网络层

1. 虚电路服务和数据报服务的对比

对比的方面	虚电路服务	数据报服务
思路	可靠通信由网络保证	可靠通信由用户主机保证
连接的建立	必须有	不需要
终点地址	仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号	每个分组都有终点的完整地址
当结点出故障	所有通过故障结点的虚电路都不能工作	出故障的结点可能会丢失分组，一些路由能发生变化
分组的顺序	按发送顺序到达终点	不一定按发送顺序到达终点
端到端的差错处理和流量控制	由网络或用户主机负责	由用户主机负责

2. 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。
   ARP：地址解析协议（解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题）
   IP：网际协议（使互连起来的许多计算机网络能够进行通信）
   ICMP：网际控制报文协议
   IGMP：网际组管理协议

• 分类的IP地址及其表示方法（32位）
  IP地址 ::={<网络号>,<主机号>}

类别	字段	网络号指派范围
A类地址	8位网络号（0开头），24位主机号	1-126
B类地址	16位网络号（10开头），16位主机号	128.1-191.255
C类地址	24位网络号（110开头），8位主机号	192.0.1-223.255.255

网络号字段为全0的IP地址是个保留地址，意思是“本网络”。
网络号127（01111111）保留为本地环回地址，不是网络地址。
全0的主机号字段表示该IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址。
全1的主机号字段表示该网络上的所有主机。

• IP地址和硬件地址
  物理地址是数据链路层和物理层使用的地址；IP地址是网络层及以上各层使用的逻辑地址。
  MAC帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址；网络层IP数据报的首部是源IP地址和目的IP地址。
• ARP协议的工作原理
  在每台安装有TCP/IP协议的电脑里都有一个ARP缓存表，表里的IP地址与MAC地址是一一对应的。当主机A向本局域网某主机B发送数据为例。当发送IP数据报时，主机A先在自己的ARP缓存表中寻找是否有B的IP地址。如有，就查出B的硬件地址，再把硬件地址写入MAC帧里面发送就可以了；如没有找到相对应的IP地址，主机A就会在本局域网上广播发送一个ARP请求分组，本局域网上的所有主机上运行的ARP进程都收到此ARP请求分组。其他主机并不响应ARP请求分组，只有主机B收下这个ARP请求分组，同时在这个ARP响应分组中写入自己的硬件地址。这样，主机A就知道了主机B的MAC地址，它就可以向主机B发送信息了。同时它还更新了自己的ARP缓存表，下次再向主机B发送信息时，直接从ARP缓存表里查找就可以了。ARP缓存表采用了老化机制（设置生存时间），在一段时间内如果表中的某一行没有使用，就会被删除，这样可以大大减少ARP缓存表的长度，加快查询速度。
• IP数据报的格式
  

  IP数据报的格式
  （1）版本号（4位）：IP协议的版本
  （2）首部长度（4位）：首部长度字段所表示数的单位是32位字（4字节）。IP首部的固定长度是20字节，所以首部长度字段最小值是5（0101），而最大值是15（1111），IP首部最大长度是60字节。
  （3）区分服务（8位）：用来获得更好的服务，一般情况下不使用。
  （4）总长度（16位）：首部和数据之和的长度。
  IP数据报封装成数据链路层的帧时，总长度不能超过数据链路层规定的最大传送单元MTU值。过长的数据报要进行分片处理。
  （5）标识（16位）：计数器赋值（但不是序号），标识字段会被赋值给分片后的标识字段，保证正确重装成为原来的数据报。
  （6）标志（3位）：前两位有用。
  最低位记为MF。MF=1表示后面还有分片，MF=0表示是最后一个。
  中间位记为DF，意思是不能分片。DF=0允许分片。
  （7）片偏移（13位）：某片在原分组中的相对位置。
  （8）生存时间（8位）：数据报在网络中的寿命。
  （9）协议（8位）：指出数据报携带的数据是使用何种协议。
  （10）首部检验和（16位）：只检验数据包的首部，但不包括数据部分
  （11）源地址、目的地址（32位）
• IP层转发分组的流程
  在路由表中，每一条路由主要的是两个信息：（目的地址，下一跳地址）。
  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，运行(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，运行(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，运行(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，运行(6)。
  (6) 报告转发分组出错。

3. 划分子网

• 划分子网的方法是从网络号的主机号借用若干位作为子网号。于是两级IP地址在本单位内部就变成了三级IP地址：网络号、子网号和主机号。
  IP地址 ::={<网络号>,<子网号>,<主机号>}
• 子网掩码
  互联网规定：所有网络都必须使用子网掩码。如果一个网络不划分子网，那么使用默认子网掩码。默认子网掩码中1的位置和IP地址网络号字段相对应。

类别	默认子网掩码
A类地址	255.0.0.0
B类地址	255.255.0.0
C类地址	255.255.255.0

子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。划分子网增加了灵活性，但却减少了能够连接在网络上的主机总数。

4. 分层次的路由选择协议
   （1）内部网关协议（IGP）
   内部网关协议是在一个自治系统内部使用的路由交换协议。

• RIP协议的特点
  （1）仅和相邻路由器交换信息。
  （2）路由器交换的信息是当前本路由器现在的路由表。
  （3）按固定时间间隔交换路由信息。
  刚开始工作时，路由表是空的。每个路由器只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。路由表更新的原则是找出到每个目的网络的最短距离（距离向量算法）。
• 距离向量算法
  对每一个相邻路由器发来的RIP报文，进行以下步骤：
  （1）对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，先修改报文所有项目。

目的网络N	距离d	下一跳路由器X
不变	+1	X

（2）对修改过的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤：
若原来的路由表中没有目的网络N，将该行添加到路由表中。
若原来的路由表中有目的网络N，且下一跳地址也为X，则更新路由表。
若原来的路由表中有目的网络N，下一跳不是X，但收到的项目中的距离小于路由表中的距离，则更新路由表。
（3）若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此路由器记为不可达路由器。（距离设为16）
（4）返回
（2）外部网关协议（EGP）
外部网关协议是自治系统之间使用的路由协议。