【学习笔记】【计算机网络】【网络层】IP协议详解；IP分类；子网划分；ARP、ICMP、NAT、RIP、OSPF、BGP协议详解；

网络层

• 网络层负责：数据路由（决定数据在网络中的路径）
• IP协议使得复杂的实际网络变成一个虚拟互联的网络
• IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节，而专注网络层的数据转发
• IP协议解决了在虚拟网络中数据包传输路径的问题

1、IP协议

MAC地址是不可变的，每个设备独有
IP地址是可变的，不同网络环境下会不一样

• IP层数据最大65536，大于链路层以太网MTU，链路层会将大数据包分帧发送；
• 标志和片偏移就是为了分片的标志或者不允许分片
  

2、逐跳 hop-by-hop

路由表的简介

类似MAC地址表；路由表中存的是目的IP地址与下一跳IP地址的对应关系；
计算机、路由器都拥有路由表；

IP协议的转发流程

• 数据帧每一跳的MAC地址都在变化
• IP数据报每一跳的IP地址始终不变

3、ARP协议、RARP 协议

• 地址解析协议（Address Resolution Protocol）逆地址解析协议（Reverse Address Resolution Protocol）
• 解决不知道MAC地址的情况；将32位IP地址转换为48位MAC地址
• 重要的表：ARP缓存表；映射了IP地址与MAC地址；且有一段时间的期限；

arp -a 可以检查主机中ARP缓存表

• 前面的IP协议转发中，告知MAC地址是什么，其实都经过了ARP缓存表来查询得到的；

4、IP分类、子网划分

• 根据开头，可以知道IP地址是几类地址；A类第一个为0；
• IP分类是为了更好的规划IP分配问题；
• 子网划分，为了解决地址空间的浪费 ；
• 子网划分，在网络号后加了一个子网号；用于扩充IP分类能力；可以将IP分的更细；减少地址空间浪费（内部浪费）；
• 提出子网掩码，用于快速识别IP属于哪个网络号；

无分类编制CIDR

5、网络地址转换NAT技术

• 为了解决IP地址不够用的问题； （Network Address Translation，网络地址转换）
• NAT 用于多个主机通过一个公有IP访问互联网 ；
• 增加了网络通信的复杂度；但是减缓了IP地址的消耗；

分类	内网地址
A	10.0.0.0-10.255.255.255
B	172.16.0.0-172.31.255.255
C	192.168.0.0-192.168.255.255

6、ICMP协议

• ICMP（Internet Control Message Protocol）Internet控制报文协议
• 用于报告错误信息、异常情况；
• 主要包含差错报告报文、询问报文；
• ping、Traceroute 都是ICMP的应用
  

ping 127.0.0.1 检查本地网络协议正常与否
ping 网关地址 检查本机到路由器的通信
ping 远端地址 检查本机到ISP之间网络的通信

Traceroute 可以探测IP数据报在网络中走过的路径；

• 因为IP数据报中TTL，是每经过一个设备就减一；当其成为0的时候，网络设备就会丢弃这个报文；并发送一个ICMP终点不可达差错报文；
• Traceroute 就是利用这个机制，第一次发ttl为1 的包，第二次发ttl为2的包，通过每次的返回，记录整个路径；

7、网络层的路由概述

简单路由过程

• 路由表的来源
• 路由算法其实就是图论的算法

自治系统 AS

自治系统内部路由协议 （内部网关协议 RIP 、OSPF）
自治系统外部路由协议 （外部网关协议 BGP）
各个系统内部使用内部网关协议，对外使用外部网关协议

1、RIP协议

• 距离矢量（DV）算法

• 每个节点使用两个向量Di、 Si：表示到当前节点到其他节点的距离、当前节点到别的节点的下一节点是什么（就是通过哪个节点到的其他节点）；
• 算法过程：每个节点与相邻节点交换向量信息；每个节点根据交换的信息更新自己节点信息；（D更新为更小的距离，S更新最小距离经过的第一个节点）
  

• RIP （routing informatino protocol）路由信息 协议

使用DV算法的一种路由协议

• 将网络跳数，作为DV算法的距离 ；
• 每隔30S 交换一次路由信息；及DV向量；
• 默认将跳数>15作为不可达路由

过程：

1. 路由器初始化路由信息（DV向量）
2. 对相邻路由器X发来的信息，将下跳地址设置为X，将其地址都+1（认为从这个路由器跳）

1. 将信息中新的路由插入到路由表中；
2. 更新路由信息：对于下一跳为X的，更新为修改后的信息；(即从X跳的距离可能更短，所以暂存）
3. 更新路由信息：对于相同目的地的，取新信息和旧信息中较小的；
   

3. 如果三分钟没有收到相邻路由信息，则将相邻路由设为不可达（16跳）

RIP优缺点：

• 实现简单、开销小；
• 故障信息传递慢；使得更新收敛时间过长；限制了网络的规模；（有一个点不可达了，其他点以为可以通过别的点到达，一点一点增加跳数，直到超过15，才判断不可达）

1. 因为他随便相信了隔壁节点；
2. 视野不够；只能看到临近路由器；

2、OSPF协议

Dijkstra 算法实现（迪杰斯特拉算法）

• 是从一个顶点到其余各顶点的最短路径算法。
• 解决的是有权图中最短路径问题。

链路状态（LS）协议：

• 与RIP只与相邻路由器交换信息不同，LS向所有路由器发送消息（一传十，十传百）；
• 消息描述该路由器与相邻路由器的链路状态；（距离、时延、带宽等） ；
• 只有链路状态发生变化时，才发送更新消息；（RIP是30秒交换一次）

OSPF协议过程：

（Open Shortest Path First开放式最短路径优先）；核心是Dijksta算法；
OSPF协议是LS 协议的一种实现；

1. 向所有路由器发送消息，可以获得网络中所有信息，得到网络的完整拓扑（链路状态数据库，全网一致）；

2. 使得OSPF协议更加客观、更加先进；

3. 变化时才发送消息：减少了数据交换、更快收敛；

• OSPF协议的五种消息类型

1. 问候消息：验证与其他路由器的可达性；
2. 链路状态数据库描述信息：向别的路由器发送自己的链路状态消息；
3. 链路状态请求信息：向隔壁路由器请求链路状态数据库；
4. 链路状态更新消息：
5. 链路状态确认消息：对更新消息的确认；

过程：

1. 路由器接入网络
2. 路由器向邻居发出问候消息
3. 与邻居交流链路状态数据库
4. 广播和更新未知路由

3、BGP协议

(Border Gateway Protocol，边界网关协议）运行在自治系统AS之间的一种协议；

why?

• 因为互联网规模太大，不能处处使用链路状态协议LS；
• AS内部使用不同的路由协议，有RIP 和OSPF；
• AS之间需要考虑其他因素：政治、安全；
• BGP协议只能找到一条到达目的地比较好的路由

BGP 发言人（speaker）：

位于AS边界；与不同AS交流；AS之间通过BGP发言人交流信息；
BGP不关心内部网络拓扑；
BGP 发言人可以认为配置策略；

参考

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