机号作为子网号
CIDR
借用IP地址划分规定的部分主机号作为网络前缀的后部分
主机号为n位时
可分配地址数为2^n，可分配主机号为2^n-2
主机号最少为2位（否则必为全0/全1，没有可分配的）
