第四章 网络层

一、网络层提供的两种服务

在互联网中，网络层向上只提供简单灵活的，无连接的，尽最大努力交付的数据报服务。即网络层不提供服务质量的承诺

二、网际协议IP

网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。与 IP 协议配套使用的还有三个协议：
地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)
网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)
网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)

1、虚拟互连网络

1.1 虚拟互连网络需要解决的问题

不同的寻址方案
不同的最大分组长度
不同的网络接入机制
不同的超时控制
不同的差错恢复方法
不同的状态报告方法
不同的路由选择技术
不同的用户接入控制
不同的服务（面向连接服务和无连接服务）
不同的管理与控制方式

1.2 连接网络的中间设备

中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。
物理层中继系统：转发器(repeater)
数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)
网络层中继系统：路由器(router)
网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)
网络层以上的中继系统：网关(gateway)

1.3 互连网络与虚拟互连网络

1.4 虚拟互连网络的意义

所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用 IP 协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。
使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。
使用虚拟互连网络的好处是：当互联网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节。

2、分类的IP地址

2.1 IP地址及表示方法

IP地址

IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符

IP 地址的编址方法

1）、分类的 IP 地址。这是最基本的编址方法，在 1981 年就通过了相应的标准协议。
2）、子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准[RFC 950]在 1985 年通过。
3）、构成超网。这是比较新的无分类编址方法。1993 年提出后很快就得到推广应用。

IP 地址的分类

常用的三种类别的 IP 地址

A类地址减2的原因：
1）、网络号字段全0的地址作为保留地址，意思是“本网络”
2）、网络号字段为127的保留作为本地软件环回测试。127.0.0.0到127.255.255.255是保留地址，用做循环测试用的。127.0.0.1表示本机地址

B类地址减1的原因：128.0.0.0是不指派的

C类地址减1的原因：192.0.0.0是不指派的

IP 地址的重要特点

(1) IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：
第一，IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。
第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。
(2) 实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。
当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomed host)。
由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），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，因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id。
(4) 所有分配到网络号 net-id 的网络，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。

IP 地址的表示方法

IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>} 其中“ ::=”表示定义为的意思

点分十进制记法

3、 IP地址与硬件地址

4、 地址解析协议ARP

地址解析协议的作用

不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。
每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。
当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。

ARP 高速缓存的作用

为了减少网络上的通信量，主机 A 在发送其 ARP 请求分组时，就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组。
当主机 B 收到 A 的 ARP 请求分组时，就将主机 A 的这一地址映射写入主机 B 自己的 ARP 高速缓存中。这对主机 B 以后向 A 发送数据报时就更方便了。

使用 ARP 的四种典型情况

发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。
发送方是主机，要把 IP 数据报发送到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。
发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到本网络上的一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。
发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。

5、IP数据报的格式

IP数据报的格式

IP数据报各字段的意义

版本：占 4 位，指 IP 协议的版本，目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)
首部长度：占 4 位，可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为 4 字节)，因此 IP 的首部长度的最大值是 60 字节。
区分服务：占 8 位，用来获得更好的服务。在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直未被使用过。1998 年这个字段改名为区分服务。只有在使用区分服务DiffServ）时，这个字段才起作用。在一般的情况下都不使用这个字段
总长度：占 16 位，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为 65535 字节。总长度必须不超过最大传送单元 MTU
标识(identification)：占 16 位，它是一个计数器，用来产生数据报的标识
标志(flag) ：占 3 位，目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF = 1 表示后面“还有分片”。MF = 0 表示最后一个分片。标志字段中间的一位是 DF (Don’t Fragment) 。只有当 DF = 0 时才允许分片
片偏移：占12 位。较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。
生存时间(8 位)：记为 TTL (Time To Live)数据报在网络中可通过的路由器数的最大值，最大值为255
协议(8 位)：字段指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程
首部检验和：(16 位)字段只检验数据报的首部不检验数据部分。这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法
源地址和目的地址都各占 4 字节
IP 首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。
选项字段的长度可变，从 1 个字节到 40 个字节不等，取决于所选择的项目

