第四章 网络层

1.网络层的两种服务：虚电路服务(可靠性由网络保证)和数据报服务(可靠性由用户主机保证)

2.网际协议

(1)地址解析协议ARP和逆地址解析协议(RARP)：位于IP协议之下，IP使用这两个协议解析到物理地址

(2)网际控制报文协议(ICMP)和网际组管理协议(IGMP)：位于IP协议之上，使用IP协议

Tips:这里补充一下各个层的一些相关协议：应用层协议：HTTP，FTP，SMTP；运输层协议TCP，UDP

3.各个层的中间设备：

(1)物理层使用的中间设备叫转发器(repeater)

(2)数据链路层使用的中间设备叫网桥或者桥接器(bridge)

(3)网络层使用的中间设备叫路由器(router)

(4)网络层以上使用的中间设备叫网关(gateway)

4.IP协议：IP地址=网络号net_id+主机号host_id，用点分十进制(每八位转换成十进制)表示。

4.1 IP分类：

(1)A类：1字节网络号+3字节主机号，网络号最高为为0，地址范围：1.0.0.0～126.255.255.255，最大主机数为2^24-2=16777214个。

(2)B类：2字节网络号+2字节主机号，网络号前两位为10，地址范围：128.1.0.0~191.255.255.255，最大主机数为2^16-2=65534个

(3)C类：3字节网络号+1字节主机号，网络号前三位为110，地址范围：192.0.1.0～223.255.255.255，最大主机数为2^8-2=254个

(4)D类：多播地址，1110开始

(5)E类：保留地址，1111开始

一般不使用的特殊地址：(网络号为0代表本网络，主机号全0代表本主机，全1代表所有主机)

4.2 IP的特点

(1) 分级结构的好处：分配时只需分配网络号，主机号由用户单位自己分配；路由表根据主机号转发分组，减小了路由表所占空间以及查找路由表的时间

(2) 连接的网络不同IP也不同，同时连多个网络的主机称为多属性主机。一个路由器至少要连接两个不同的网络(内网和外网)，因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址

(3) 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因为他们的网络号相同

(4) 所有分配到网络号的网络都是平等的

4.3 IP地址和物理地址

(1)IP地址时放在IP数据报的首部，MAC地址放在MAC帧的首部；

(2)在网络层和网络层以上使用IP地址，在数据链路层及以下使用MAC硬件地址;

(3)MAC帧里面看不到IP地址，被封装起来了。

4.4 ARP和RARP协议

(1) ARP工作流程：A以广播方式发送ARP请求(需要得到B的硬件地址)，B收到请求之后以单播方式给A发送ARP响应，此时B把A的IP地址和MAC地址存在高速ARP缓存内以便下一次发送，A收到B的响应之后，也在自己的ARP缓存中写入B的IP地址和MAC地址映射。

(2) 高速ARP缓存：映射地址都有一定的生存周期,超过就直接丢弃。

(3) ARP是解决同一局域网上的主机和路由器的IP地址和路由器地址的映射问题。如果所找的主机不在局域网内，那么就需要通过ARP找到位于局域网内的一个路由器的硬件地址，然后把分组数据传给路由器，路由器再把分组传给下一个网络。

4.5 IP数据报的格式

IP数据报的组成：首部(20字节)+数据部分

(1) 版本号：IP协议的版本

(2) 首部长度：常用首部长度为20个字节

(3) 区分服务：一般不使用这个字段

(4) 数据报总长度：首部和数据之和，占16位，表示最大长度为65535字节,由于MTU限制，一般不超过1500字节。另外数据报的总长度不是指未分片前的数据报总长度，而是指分片后的每一片的首部+数据的长度

(5) 标识：标识字段由计数器产生，每产生一个数据报就加1，数据报分片后标识段也被复制到各个分片中，以便重装成原来的数据报。

(6) 标志：三位，最低位记为MF，MF=1代表还有分片，反之则没有；中间一位记为DF，DF=1代表不允许分片，反之则允许分片

(7) 片偏移：分片后的该片在原分组中的相对位置。单位为8个字节，分片的长度都是8自己的倍数；

(9) 生存时间(TTL)：数据报在网络中的寿命。防止无法交付的数据报无限制地在网络中兜圈子。每经过一个路由器，TTL就减去数据报在该路由器中消耗的时间，TTL为0就丢弃该报。

