网络层重要知识（面试、复试、期末）
网络层
- 一.概述
- 二.网络层IP协议
- 2.1 IP协议详解
- 2.1.1 虚拟互联网络
- 2.1.2 IP协议
- 2.1.3 IP首部
- 2.2 子网划分
- 2.2.1 分类的IP地址
- 2.2.2 划分子网
- 2.2.2.1 问题引入
- 2.2.2.2 子网划分
- 2.2.2.3 子网掩码
- 2.2.3 无分类编制CIDR
- 2.2.3.1 相关概念
- 2.2.3.2 斜线记法
- 2.3 简单路由过程
- 2.3.1 IP协议的转发流程
- 2.3.1.1 路由表的简介
- 2.3.1.2 转发流程
- 2.4 网络地址转换NAT技术
- 2.4.1 内部网关和外部网关
- 2.4.2 NAT技术
- 三.网络层其他协议
- 3.1 ARP协议与RARP协议
- 3.1.1 ARP协议
- 3.1.2 RARP协议
- 3.2 ICMP协议
- 3.2.1 ICMP 协议详解
- 3.2.2 ICMP 协议应用
- 3.2.2.1 Ping应用
- 3.2.2.1 Traceroute应用
- 3.3 小结
- 四.外部网关路由协议
- 4.1 路由的概述
- 4.1.1 路由算法的本质
- 4.1.2 自治系统
- 4.2 内部网关路由协议
- 4.2.1 RIP协议
- 4.2.1距离矢量(DV)算法
- 4.2.2 RIP协议的过程
- 4.2.3 OSPF协议
- 4.3 外部网关路由协议
一.概述
首先明确数据链路层所在网络层次的位置：
在OSI七层模型中处于自底向上第三层，在数据链路层上面；在TCP/IP四层模型中处于自底向上第二层在网络接口层之上。
路由器最上层的协议就是网络层。网络层主要解决数据路由——决定数据在网络的路径。数据链路层只可以解决相邻结点的的数据传输，不能解决跨结点的数据传输，网络层就是解决这一问题的。
二.网络层IP协议
2.1 IP协议详解
2.1.1 虚拟互联网络
因为实际的计算机网络是错综复杂的，所以物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异。当网络中的主机使用IP协议连接时，则无需关注网络细节，将实际的网络拓扑看作一个虚拟的互连网络整体。
IP协议在虚拟化过程中起到重要作用。
2.1.2 IP协议
IP协议的作用：
- IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互连的网络。
- IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据转发(不需要清楚经过海底电缆还是陆上光纤之类的设备)。
- IP协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题(IP协议向上为用户提供虚拟互联网络，向下解决了传输路径的问题)。
IP地址：32位，常使用点分十进制来表示。网络中每一个网络设备的标识，是可变的。
IP数据报：帧的数据。由IP首部和IP数据报的数据两部分组成。
2.1.3 IP首部
- 4位版本：指的是IP协议的版本，通信双方的版本必须一致。当前主流版本是4，即IPv4。也有IPv6。
- 4位首部位长度：最大数值为15，表示的是IP首部长度，单位是“32位字”(4个字节），也即是IP首部最大长度为60字节。
- 8位服务类型
- 16位总长度：最大数值为65535字节，表示的是IP数据报总长度(IP首部+IP数据)。MTU一般为1500字节，实际传输时候如果IP数据报比MTU大，数据链路层会对IP数据报分片。
- 16位标识
- 3位标志：目前只有2位有效，标记IP数据报是否可以分片。
- 13位片偏移：IP数据报分片的话，保存第几个偏移的IP数据。
- 8位生存时间(TTL)：表明IP数据报文在网络中的寿命，每经过一个设备，TTL减1，当TTL=0时，网络设备必须丢弃该报文。当报文找不到终点时，防止它在网络中无止境地传输消耗网络带宽。
- 8位协议：表明IP数据所携带的具体数据是什么协议(如: TCP、UDP等)。
- 16位首部校验和：校验IP首部是否有出错。
- 32位源IP地址
- 32位目的IP地址
- 选项(可选)
2.2 子网划分
IP地址有接近232个，直接规划和分配IP地址非常麻烦。因此我们要先对IP地址做一个分类。
2.2.1 分类的IP地址
分类之前先将IP地址分为网络号和主机号两部分。
| 网络号 | 主机号 | 备注 | |
|---|---|---|---|