6、IP 层转发分组的流程

路由表

默认路由

路由器还可采用默认路由以减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间。这种转发方式在一个网络只有很少的对外连接时是很有用的。默认路由在主机发送 IP 数据报时往往更能显示出它的好处。如果一个主机连接在一个小网络上，而这个网络只用一个路由器和因特网连接，那么在这种情况下使用默认路由是非常合适的。

只要目的网络不是 N1 和 N2，就一律选择默认路由，把数据报先间接交付路由器 R1，让 R1 再转发给下一个路由器。

分组转发算法

(1) 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D, 得出目的网络地址为 N。
(2) 若网络 N 与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机 D；否则是间接交付，执行(3)。
(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，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(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器；否则，执行(6)。
(6) 报告转发分组出错。

三、划分子网和构造超网

1、划分子网

两级IP地址的缺点

1）、IP 地址空间的利用率有时很低
2）、给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏
3）、两级的 IP 地址不够灵活

三级IP地址

在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。这种做法叫作划分子网(subnetting) 。

划分子网的基本思路

划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。
从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位。
凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。
然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。
最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。

子网掩码

子网掩码的作用：
IP地址&子网掩码=子网的网络地址

使用子网时的分组转发

(1) 从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D。
(2) 先用各网络的子网掩码和 D 逐位相“与”，看是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。否则就是间接交付，执行(3)。
(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。
(4) 对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐位相“与”，若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行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，则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。
(6) 报告转发分组出错。

2、构造超网

无分类编址CIDR的主要特点

CIDR 消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间。
CIDR使用各种长度的“网络前缀”(network-prefix)来代替分类地址中的网络号和子网号。
IP 地址从三级编址（使用子网掩码）又回到了两级编址。
CIDR 还使用“斜线记法”(slash notation)，它又称为CIDR记法，即在 IP 地址面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的位数（这个数值对应于三级编址中子网掩码中 1 的个数）。
CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块”。

例如：128.14.32.0/20 表示的地址块共有 2¹² 个地址（因为斜线后面的 20 是网络前缀的位数，所以这个地址的主机号是 12 位）。

路由聚合(route aggregation)

一个 CIDR 地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合，它使得路由表中的一个项目可以表示很多个（例如上千个）原来传统分类地址的路由。路由聚合也称为构成超网(supernetting)。CIDR 虽然不使用子网了，但仍然使用“掩码”这一名词（但不叫子网掩码）。

四、网际控制报文协议 ICMP

1、ICMP 报文的格式

2、ICMP 报文的种类

3、ICMP 报文的作用

反馈分组传送和到达中出现的各种错误
查询主机或路由器信息

五、互联网的路由选择协议

1、理想的路由算法

算法必须是正确的和完整的。
算法在计算上应简单。
算法应能适应通信量和网络拓扑的变化，这就是说，要有自适应性。
算法应具有稳定性。
算法应是公平的。
算法应是最佳的。

静态路由选择策略

即非自适应路由选择，其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。

动态路由选择策略

即自适应路由选择，其特点是能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销也比较大。

2、内部网关协议 IGP (Interior Gateway Protocol)

“距离”的定义

从一路由器到直接连接的网络的距离定义为 1。
从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加 1。
RIP 协议中的“距离”也称为“跳数”(hop count)，因为每经过一个路由器，跳数就加 1。
这里的“距离”实际上指的是“最短距离”， RIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。“距离”的最大值为16 时即相当于不可达。可见 RIP 只适用于小型互联网。

内部网关协议的分类

1）、RIP (Routing Information Protocol)
2）、OSPF (Open Shortest Path First)

RIP的工作原理

路由信息协议 RIP 是内部网关协议 IGP中最先得到广泛使用的协议。
RIP 是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。
RIP 协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。

RIP的三个要点

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，即自己的路由表。
按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔 30 秒。

