计算机网络——网络层
一、概述：
1.网络层主要任务：把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。、
传输单位是：数据报。
数据报是一个比较长的数据，而分组是把数据报进行切割形成的一个数据片段。
功能：（1）路由选择与分组转发：通过路由选择算法选择一个最佳路径。
（2）异构网络互联（异构网络通过路由器进行互联，尽心通信）
（3）拥塞控制：所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组，网络就处于一种拥塞状态，缓解这种措施就叫做拥塞控制。
解决措施：开环控制（静，预先考虑好所有拥塞的控制），闭环控制（动，网络运行起来以后，自动调整，来实现拥塞控制）
二、数据交换方式：
1.如何让两个不同的主机进行进行通信：交换网络（由大量交换设备进行互联）
2：三种交换方式：
（1）电路交换：电话网络
建立连接（呼叫/电路建立）——通信（特点：独占资源）——释放连接（拆除电路）
①多路复用技术：将链路进行划分，
②优点：通信时延小（数据直达，只要有数据就可以发出去）；有序传输；没有冲突；实时性强
③缺点：建立连接时间较长；由于线路独占导致使用效率低；灵活性差（只要一条信道有故障，则整条道路崩溃）；无差错控制能力
（2）报文交换
报文：信息的整体
①优点：无需建立连接；存储转发，动态分配线路；线路可靠性高；线路可利用率高；多目标服务（一个报文可发动到多个目的地址）。
②缺点：有存储转发时延；报文大小不定，需要网络节点有较大量缓存空间
（3）分组交换:
分组；把大的数据块分割成小的数据块
①优点：无需建立连接；存储转发，动态分配线路；线路可靠性高；线路利用率高，相对于报文交换，存储管理更容易。
②缺点：有存储转发时延；需要传输额外的信息量（源地址，目的地址，分组编号）；乱序到目的主机时，要对分组进行排序重组
分组交换是并行转发分组的额过程，而报文是串行转发的思想，分组交换所需时间更小
总结：1报文交换和分组交换都采用存储转发
2.传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换，电路交换传输时延更小
3.从信道利用率来看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换时延更小。
3.分组交换又分为：数据报方式和虚电路方式:
（1）数据报方式：为网络层提供无连服务
不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输的路径可能不同。（可能造成失序）
（2）虚电路方式：为网络层提供连接服务
4.几种传输单元的名词解释
应用层（报文）
传输层（报文段）
网络层（IP数据报，分组）（封装上网络层的IP地址（目的地址。源地址））
数据链路层（帧：加头加尾，（源MAC地址和目的MAC地址，物理地址））
物理层（比特流）
5.数据报
（1）为网络层提供无连接服务
不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输的路径可能不同。（可能造成失序）
（2）每个分组携带源和目的地址
（3）路由器根据分组的目的地址转发分组：基于路由协议/算法构建转发表，检索转发表，每个分组独立选择。
6.虚电路（将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点）
一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项纪录了一个打开的虚电路的信息。
通信过程：
建立连接——数据传输——释放连接
每个分组携带虚电路号（应该走哪一条虚电路）。
①建立连接：源主机发送“呼叫请求”分组，并受到“呼叫应答”分组后才算建立连接。
②以分组为单位沿着既定的虚电路传输数据。
6.数据报与虚电路的区别（看课本）
（1）连接：数据报：不需要建立连接，虚电路必须有
（2）目的地址：数据报：每个分组都有完整的目的地址。
虚电路：仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用虚电路号即可。
（3）路由选择：数据报：每个分组独立地进行路由选择和转发
虚电路：属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发。
（4）对网络故障的适应性
三、路由算法以及路由协议
1.（1）静态路由算法（非自适应路由算法）管理员手工配置路由
简便、可靠，适合在拓扑变化不大的网络中运行
（2）动态路由算法（自适应算法）
路由更新快，使用大型网络
2.自治系统AS
路由选择协议：内部网关协议IGP：一个AS内使用的 RIP、 OSPF
外部网关协议EGP：AS之间使用的BGP
四、IP数据报格式
1、生存时间（TTL）：IP分组在网络中的寿命，每经过一个路由器，-1，变成0则丢弃。
防止无法交付的数据报在网络中无线转发。
2.IP地址：全世界唯一地32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。
IP地址：={<网络号><主机号>} 点分十进制
局域网LAN1，一个局域网的网络号相同。
网桥不能分割广播域，连接的两个网段的网络号相同。
路由器可以分割广播域：路由器的不同的接口可以连接不同的网络。