| A类 | ８ | 24 | 首位为0 |
| B类 | 16 | 16 | 首2位10 |
| C类 | 24 | 8 | 首3位110 |
特殊的主机号：
- 主机号全0表示当前网络段，不可分配为特定主机。
- 主机号为全1表示广播地址(广播地址就是向该地址发送数据报，数据报会发送给当前网络段的所有主机)，向当前网络段所有主机发消息，不可分配为特定主机。
特殊的网络号：
- A类地址网络段全0(00000000)表示特殊网络，不可使用。
- A类地址网络段后7位全1(01111111:127)表示回环地址，不可使用。
- B类地址网络段(10000000.00000000:128.0)是不可使用的。
- C类地址网络段(192.0.0)是不可使用的
根据上述两的特殊的主机号和网络号可以得下表：
| 最小网络号 | 最大网络号 | 子网数量 | 最小主机号 | 最大主机号 | 主机数量 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A类 | 1 | 126 | 27-2 | 0.0.1 | 255.255.254 | 224-2 |
| B类 | 128.1 | 191.255 | 214-1 | 0.1 | 255.254 | 216-2 |
| C类 | 192.0.1 | 223.255.255 | 221-1 | 1 | 254 | 28-2 |
注：127.0.0.1，通常被称为本地回环地址(Loopback Address)，不属于任何一个有类别地址类。它代表设备的本地虚拟接口，所以默认被看作是永远不会宕掉的接口。在Windows操作系统中也有相似的定义，所以通常在安装网卡前就可以ping通这个本地回环地址。一般都会用来检查本地网络协议、基本数据接口等是否正常的。
2.2.2 划分子网
2.2.2.1 问题引入
问题1：某公司拥有100名员工，每人配备-一个计算机，请问该公司应该申请哪种网络段?
答：C类地址拥有254个，够公司用，而且节省IP地址，所以申请C类网址。eg：193.10.10.0.
问题2：某公司拥有256名员工，每人配备一个计算机，请问该公司应该申请哪种网络段?
答：同上，申请B类地址。eg：190.17.0.0。
可以看出这种分配方法会浪费很大的地址空间，所以引入子网划分的概念。
2.2.2.2 子网划分
对于子网划分，IP地址由网络号、子网号和主机号三部分组成。eg：将193.10.10.0分为两个子网，193.10.10.00000000和193.10.10.10000000，加粗部分位子网号。划分子网可申请可节省IP地址。
比如前文问题1：193.10.10.128。
如此划分子网号会非常多，如何快速判断某个IP的网络号？
2.2.2.3 子网掩码
子网掩码和IP地址一样,都是32位；子网掩码由连续的1和连续的0组成；某一个子网的子网掩码具备网络号位数个连续的1。
| 子网掩码 | |
|---|---|
| A类 | 255.0.0.0 |
| B类 | 255.255.0.0 |
| C类 | 255.255.255.0 |
子网掩码与子网划分的IP地址进行与运算，根据得到的结果就可以快速判断某个IP属于哪个网络号。
2.2.3 无分类编制CIDR
2.2.3.1 相关概念
CIDR中没有A、B、C类网络号、和子网划分的概念，CIDR将网络前缀相同的IP地址称为一个“CIDR地址块”，其中网络前缀位数是任意的。相比子网划分更加灵活。
对于CIDR而言，IP地址被分为网络前缀和主机号两部分。
2.2.3.2 斜线记法
eg：193.10.10.129/25，网络前缀25位，主机号7位。
前文问问题一可申请：193.10.10.128/25
扩展问题1：某公司增加了100名员工，并且拆分成两个部门。
答：两组前缀/25，为小型网络，称为子网；上一级/24（可能是/24），为中型网络，称为超网。
2.3 简单路由过程
2.3.1 IP协议的转发流程
逐跳(hop-by-hop)：发送端的IP数据报是一跳一跳发送到接收端的。
2.3.1.1 路由表的简介
有两列组成，分别为目的IP地址和下一跳的IP地址。
计算机或路由器都拥有路由表。
2.3.1.2 转发流程
只看网络层，流程如下：
- A发出目的地为C的IP数据报,查询路由表发现下一跳为E
- A将数据报发送给E
- E查询路由表发现下一跳为F,将数据报发送给F
- F查询路由表发现目的地C直接连接，将数据报发送给C
结合数据链路层和网络层，步骤如下：