路由表的建立

路由器在刚刚开始工作时，只知道到直接连接的网络的距离（此距离定义为1）。
以后，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，所有的路由器最终都会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址。
RIP 协议的收敛(convergence)过程较快，即在自治系统中所有的结点都得到正确的路由选择信息的过程。

距离向量算法

收到相邻路由器（其地址为 X）的一个 RIP 报文：
(1) 先修改此 RIP 报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址都改为 X，并把所有的“距离”字段的值加 1。
(2) 对修改后的 RIP 报文中的每一个项目，重复以下步骤：
若项目中的目的网络不在路由表中，则把该项目加到路由表中。
否则
若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则把收到的项 目 替换原路由表中的项目。
否则
若收到项目中的距离小于路由表中的距离，则进行更新，
否则，什么也不做。
(3) 若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由器记为不可达路由器，即将距离置为16（距离为16表示不可达）。
(4) 返回。

路由器之间交换信息

RIP协议让互联网中的所有路由器都和自己的相邻路由器不断交换路由信息，并不断更新其路由表，使得从每一个路由器到每一个目的网络的路由都是最短的（即跳数最少）。
虽然所有的路由器最终都拥有了整个自治系统的全局路由信息，但由于每一个路由器的位置不同，它们的路由表当然也应当是不同的。

RIP2协议的报文格式

RIP 协议的优缺点

RIP 存在的一个问题是当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器。
RIP 协议最大的优点就是实现简单，开销较小。
RIP 限制了网络的规模，它能使用的最大距离为 15（16 表示不可达）。
路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销也就增加。

3、内部网关协议 OSPF(Open Shortest Path First)

OSPF 协议的基本特点

“开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。
“最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法SPF
OSPF 只是一个协议的名字，它并不表示其他的路由选择协议不是“最短路径优先”。
是分布式的链路状态协议。

OSPF三个要点

向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法。
发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。
“链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。
只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。

OSPF 的区域(area)

为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫作区域。
每一个区域都有一个 32 位的区域标识符（用点分十进制表示）。
区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200 个。

划分区域

划分区域的好处就是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个的自治系统，这就减少了整个网络上的通信量。
在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑，而不知道其他区域的网络拓扑的情况。
OSPF 使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫作主干区域(backbone area)。主干区域的标识符规定为0.0.0.0。主干区域的作用是用来连通其他在下层的区域。

OSPF 直接用 IP 数据报传送

OSPF 不用 UDP 而是直接用 IP 数据报传送。
OSPF 构成的数据报很短。这样做可减少路由信息的通信量。
数据报很短的另一好处是可以不必将长的数据报分片传送。分片传送的数据报只要丢失一个，就无法组装成原来的数据报，而整个数据报就必须重传。

OSPF 的其他特点

OSPF 对不同的链路可根据 IP 分组的不同服务类型 TOS 而设置成不同的代价。因此，OSPF 对于不同类型的业务可计算出不同的路由。
如果到同一个目的网络有多条相同代价的路径，那么可以将通信量分配给这几条路径。这叫作多路径间的负载平衡。
所有在 OSPF 路由器之间交换的分组都具有鉴别的功能。
支持可变长度的子网划分和无分类编址 CIDR。
每一个链路状态都带上一个 32 位的序号，序号越大状态就越新。
OSPF 还规定每隔一段时间，如 30 分钟，要刷新一次数据库中的链路状态。
由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时，OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。
OSPF 没有“坏消息传播得慢”的问题，据统计，其响应网络变化的时间小于 100 ms。

OSPF分组

OSPF的基本操作

OSPF 的五种分组类型

类型1，问候(Hello)分组。
类型2，数据库描述(Database Description)分组。
类型3，链路状态请求(Link State Request)分组。
类型4，链路状态更新(Link State Update)分组，
用洪泛法对全网更新链路状态。
类型5，链路状态确认(Link State Acknowledgment)
分组。

