计算机网络——网络层要点总结

 “ 本文总结了计算机网络中网络层的相关知识，适合学习过计算机网络的人群快速复习，查找相关知识点并巩固。”

---

思维导图 

基本概念

1. 传输层：应用进程之间端到端的通信(路径设备透明)
2. 网络层：host之间的逻辑连接(虚拟：例如.路由路径)（路径设备参与）
3. 网络层：每个路由器和host都与运行此协议
4. 网络层主要协议事件：路由协议、IP协议、ICMP协议
5. 网络层核心：转发(in and out)路由+路径算法

---

网络层服务模型

• 数据报网络(无连接服务)+虚电路网络(连接服务)

虚电路网络

• 连接服务，一条路径：源主机-路由器-目的主机(逻辑连接)
• 分组携带虚电路标识VCID，而不是目的地址，由路由转发表确认路径（每个router都有自己的表）
• 每个分组利用链路全部带宽
• 应用：ATM、电话机等

数据报网络

• 无连接服务处
• 每个分组携带目的地址，由路由算法+转发表确认路径
• 最长前缀优先匹配原则

• 应用：计算机

---

IP协议

IP数据报

• 首部长度：4Bytes为单位，最小首部5，5×4=20B
• 总长度：占16位，max=65535，data_max=65535-20=65515B
• 协议字段：6-TCP；17-UDP

IP分片 

• data上限取决于链路层MTU(不同链路MTU不同)，多MTU取min
• 片偏移：8Bytes为单位
  • 偏移量=偏移数据➗8，因为8字节为单位，例如：封装1480B数据，偏移量为185

• 设分组总长为L，MTU=M
  • 一个分片最大可封装数据d——8的倍数：(M-20）对8向下取整
  • 需要的总分片数：(L-20)除以d向上取整

IP编址

• 接口：主机/路由与物理链路之间的连接，例如：有线以太网、无线802.11接口
• IPv4地址：点分十进制，8×4=32bits，例如：192.168.2.255
• Ipv6地址：冒号分十六进制，16×8=128bites，
• IP地址和每个接口关联——同多接口路由器可能有多个IP地址

IPv4二分法有类编址

• A类地址：0.0.0.0-127.0.0.0        8位网络号+24位主机号
• B类地址：128.0.0.0-191.255.255.255        16位网络号+16位主机号
• C类地址：192.0.0.0-223.255.255.255        24位网络号+8位主机号
• D类地址：224.0.0.0-239.255.255.255        32位网络号
• E类地址：240.0.0.0-255.255.255.255        32位网络号

• 二分法划分(A类第一位0，B类第一位要1，因为第一位0的已经属于A，第二位设0，以此类推)：
• A类，8位网络号，首位0，max:01111111.11111111.1111111.11111111=127.255.255.255
• B类，16位网络号，前两位10，max:10111111.11111111.1111111.11111111=191.255.255.255
• C类，前三位110
• D类，前四位1110
• E类，前四位1111
• 特殊IP：

• 私有IP 

IP子网 

• IP地址中：高比特位(左)：网络号，低比特位(右)：主机号
• IP子网：网络号相同，即为同一个子网内的主机
• 子网间设备不跨越router可通过物理接口直接通信，例如：192.168.2.3，192.168.2.4

IP子网掩码

• IP子网划分：区分同一个网络号下有多少子网
• 子网号：主机号的高比特位

• 子网掩码：确定网络是否划分了子网，利用多少为位划分子网
• 子网掩码取值：网络号+子网号全取1，主机号全取0
  • 例如B类网络(16位网络号+16位数主机号)，子网掩码：255.255.0.0
  • 借助3比特划分子网的B类网络，11111111.11111111.11100000.00000000=255.255.224.0
• 子网掩码的应用：提取子网地址
  • 掩码为255.255.254，表示主机号只有1+8=9位数
  • 所以地址范围是：172.32.0.0-172.32.1.255
  • 可分配地址：512-2个=510个，主机号全0(掩码)+主机号全1(广播地址)