3.全0和全1不是可用的网络号
4.路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发
5.网络地址转换NAT（Network addresss Translation）：
在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址
关键：在NAT路由器上有一个NAT转换表
| WAN端（外网） | LAN端（内网） |
| 172.38.1.5:40001 | 192.168.0.3:30000 |
| 172.38.1.5:40002 | 192.168.0.4:30001 |
IP地址： 端口号（传输层：可以唯一地标识主机中的具体进程，例如微信和qq）同一主机不同进程的端口号是不同的。
传输过程：在网络层加上IP地址，在传输层加上端口号，到了NAT路由器以后，将源IP和端口替换上NAT转化表中相应的LAN端
6.子网划分与子网掩码
（1）两级IP地址：网络号+主机号
三级IP地址：
| 网络号 | 子网号 | 主机号（不能全0或者全1，全0表示网络，全1 表示广播） |
某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分。
（2）子网掩码
①网络号，子网号：全1；主机号：全0
子网掩码与IP地址逐位相与，就得到子网网络地址
②使用子网时，分组的转发：
- 路由表中的信息：
- 目的网络地址
- 目的网络子网掩码
- 下一跳地址
- 路由器转发分组的算法：
外部来了一个分组，王道150页
- 提取目的IP地址
- 根据路由器判断该分组是否直接交付（直接给路由器所连的一个网络，将目的地址与各个子网的掩码进行相与操作，若结果与子网相同，则应该交付给该网络）
- 特定主机路由（路由表中的一行，若路由表中有这么一行和我的IP地址是一样的，就直接俺路由表中的一行按照所要求的步骤继续运行）
- 检测路由表中有无路径（用目的IP地址与路由表中的每一行的子网掩码进行逐位相与，如果结果与 路由表中的目的网络络相同，）
- 默认路由0.0.0.0，
- 丢弃，报告转发分组出错
6.无分类编制CIDR（变长）
1消除了传统的A类.B类和C类以及划分子网的概念
<网络前缀><主机号>
2.融合子网地址与子网掩码，方便子网划分。。
CIDR把网络前缀都相同（位数和数字）的连续的IP地址组成一个CIDR地址块。
地址块：128.14.32.0/20 有2的12次方个IP地址，可以知道其最大和最小地址
7.构成超网（路由聚合）（将多个子网聚合成一个较大的子网）
方法：将网络前缀缩短
最长前缀匹配：使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果，应该选择具有最长网络前缀的路由，，前缀越长，地址块越小，路由越具体。
8.ARP协议（介于网络层和数据链路层，划分为网络层，为IP数据报提供服务）
（1）ARP高速缓存（IP地址与MAC地址的映射，一般存储的是局域网内部的Ip地址与目的地址的映射）
- 广播ARP请求分组（目的地址，源地址，源MAC地址，目的MAC地址（全FFF的广播地址）），交换机（因为是广播分组，所以会广播出去），只有目的主机会响应（单播ARP分组（IP和MAC映射））
- 主机会先将目的IP地址与自己 的子网掩码进行相与操作，看看该地址是不是在自己的网段内（通过ARP协议获得网关的目的地址和IP地址的映射）。因此去查询默认网关（一个局域网连入外界的一个关口）的IP地址。方法与上相同。。
（2）由于在实际网络的连路上传送数据帧时，最终必须使用MAC地址。
因此用ARP协议：完成主机或路由器到MAC地址的映射（解决下一跳走哪的问题）。
（3）ARP协议使用过程：检查ARP高速缓存，有对应表项则写入MAC帧，没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF额帧封装并广播ARP请求分组，同一局域网中所有主机都能收到该请求，目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP响应分组，，源主机收到后将此映射写入ARP缓存（10min-20min更新一次）
（4）ARP协议四种典型情况：
- 主机A发给本网络的主机B，用ARP找到主机B的硬件地址；
- 主机A发给另一网络上的主机B ，用ARP找到本网络上一个路由器（网关）的硬件地址
- 路由器发给本网络上的主机A，用ARP找到主机A的硬件地址
- 路由器发给另一网络的主机B ，用ARP找到本网络上的一个路由器（网关）的硬件地址。
例题：主机发送IP数据报给主机B ，经过了5个路由器，此过程总共使用了6次RP协议
9.DHCP协议（用DHCP服务器来动态分配IP地址）
配置（IP地址，子网掩码，默认网关）
1.动态主机配置协议DHCP是应用层协议（为IP的服务奠定了一个基础），使用客户/服务器方式，客户端和服务端通过广播方式进行交互，基于UDP。
2.DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器名称与Ip地址。允许地址重用（来了一个设备，分配一个IP地址，该设备离开该网络时，改地址仍然可以分配给其他设备）、支持移动用户加入网络、支持在用地址续租。
3.工作流程：（客户/服务器方式）