4、外部网关协议 BGP（边界网关协议）

BGP 使用的环境不同的原因

因特网的规模太大，使得自治系统之间路由选择非常困难。对于自治系统之间的路由选择，要寻找最佳路由是很不现实的。
当一条路径通过几个不同 AS 时，要想对这样的路径计算出有意义的代价是不太可能的。
比较合理的做法是在 AS 之间交换“可达性”信息。
自治系统之间的路由选择必须考虑有关策略。
因此，边界网关协议 BGP 只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由。

BGP 发言人

每一个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“ BGP 发言人” 。
一般说来，两个 BGP 发言人都是通过一个共享网络连接在一起的，而 BGP 发言人往往就是 BGP 边界路由器，但也可以不是 BGP 边界路由器。

BGP 交换路由信息

一个 BGP 发言人与其他自治系统中的 BGP 发言人要交换路由信息，就要先建立 TCP 连接，然后在此连接上交换 BGP 报文以建立 BGP 会话(session)，利用 BGP 会话交换路由信息。
使用 TCP 连接能提供可靠的服务，也简化了路由选择协议。
使用 TCP 连接交换路由信息的两个 BGP 发言人，彼此成为对方的邻站或对等站。

BGP 发言人和自治系统 AS 的关系

BGP 协议的特点

BGP 协议交换路由信息的结点数量级是自治系统数的量级，这要比这些自治系统中的网络数少很多。
每一个自治系统中 BGP 发言人（或边界路由器）的数目是很少的。这样就使得自治系统之间的路由选择不致过分复杂。
BGP 支持 CIDR，因此 BGP 的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。
在BGP 刚刚运行时，BGP 的邻站是交换整个的 BGP 路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销方面都有好处。

BGP-4 共使用四种报文

(1) 打开(OPEN)报文，用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系。
(2) 更新(UPDATE)报文，用来发送某一路由的信息，以及列出要撤消的多条路由。
(3) 保活(KEEPALIVE)报文，用来确认打开报文和周期性地证实邻站关系。
(4) 通知(NOTIFICATION)报文，用来发送检测到的差错。
在 RFC 2918 中增加了 ROUTE-REFRESH 报文，用来请求对等端重新通告。

BGP 报文具有通用的首部

5、路由器的组成

路由器的作用

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。也就是说，将路由器某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地（即目的网络），把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。

路由器的结构

“转发”和“路由选择”的区别

“转发”(forwarding)就是路由器根据转发表将用户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。
“路由选择”(routing)则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化 情况，动态地改变所选择的路由。
路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是从路由表得出的。

路由器输入端口的处理

数据链路层剥去帧首部和尾部后，将分组送到网络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时延。

路由器输出端口的处理

当交换结构传送过来的分组先进行缓存。数据链路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。

分组丢弃

若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。
路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。

交换结构

6、IPv6

IPv6的变化

1、IPv6仍支持无连接的传送，但将协议数据单元PDU成为分组而不是数据报
2、更大的地址空间
3、扩展的地址层次结构
4、灵活的首部格式
5、改进的选项
6、允许协议继续扩充
7、支持即插即用
8、支持资源的预分配
9、IPv6首部改为8字节对齐

IPv6的组成

IPv6由基本首部和后面的有效载荷（净负荷）组成。有效载荷允许有零个或多个扩展首部，后面是数据

IPv6的基本首部

版本：占4位，指明了协议的版本，对IPv6该字段是6
通信量类：占8位，区分不同IPv6数据报的类别或优先级
流标号：占20位，同一个流具有相同的标号
有效载荷长度：占16位，指明IPv6除基本首部以外的字节数
下一个首部：占8位。当IPv6数据报没有扩展首部时，下一个首部字段的作用和IPv4协议字段一样，它的值指出了基本首部后面的数据应交付IP层上面的哪一个高层协议。当出现扩展首部时，下一个首部的值就标识后面第一个扩展首部的类型
跳数限制：占8位，源点在每个数据报发出时将值设定为255，路由器每转发一次就将该数据报的跳数限制的值减一，当跳数限制的值为0时，就丢弃该数据报