- A发出目的地为C的IP数据报，查询路由表发现下一跳为E
- A将IP数据报向下交给数据链路层，并告知目的MAC地址是E
- 数据链路层填充源MAC地址A和目的MAC地址E
- 数据链路层通过物理层将数据发送给E
- E的数据链路层接收到数据帧，把帧数据向上交给网络层
- E查询路由表，发现下一跳为F
- E把数据报交向下给数据链路层，并告知目的MAC地址为F
- E的数据链路层重新把IP数据报封装成数据帧并发送
- F的数据链路层接收到数据帧，把帧数据向上交给网络层
- F查询路由表，发现下一跳为C
- F把数据报向下交给数据链路层，并告知目的MAC地址为C
- F的数据链路层封装数据帧并发送
非常值得注意的是：
- 数据帧每一跳的MAC地址都在变化
- IP数据报每一跳的IP地址始终不变
2.4 网络地址转换NAT技术
该技术的出现主要解决IP地址不够用的这一问题。
为什么会IP地址不够用？
- IPv4最多只有40+亿个IP地址
- 早期IP地址的不合理规划导致IP号浪费
2.4.1 内部网关和外部网关
互联网边缘部分：多数情况下，一个家庭只有一个IP设备，家庭中的多个终端设备是如何连接互联网并通信？一个企业的IP地址也无法支持全部终端设备，多个终端设备是如何连接互联网并通信？
IP地址可以分为私有IP地址和全球IP地址
| 私有IP地址 | 全球IP地址 |
|---|---|
| 内部机构使用(比如家庭里各种设备) | 全球范围使用 |
| 避免与全球IP地址重复 | 全球公共网络唯一IP |
私有IP地址也有三类
| A类 | 10.0.0.0~10.255.255.255 (支持千万数量级设备) |
|---|---|
| B类 | 172.16.0.0~172.31.255.255 (支持百万数量级设备) |
| C类 | 192.168.0.0~192.168.255.255 (支持万数量级设备) |
私有IP地址是给内部使用的，所以A公司和B公司/A家庭和B家庭可以使用相同的私有IP地址，并不会引起冲突。
2.4.2 NAT技术
由前文可知，采用私有IP地址的多个设备使用同一个全球IP地址请求网络服务，外部怎么知道具体是哪个设备在请求的呢?
引出网络地址转换NAT(Network Address Translation)，NAT技术用于多个主机通过一个公有IP访问互联网的私有网络中，解决网络拓扑在请求公有IP服务时如何正确运行的问题。
在路由器内部会进行私有IP地址和全球IP地址的转换，私有IP地址和全球IP地址的映射关系称为NA (P ) T表。为什么会有个P呢，因为私有/全球IP地址还要搭配端口号。
举个例子：
对应的NA(P )T表
| 方向 | 旧的地址和端口号 | 新的地址与端口号 |
|---|---|---|
| 出 | 192.168.2.11:6666 | 173.21.59.10:16666 |
| 出 | 192.168.2.10:7777 | 173.21.59.10:17777 |
| 入 | 173.21. 59.10:16666 | 192.1 68.2.11:6666 |
| 入 | 173.21.59.10:17777 | 192.168.2.10:7777 |
NA（P）T表就是在私有IP地址和端口号映射为全球IP地址和端口号对外进行通信；并且接收到相关数据再把全球IP地址和端口号映射为私有IP地址和端口号转发到具体设备中。这个映射过程就是NAT过程，发生在本地路由器。
NAT减缓了IP地址的消耗，但是增加了网络通信的复杂度。
三.网络层其他协议
3.1 ARP协议与RARP协议
R/ARP协议是配合数据链路层和网络层使用的协议。
3.1.1 ARP协议
ARP(地址解析协议)：该协议可以把网络层IP32位地址转化为数据链路层MAC48位地址。
ARP缓存表：IP地址-MAC地址映射表。 ARP缓存表是ARP协议和RARP协议运行的关键；
ARP缓存表缓存了IP地址到硬件地址之间的映射关系；
ARP缓存表中的记录并不是永久有效的，有一定的期限，因为IP地址是不断变化的。
查询ARP表会出现两种情况：
- ARP缓存表缓存有 IP地址和MAC地址的映射关系：
发送端可以 直接告知自身的数据链路层目的MAC地址。 - ARP缓存表没有缓存IP地址和MAC地址的映射关系：
向除了接受的数据报的发送者意外广播信息，接收到回信记录对应的地址。
3.1.2 RARP协议
RARP(逆地址解析协议)：该协议可以把数据链路层MAC48位地址转化为网络层IP32位地址。
3.2 ICMP协议
3.2.1 ICMP 协议详解