(10) 协议：指携带的数据时何种协议。常用协议字段：1-ICMP，2-IGMP，6-TCP，8-EGP，17-UDP，41-IPv6等等

(11) 首部检验和：反码算术运算，即发送端首部检验和为全0，所有首部和相加取反得到接收端检验和，接收端判断首部和的反码是否为0，为0则保留，不为0则抛弃。(下图很好的说明了过程)

(12)源地址和目的地址：每个占32位，IP地址。

4.5 转发分组：对一条路由信息（目的网络地址，下一跳转地址）

(1) 从数据报中提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地址N

(2) 如果N是与此路由器直接相连的某个网络地址，则直接交付，否则为间接交付，执行(3)

(3) 若路由表中有目的地址D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表的下一跳路由器；否则,执行(4)

(4) 若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器，否则，执行(5)

(5) 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由，否则，执行(6)

(6) 报告转发分组出错。

5.划分子网

5.1 IP地址={<网络号>，<子网号>，<主机号>}，借用主机号的若干位作为子网号subnet_id，从两级IP结构变成了三级IP结构。

Tips:划分子网纯属一个单位内部的事，对外仍表现为一个网络。

5.2 子网掩码：从IP地址得到子网的网络地址

5.3 使用子网的分组转发(IP地址 AND 子网掩码 = 网络地址)

(1) 从数据报中提取目的主机的IP地址D

(2) 先判断能不能直接交付。对路由器直接相连的网络逐个进行检查：用各网络的子网掩码和D逐位相与，看结果是否和相应的网络地址匹配，若匹配则直接交付；否则为间接交付，执行(3)

(3) 若路由表中有目的地址D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表的下一跳路由器；否则,执行(4)

(4) 对路由表中的每一行(目的地址，子网掩码，下一跳地址)，用其中的子网掩码和D逐位相与，得到网络地址N，若与该行的目的网络地址匹配，则传给下一跳地址，否则，执行(5)

(5) 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由，否则，执行(6)

(6) 报告转发分组出错。

6.无分类编址CIDR

(1) IP结构：IP地址 = {<网络前缀>，<主机号>}，采用斜线记法，128.13.35.7/20，表示前20位为网络前缀

(2) 网络前缀相同的连续IP地址组成一个CIDR地址块

(3) 地址掩码：也可继续称为子网掩码。

(4) 查找路由表的时候，可能会得到不止一个匹配结果。应当从匹配结果中选择最长前缀匹配的路由

例如：目的地址206.0.71.130和206.0.68.0/22以及206.0.71.126/25都可以匹配

这时就需要选择**最长前缀匹配**206.0.71.126/25作为下一跳地址。

(5) 对所有可能的前缀进行循环查找效率不高，可以采用二叉线索来快速查找最长前缀匹配

7.网际控制报文协议ICMP(不是高层协议，它属于IP层的协议)

(1) 作用：为了更有效的转发IP数据报和提高交付成功的机会

(2) 当遇到IP数据无法访问目标、IP路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送ICMP消息

(3) 报文类型：差错报告报文和询问报文

其中，差错报告报文：

• 终点不可达：不能交付数据报时向源点发送

• 源点抑制：当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据，发送该报文通知源点将数据报发送速率放慢

• 时间超过：TTL将为0，丢弃数据的同时发送该报文

• 参数问题：首部字段不正确，丢弃数据，发送该报文

• 改变路由：让主机知道下次应将数据报发送给另外的更好的路由器

询问报文：

• 回送请求和应答：主机向目的主机发送回送请求报文，目的主机向源主机发送应答报文，用来测试目的主机站是否可达以及了解其状态

• 时间戳请求和应答：用于时钟同步和测量时间。

(4) 应用：分组网间探测ping，用来测试两个主机之间的连通性，采用ICMP回送请求和应答报文，PING是应用层直接使用网络层ICMP的一个例子，没有通过网络层TCP和UDP

