计算机网络5（网络层）王道

网络层功能        3级重点

主要任务是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。网络层传输单位是数据报。

 数据报与分组类似于父与子的关系，数据报是一个长数据，分组是将数据报进行切割而划分出来的片段。

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IP数据报格式        2级重点

TCP/IP协议栈

 IP数据报格式

IP数据报分片

最大传送单元MTU

链路层数据帧可封装数据的上限

以太网的MTU是1500字节

如果所传送的数据报长度超过某链路的MTU值？

分片：前提是IP分组同意分片

分片要结合IP数据报格式：标识，标志，片偏移结合理解

1.  标识：同一数据报的分片使用同一标识
2. 标志：有3位，但是只有2位有意义X_ _
   1. 中间位DF(Don't Fragment):
      1. DF=1.禁止分片
      2. DF=0,允许分片
   2. 最低为MF(More Fragment):
      1. MF = 1,后面“还有分片”
      2. MF = 0,代表最后一片/没分片
3. 片偏移：
   1. 指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。以8B为单位。
   2. 除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B的整数倍。

IP数据报分片例题

 总长度单位是1B，片偏移单位是8B，首部长度单位是4B

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IPv4地址        1级重点

IP地址

IP编址的历史阶段

1. 分类的IP地址
2. 子网大的划分
3. 构成超网（无分类编址方法）

IP地址

互联网的IP地址

 分类的IP地址

 特殊IP地址

 私有IP地址

 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

网络地址转换

网络地址转换NAT

网络地址转换NAT（Network Address 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。

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子网划分与子网掩码

因为分类的IP地址有以下弱点:

1. IP地址空间的利用率有时很低，
2. 两级IP地址不够灵活。

 所以为了解决这个问题产生了子网划分

子网划分

 

 子网掩码习题

 使用子网时分组的转发

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无分类编址CIDR

无分类域间路由选择CIDR

 构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合

方法：将网络前缀缩短（所有网络地址取交集）

 划分子网时少=>多

构成超网时多=>少

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（跟网络掩码按位想与），应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。

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 重要协议        2级重点

ARP协议

发送数据的过程

一号主机给三号主机发送数据的过程

 一号主机和五号主机发送数据的过程

 ARP协议

由于在实际网络的链路上传送数据帧时，最终必须使用MAC地址

ARP协议：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射（解决下一跳走哪儿的问题）

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DHCP协议

主机如何获得IP地址？

静态配置：IP地址，子网掩码，默认网关

动态配置：

 DHCP协议

动态主机配置协议DHCP是应用层协议，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。

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，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。

1. 主机广播DHCP发现报文        “有没有DHCP服务器呀？”        试图找到网络中的服务器，服务器获得一个IP地址
2. DHCP服务器广播DHCP提供报文           “有”        服务器拟分配给主机一个IP地址及相关配置，先到先得。
3. 主机广播DHCP请求报文           “我用你给我的IP地址啦？”       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           “用吧”        正式将IP地址分配给主机。

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ICMP协议

网际控制报文协议ICMP

ICMP协议支持主机或路由器：

 ICMP差错报告报文（5种）

1. 终点不可达：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。        无法交付
2. 源点抑制（这个目前不再使用了）：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。        拥塞丢数据
3. 时间超过：当路由器收到生存时间TTL=0的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。当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，就把己收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。        TTL=O
4. 参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。        首部字段有问题
5. 改变路由(重定向) ：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器(可通过更好的路由)。        值得更好的路

ICMP差错报告报文数据字段

不应发送ICMP差错报文的情况

1.  对ICMP差错报文不再发送ICMP差错报告报文。
2. 对一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文。
3. 对具有组播地址的数据报都不发送ICMP的差错报告报文
4. 对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报不发送ICMP差错报告报文。

ICMP询问报文

1.  回送请求和回答报文
   1. 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. 掩码地址请求和回答报文
4. 路由器询问和通告报文

ICMP的应用

 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。

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。

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IP组播

IP数据报的三种传输方式

1. 单播：单播用于发送数据包到单个目的地，且每发送一份单播报文都使用一个单播IP地址作为目的地址。是一种点对点传输方式。
2. 广播：广播是指发送数据包到同一广播域或子网内的所有设备的一种数据传输方式，是一种点对多点传输方式。
3. 组播（多播）：当网络中的某些用户需要特定数据时，组播数据发送者仅发送一次数据，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发，是种点对多点传输方式。

 IP组播地址

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播IP地址（一群共同需求主机的相同标识）。

 硬件组播

 IGMP协议与组播路由选择协议

IGMP：是在一个路由器内所规定所使用的，IGMP协议的存在就是让连接在局域网的组播路由器，让这个组播路由器知道它所连的局域网上面是不是还有主机参加或者退出了某个组播组。也就是一个组播路由器可以通过IGMP协议知道它所连接的局域网中是不是还有可以接收组播数据报的主机

组播路由选择协议： 在路由器之间进行路径选择，连接在局域网中的组播路由器必须要和因特网上其他的路由器进行一个信息的交换才能够把组播数据报用最小的代价来传送给组播组的所有成员，这个需要使用组播路由选择协议

网际组管理协议IGMP协议

 ICMP和IGMP都使用IP数据报传递报文

IGMP工作的两个阶段

ROUND 1：

1.  某主机要加入组播组时，该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声明自己要称为该组的成员。
2. 本地组播路由器收到IGMP报文后，要利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器。

ROUND 2：

1. 本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还是组播组的成员。
2. 只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的; 如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络.上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。

组播路由器知道的成员关系只是所连接的局域网中有无组播组的成员。

组播路由选择协议

1.  组播路由选择协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。
2. 构造树可以避免在路由器之间兜圈子。
3. 对不同的多播组对应于不同的多播转发树：同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。