（1）主机广播DHCP发现报文（试图发现一个DHCP服务器）
（2）DHCP服务器广播DHCP提供报文（服务器拟分配给主机一个IP地址以及相关配置，先到先得）
（3）主机广播DHCP请求报文（主机向服务器请求提供IP地址）
（4）DHCP服务器广播DHCP确认报文（正式将IP地址分配给主机）
10.ICMP协议（网际控制报文协议）（为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会）
ICMP协议支持主机或路由器：差错（或异常报告）、网络探询——发送特定ICMP报文
1.ICMP差错报告报文（5种）：封装在传输单元的数据部分
（1）终点不可达（无法交付）：当路由器或主机不能交付数据报时就向源点发送终点不可达报文
（2）源点抑制（拥塞丢数据）：当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢
（3）时间超过：生存时间TTL为0时（一丢弃，二发送时间超过报文）。
终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已经收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。（数据报片没有收集完整）
（4）参数问题：收到的数据报的首部字段出问题
（5）改变路由（重定向）：值得更好的路由，我这里不是一个更好的选择。
2.ICMP询问报文
（1）回送请求和回答报文：主机或路由器向特定目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文，测试目的站是否可达以及了解其相关状态。
（2）时间戳请求和回答报文：请某个主机或路由器回答当前的日期和时间，用来进行时钟同步和测量时间
3.ICMP的应用
（1）PING：测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文
（2）Traceroute：跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文
10IPv6：解决地址耗尽问题
1.IPv6和IPv4区别：
（1）IPv6将地址从32位（4B）扩大到128位（16B），更大的地址空间
（2）IPv6将IPv4的校验和字段彻底移除，以减少每一跳的处理时间
（3）IPv6将IPv4的可选字段移出首部，变成了扩展首部，成为灵活的首部格式，路由器通常不对扩展首部进行检查，大的提高了路由器的处理效率。
（4）IPv6支持即插即用（自动配置），不需要DHCP协议
（5）IPv6首部长度必须是8B的整数倍，IPv4首部是4B 的整数倍
（6）IPv6只能在主机处分片，IPv4可以在路由器和主机处分片
2.冒号16进制表示法
3.IPv6基本地址类型
（1）单播：一对一通信 可做源地址+目的地址
（2）多播：一对多 可做目的地址
（3）任播：
4.IPv6向IPv4过渡的策略
（1）双栈协议：同时启用IPv6和IPv4协议栈
如果是路由器：则在不同的接口，分别配置IPv6和IPv4地址
如果是计算机：将同时拥有IPv4和IPv6地址，并且具备同时处理这两个协议地址的功能
（2）隧道技术：隧道技术将其他协议的数据帧或包重新封装，将其作为数据部分，进行传输
11.路由选择协议
-
RIP协议（适用于小型网络）：是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议
RIP协议是应用层协议 ，使用UDP传送数据（好消息传得快，坏消息传的慢（需要进过很长时间才会传达到）））
1. （路由表）要求网络中的每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录（即一组距离）
距离：通常为“跳数”，即从源端口到目的端口所经过的路由器个数，经过一个路由器跳数+1。特别的，从一路由器到直接连接的网络距离为1。
2.执行过程：
（1）仅和相邻路由器交换信息
（2）路由器交换的信息总是自己的路由表
（3）每30秒交换一次路由信息，然后由路由器根据更新信息更新路由表，如果超过180没收到相邻路由器的通告，则判定邻居没了，并更新自己的路由表
路由器刚开始工作时，只知道直接相连的网络的距离（距离为1），接着每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。经过若干次更新后，所路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址，即收敛
3.距离向量算法
（1）修改相邻路由器发来的RIP报文中的所有表项
对地址为x的相邻路由器发来的RIP报文，修改此报文中的所有项目，把“下一跳”字段中的地址改为x，并把所有的“距离”字段加一。
（2）对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤：
①R1路由表中若没有Net3，则把该项目填入R1路由表
②R1路由表中如有Net3，则查看下一跳路由器地址；
若下一跳是x，则用收到的项目替换源路由表中的项目。（以最新收到的消息为准）
若下一跳不是x，原来距离比x走的距离远则更新， 否则不作处理。
③若180s收到相邻路由器x的更新路由表，则把x记为不可达的路由器，即把距离改为16.
④返回