CIDR

• CIDR无类域间路由，消除A、B、C类的等级划分
• 32bits划分=前缀+主机号
• 格式：a.b.c.d/x，x为前缀长度
• 192=128+64，2bits，所以前缀=8+8+8+2=26位

IPv6

• 首部固定40Bytes，不允许分片，删除校验和 

• 没有掩码概念

• 冒号分16进制，：：表示中间全是0，一个IP地址只能写一次：：

• 首部+负载(data+扩展首部)，基于TCP

• ICMP6

路由聚合

• 最长前缀优先匹配
• 简化路由表
• 示例：
• 目的子网：192.168.1.0           192.168.2.0
• 聚合的目的子网192.168.0.0，子网掩码255.255.252.0
  • 目的子网分别为192.168.1.0和192.168.2.0，展开最后两位，写作8位2进制数，
  • 1 = 0000 0001，2 = 0000 0010，则
  • 192.168.0000 0001.0和192.168.0000 0010.0
  • 取最大相同位数192.168.0000 00，22位
  • 得到聚合的目的子网192.168.0.0
  • 补满0得到192.168.0000 0000.0 = 192.168.0.0
  • 子网掩码位数 = 8+8+6 = 22位，11111111.11111111.111111
  • 补满0得到 1111 1111.1111 1111.1111 1100.0000 0000 = 255.255.252.0
  • 得到聚合的目的子网掩码255.255.252.0
• 理论上无CIDR也可以聚合

DHCP协议

• 主机获取IP地址的方式：静态编码、动态分配(DHCP分配的IP会变)
• 从服务器动态租用，释放后可重复利用
• 过程：1.主机广播需要地址 2.DHCP服务器响应可提供 3.主机请求 4.服务器确认
• 应用层协议，基于UDP

---

NAT(网关)

NAT网络地址转换

• 路由器不同接口：连接不同子网
• 本质：公网IP和主机IP的问题，NAT=修改IP信息
• NAT：主机通过IP转换为公网IP在互联网上通信

• NAT运作过程：替换——记录(转换表)——再替换，端口数16bits——并行65535个设备通信
• 接收信息：NAT router为信息接收目的地址，通过转换表再替换

 NAT穿透

• 静态配置NAT表
• IGD互联网网关设备协议
  • host能学习NAT的IP地址
  • host有增删端口权限(增减连接设备)
  • 中继skype——通过NAT连接特定服务器(网络电话)

---

ICMP

• ICMP(Internet Control MessageProtocol)互联网控制报文协议

• 网络层协议，基于UDP，支持host+router

• 封装在IP数据报中，在data部分

• 功能：差错报告+网络探查

---

层次路由

• AS(autonomous systems):自治系统，路由器层级

• 热土豆路由：将分组发送给最近的网关路由器

RIP协议——AS内部路由协议

• RIP(Routing Information Protocol)：路由信息协议
• 应用进程实现，基于UDP，完成网络层功能
• 距离向量路由算法
  • IP形式通告
  • 30s一次通告，最多25个目的子网
  • 180s无接收通告则路径失效，洪范扩散开始
• 相同成本路径——支持1条

OSPF协议——AS内部路由协议

• OSPF (Open Shortest Path First)
• 网络层协议，封装在IP数据报中
• 链路状态路由算法
  • LS分组通告
  • 每个路由器都有AS完整拓朴图
  • Dijkstra算法计算路由
• 相同成本路径——支持多条
• 可实现AS中再分多ASs

BGP协议——AS之间路由协议

• BGP (Border Gateway Protocol)：边界网关协议
  • eBGP——AS之间传达信息
  • iBGP——AS内部传达信息
• BGP会话——BG-BG之间，边界网关之间的对话
  • 前缀+路径向量(下一跳、先前路径)
  • 半永久TCP

---

参考资料：bilibili

“每个人都有追求新鲜感的权利，也总有人在不断追求新鲜感，但大多数人总是忽略了一点：所谓新鲜感，有且仅有两种形式——和旧的人去做新的事、和新的人去做新的事。” 

                                                                      ——Created By 是羽十八ya