8.路由选择协议

8.1 路由选择协议分类

(1) 内部网管协议IGP：在一个自治系统(AS)内部使用的路由选择协议，如RIP和OSPE协议

(2) 外部网关协议EGP：在一个自治系统的边界，用来将路由选择信息传递给下一个自治系统的协议。如BGP-4

8.2 内部网关协议RIP：不断更新路由表，使得从每一个路由到每一个目的路由都时最短的。

(1) 一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。

(2) 协议里的“距离”也称谓“跳数”，每经过一个路由加+1

(3) 协议特点：

• 仅和相邻路由器交换信息

• 交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息(信息包括我到本AS中各个网络的最短距离，以及到每个网络经过的下一跳路由器)。

• 按固定的时间间隔交换路由信息。

(4) 距离向量算法(目的网络+距离+下一跳路由器)

地址为X的相邻路由发来RIP报文，修改报文所有项(距离d+1，下一跳全改为X)，对每一项目进行如下处理：

• 若源路由中没有目的网络N，则把该项目添加到路由表中

• 若存在目的网络N，查看下一跳路由器，若为X，直接替换路由表

• 若存在目的网络N，下一跳路由器不为X，则比较距离，若小则更新，反之则丢弃

8.3 内部网关协议OSPF

(1) 使用分布式的链路状态协议，开放最短路径优先（Open Shortest Path First）,使用Dijkstra的最短路径算法SPF

(2) 三个要点(和RIP不同)

• 采用洪泛法，路由器通过所有输出端口向所有相邻的路由发送信息

• 发送的信息时与本路由器相邻的所有路由器的链路状态

• 只有当链路状态发生变化时，路由器才会再次采用洪泛法发送信息 （与RIP不同）

(3) 特点：

• 建立了一个链路状态数据库，全网的拓扑结构图

• 能较快的更新数据库，更新过程收敛很快

• 为了使OSPF用于大规模的网络，它将一个自治系统划分为多个区域，这样利用洪泛法交换链路状态信息的范围就局限于每一个区域，减少了网络上的通信量

• OSPF不用UDP而是直接用IP数据报发送

• OSPF对于不同类型的业务可计算出不同的路由

• 多路径间的负载平衡：在代价相同的多条路径上分配通信量

• OSPF支持可变长度的子网划分和无分类的编址CIDR

(4) OSPF分组IP数据报

OSPF五种分组类型：问候(hello)分组，数据库描述(Database Description)分组，链路状态请求分组(Link state Request)，链路状态更新(Link state Update)分组，链路状态确认(Link State Acknowledgment)分组。

8.4 外部网关协议BGP：力求寻找一条能到达目的网络且比较好的路由，而并非寻找一个最佳路由

(1) 采用路径向量路由选择协议

(2) 每一个AS都需要一个BGP发言人，这些发言人之间交换路由信息，构建AS连通图，它是树形结构，不存在回路

构建的AS连通图如下：

8.5 路由器的构成：分成路由选择部分和分组转发部分

(1) 分组路由选择：根据前面的路由选择协议构造路由表，并经常定期的更新和维护路由表来选择分组路由

(2) 分组转发部分：分为交换结构，一组输入端口和一组输出端口

• 交换结构：根据转发表，对分组进行处理，将某个输入端口进入的分组从一个合适的输出端口转发出去。三种交换方式：通过存储器，通过总线，通过互连网络

• 输入端口：从线路接受分组->物理层处理->数据链路层处理->网络层处理分组排队->交换结构

• 输出端口：交换结构->网络层处理分组排队->数据链路层处理->物理层处理->向线路发送分组

9.IP多播：采用D类IP

(1) 多播地址只能作为目的地址，不能作为源地址

(2) 网际组管理协议IGMP

10.虚拟专用网和网络地址转换NAT

(1) 在因特网中的所有目的路由器，对目的地址时专用地址的数据报一律不进行转发。如：

• 10.0.0.0到10.255.255.255

• 172.16.0.0到172.31.255.255

• 192.168.0.0到192.168.255.255

(2)利用隧道技术加密内部数据实现虚拟专用VPN网