网络控制报文协议(ICMP)可以报告错误信息或者异常情况，辅助IP协议更好的传输。封装在IP数据报的数据中，是IP数据报的数据。
由ICMP首部和数据组成。
ICMP首部组成如下：
- 8位类型：ICMP报文种类，有两大类(差错报告报文、询问报文)。
- 8位代码：不同的ICMP报文具体是那些错误。
- 16位校验和：校验传输过程中是否发生错误。
3.2.2 ICMP 协议应用
3.2.2.1 Ping应用
原理：发送ICMP询问报文(回送请求或应答)。
判断网络故障位置：
- Ping回环地址127.0.0.1，如果没有收到返回，说明计算机协议栈出现了问题，要重装系统或重新安装协议栈。
- Ping网关地址(路由器地址)，Ping192.168.0.1或者192.168.1.1如果不通就是计算机到路由器之间有问题。
- Ping远端地址，如果不通那就说明家里到ISP，联系运营商。
3.2.2.1 Traceroute应用
Traceroute可以探测IP数据报在网络中走过的路径。
不可达差错报告报文
3.3 小结
| IP协议 | 用于传输真实数据 |
|---|---|
| ARP协议和RARP协议 | IP地址和MAC地址的互相转换 |
| ICMP协议 | 辅助IP协议进行传输 |
四.外部网关路由协议
4.1 路由的概述
细心的盆友应该发现前文2.3.1的转发流程没有并没有说明以下四个问题：
- 下一跳地址是怎么来的？
- 下一跳地址是唯一的吗？
- 下一跳的地址是最佳的吗？
- 路由器那么多，他们是怎么协同工作的？
我们需要一些好的算法 去解决这些事情。所以学习网络路由就是学习这些算法。
4.1.1 路由算法的本质
网络拓扑就类似数据结构图：
- 每一个顶点表示一个网络、路由器或计算机
- 每一条边表示一条网络路径
综上两点，路由算法实际上是图论的算法 - 网络环境复杂且突发情况多
所以综上三点，路由算法要比图论的算法要复杂
一个理想的路由算法应该由以下几个特点：
- 算法可以适应网络中的变化
- 算法是稳定的和公平的
- 算法在计算上应该尽可能的简单
- 算法是正确的、完整的
4.1.2 自治系统
由于互联网的规模是非常大且环境非常复杂，为了路由算法简单一些，我们人为先对互联网进行划分。
一个自治系统(AS)是处于一个管理机构(国家、城市、公司、学校等)下的网络设备群，AS内部网络自行管理，AS对外提供一个或者多个出(入)口。
自治系统内部路由的协议称为：内部网关协议(RIP、OSPF)
自治系统外部路由的协议称为：外部网关协议(BGP)
4.2 内部网关路由协议
4.2.1 RIP协议
4.2.1距离矢量(DV)算法
每一个节点使用两个向量Di和Si，Di描述的是当前节点到别的节点的距离，Si描述的是当前节点到别的节点的下一节点。
每一个节点与相邻的节点交换向量Di和Si的信息
每一个节点根据交换的信息更新自己的节点信息
4.2.2 RIP协议的过程
RIP(Routing Information Protocol)协议，是使用DV算法的一种路由协议。
RIP协议把网络的跳数(hop)作为DV算法的距离；RIP协议每隔30s交换一次路由信息；RIP协议认为跳数>15的路由则为不可达路由。
RIP协议过程如下：
第一步：路由器初始化路由信息(两个向量Di和Si)
第二步：对相邻路由器X发过来的信息，对信息的内容进行修改(下一跳地址设置为X，所有距离加1)
- 检索本地路由，将信息中新的路由插入到路由表里面
- 检索本地路由,对于下一-跳为X的，更新为修改后的信息
- 检索本地路由,对比相同目的的距离，如果新信息的距离更小,则更新本地路由表
第三步：如果3分钟没有收到相邻的路由信息，则把相邻路由设置为不可达(16跳)
优点：实现简单，开销小
缺点：故障信息传递慢(只看相邻节点的信息而且过于依赖)，更新收敛时间长；限制了网络规模(条数不可以大于15)
4.2.3 OSPF协议
4.3 外部网关路由协议
由于互联网规模过于庞大，在AS之间选择路由非常困难，比如是有OSPF协议每个路由器都要使用大量空间存储路由状态信息，而且算法满。又由于AS内部使用不同的协议，需要另一种协议协调。而且由于非网络特性的因素，也需要另一种协议。所以引出BGP协议。
BGP(Border Gateway Protocol:边际网关协议)是运行在AS之间的一种协议。BGP协议能够找到一条到达目的比较好而非最好的路由。
BGP发言人：位于AS边界的路由器(至少一个)，可以人为配置策略。BGP并不关心内部网络拓扑，AS之间通过BGP发言人交流信息。