组播路由选择协议常使用的三种算法：

基于链路状态的路由选择
基于距离-向量的路由选择
协议无关的组播(稀疏/密集)

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IPv6        3级重点

为什么有IPv6？

32位IPv4地址空间已分配殆尽

CIDR        NAT        延长地址耗尽的时间

IPv6        从根本上解决地址耗尽的问题

 改进首部格式

快速处理/转发数据报

支持QoS

QoS ( Quality of Service，服务质量)指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力,是网络的一种安全机制， 是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一-种技术。

IPv6数据报格式

 IPv6和IPv4的区别（标红、粗体重点了解）

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，大大提高了路由器的处理效率。
4. IPv6支持即插即用(即自动配置)，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。
7. ICMPv6:附加报文类型“分组过大”。
8. IPv6支持资源的预分配，支持实时视像等要求，保证一-定的带宽和时延的应用。
9. IPv6取消了协议字段，改成下一个首部字段。
10. IPv6取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段。
11. IPv6取消了服务类型字段。

IPv6地址表示形式

 IPv6基本地址类型

 IPv6向IPv4过渡的策略

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路由算法        2级重点

路由算法的分类

1. 静态路由算法（非自适应路由算法）
   1. 管理员手工配置路由信息。
   2. 简便、可靠，在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果很好，广泛用于高度安全性的军事网络和较小的商业网络。
   3. 路由更新慢，不适用大型网络
2. 动态路由算法（自适应路由算法）
   1. 路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。 
   2. 路由更新快，适用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化
   3. 算法复杂，增加网络负担
   4. 动态路由算法
      1. 全局性：
         1. 链路状态路由算法        OSPF
         2. 所有路由器掌握完整大的网络拓扑和链路费用信息
      2. 分散性：
         1. 距离向量路由算法        RIP
         2. 路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用·

分层次的路由选择协议

因特网规模很大

许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网

自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。

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路由选择协议        2级重点

1. 内部路由协议IGP        一个AS内使用的        RIP、OSPF
2. 外部路由协议EGP        AS之间使用的        BGP现在用的一般是BGP-4

RIP协议及距离向量算法

RIP协议

 RIP协议和谁交换？多久交换一次？交换什么？

 距离向量算法

1. 修改相邻路由器发来的RIP报文中所有表项
   1. 对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，修改此报文中所有项目：把“下一跳”字段中的地址改为X，并把所有的“距离”字段+1。
   2. 

2. 对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤：
   1. R1路由表中若没有Net3，则把该项目填入R1路由表
   2. R1路由表中若有Net3，则查看下一跳路由器地址；
      1. 若下一跳是X，则用收到的项目提花按源路由表中的项目；
      2. 若下一跳不是X，原来距离比从X走的距离远则更新，否则不作处理。
3. 若180s还没收到相邻路由器X的更新路由表，则把X记为不可达的路由器，即把距离设置为16.
4. 返回

RIP协议的报文格式

 RIP协议好消息传得快，坏消息传得慢

RIG的特点：当网络出现故障时，要经过比较长的时间（例如数分钟）才能将此信息传送到所有的路由器，”慢收敛“。

 

 

 

 

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OSPF协议及链路状态算法

OSPF协议

 链路状态路由算法

 OSPF的区域

 OSPF分组

 OSPF其他特点

1.每隔30min,要刷新一次数据库中的链路状态。
2.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。
3.OSPF不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快。

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BGP协议

 BGP协议交换信息的过程

BGP所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列AS。当BGP发言人互相交换了网络可达
性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各AS的较好路由。

 BGP协议交换信息的过程

 BGP协议报文格式

BGP协议特点

 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都有好处。

BGP-4的四种报文

1.  OPEN (打开)报文：用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，并认证发送方。
2. UPDATE (更新)报文：通告新路径或撤销原路径。
3. KEEPALIVE (保活)报文：在无UPDATE时，周期性证实邻站的连通性;也作为OPEN的确认。
4. NOTIFICATION (通知)报文：报告先前报文的差错;也被用于关闭连接。

三种路由协议比较

1. RIP是一种分布式的基于距离向量的内部网关路由选择协议，通过广播UDP报文来交换路由信息。
2. OSPF是一个内部网关协议，要交换的信息量较大，应使报文的长度尽量短，所以不使用传输层协议(如UDP或TCP)，而是直接采用IP。
3. BGP是一个外部网关协议，在不同的自治系统之间交换路由信息，由于网络环境复杂，需要保证可靠传输，所以采用TCP。

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移动IP（需要了解的东西很多，但是考研考察不多）3级重点

移动IP相关概念

移动IP技术是移动结点(计算机/服务器等)以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。
移动结点：具有永久IP地址的移动设备。
归属代理(本地代理)：一个移动结点的永久“居所”称为归属网络，在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理。
永久地址(归属地址/主地址)：移动站点在归属网络中的原始地址。
外部代理(外地代理)：在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体称为外部代理。
转交地址(辅地址)：可以是外部代理的地址或动态配置的一个地址。

移动IP通信过程 

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网络层设备        3级重点

路由器

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。

 输入端口对线路上收到的分组的处理

 输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路

 三层设备的区别

路由器：可以互联两个不同网络层协议的网段。

网桥：可以互联两个物理层和链路层不同的网段。

集线器：不能互联两个物理层不同的网段。

 

 路由表与路由转发

路由表根据路由选择算法得出的，主要用途是路由选择，总用软件来实现。

默认路由存在的意义：只要我现在发送的分组，在路由表当中找不到我要的表项，不知道往哪儿发，就发给默认路由，默认路由通常都是局域网中一个具体的路由器，这个路由器看看自己的转发表或者交给别的路由器再帮忙看看转发表中能不能帮忙转发出去