《计算机网络——自顶向下方法》读书笔记——网络层（IP，ICMP，DHCP，RIP，OSPF等）

1、网络层概述

    网络层主要功能为转发（将数据从路由器输入接口转移到合适的输出接口）和路由选择（端到端的路径选择），每台路由器都有一张转发表，用最长前缀匹配规则来转发。

    因特网的网络层提供了不可靠的服务，主要包括IP协议、路由选择协议（RIP，OSPF，BGP）、控制报文协议（ICMP）等。

2、IP协议

    IPV4报文头分为20字节的固定部分和可变部分（可变部分最大为40字节）。

    

    服务类型：区别低时延、高吞吐量、可靠性等特殊要求

    标识、标志、片偏移：用于IP分片。标识唯一地标识主机发出的每一份数据报；标志表示是否进行了分片，是否是最后一片；片偏移表示该片在原数据报文中的偏移

    寿命TTL：路由器的跳数，为0时丢弃数据报

    IP协议要求每台主机和路由器的接口拥有自己的IP地址，使用无类别域间路由选择（CIDR）：a.b.c.d/x，ABC类网络分别是/8，/16，/24的，0.0.0.0是不知道自己的IP地址的时候使用，255.255.255.255是广播地址

    

    IPV6首部固定40字节，没有检验和（传输层和链路层做了差错检验）、分片字段。IPV6不允许在中间路由器上分片和重新组装，如果分组太大，路由器会丢弃数据报并返回一个“分组太大”的ICMPV6报文。如果IPV6数据报要经过IPV4路由器，要封装在IPV4数据报中。

    

    通信量等级：类似IPV4的流量类型，识别数据报的优先级

    流标签：标记那些需要特殊处理的数据报

    下一报头：即上层协议

3、DHCP

    动态主机配置协议，将主机连进一个网络，为它分配IP地址。是一个局域网网络协议，使用UDP。

    

    DHCP客户端可能会像多个DHCP服务器发送Discover报文，客户端再从收到的多个响应中选择一个IP地址，向该服务器发送Request报文。

4、NAT

    网络地址转换协议。NAT能使路由器对外像一个具有单一IP地址的设备，在路由器上有一张NAT转换表，记录WAN端和LAN端的端口号和IP地址，数据报从WAN端到达时根据端口号转发给LAN端的主机。

    利用了端口号，可以缓解子网IP地址不够的问题，但是将端口号用在网络层不太合适。

5、ICMP

    因特网控制报文协议，被主机和网络层用来沟通网络信息，作为IP的有效载荷承载

    

6、路由选择算法

    LS算法（全局式），即链路状态算法。通过广播获得全局信息，利用Dijkstra算法（O(n2)）。

    DV算法（分布式），即距离向量算法，对于每个节点x，维护（1）到每个邻居的费用c(x, v)（2）节点x的距离向量Dx = [Dx(y), y ∈ N]，包含了x到N中所有目的地y的费用估计（3）邻居v的距离向量Dv。

    则可以用Dx(y) = MINv{c(x, v) + Dv(y)}来更新x到每个点y的距离，v为所有邻居节点，y为网络内所有节点。

    DV算法收敛慢，会遇到选择环路，无穷计数等问题（如果某条路径的费用突然大幅升高，路由会产生震荡）；LS算法更为健壮，因为它维护了全局的信息。

7、层次路由选择

    AS：自治系统，由一组通常处在相同管理控制下的路由器组成，运行相同的路由选择算法，网关路由器（和其他AS连接的路由器）向本AS之外的目的地转发分组。

    每台路由器接收AS内部的路由选择协议，和AS间路由选择协议的信息，配置自己的转发表。

    一个AS内部路由器仅需知道本AS内的路由器，AS间的路由由网关路由器解决。

    内部网关协议有（1）RIP（路由选择信息协议），使用DV算法（根据路由器跳数决定费用，相当于无权图），路由器在UDP上使用520端口互相发送RIP请求与响应报文，封装在IP数据报中的UDP报文段传输，被当做一个应用层进程实现。

    （2）OSPF，开放式最短路径优先，使用LS算法。

    BGP是边界网关协议。防止广播洪泛可以用最小生成树算法。