计算机网络自顶向下方法--第四章 网络层
一：概述
1.网络层作用：将分组从发送主机移动到接收主机。
2.构造网络层分组交付的方法：数据报模式、虚电路模式。
3.编址
4.转发和路由选择
5.分组转发涉及到的技术：
分组转发，网际协议（IP），网络层编址，IPv4数据报格式，网络地址转换（NAT）,数据报分段，因特网控制报文协议（ICMP），IPv6
6.路由选择：
任务：决定从发送方到接收方的好的路径。
路由选择算法：链路状态算法，距离矢量算法、等级制路由选择方法
因特网自治系统内部的路由选择协议（RIP、OSPF、IS-IS）
因特网自治系统之间的路由选择协议（BGP）
7.路由器的主要作用：将数据报从入链路转发到出链路。路由器具有截断的协议栈， 即没有网络层以上的部分。
8.转发表（forwarding table）：每台路由器都有一张转发表。key：首部，value：出链路
9.路由器中的转发表是如何配置的？
10.分组交换机：根据分组首部字段的值，从输入链路接口到输出链路接口转移分组
（1）链路层交换机：基于链路层字段中的值做转发决定
（2）路由器：基于网络层字段中的值做转发决定。
11.网络服务模型
计算机网络体系结构：因特网（数据报网络），AMT（虚电路网路），帧中继（虚电路网络）
CBR（Constant Bit Rate）：恒定比特率
ABR（Available Bit Rate）：可用比特率
二.虚电路和数据报网络
1.网络层提供的服务：无连接服务和连接服务
虚电路网路（Virtual-Circuit VC）：仅在网络层提供连接服务的计算机网路，虚电路的概念来源于电话界。它采用了真正的电路。
数据报网路（datagram network）：仅在网络层提供无连接服务的计算机网路。
虚电路网路和数据报网路是计算机网络的两种基本类型。
2.虚电路网路生命周期:
（1）虚电路建立：网络层会指定路径并为每条链路指定VC号，并且每个路由表添加VC号表项
（2）数据传送
（3）虚电路拆除：每个路由表拆除VC号表项
3.虚电路网络和TCP的区别：
4.数据报网络
5.转发实例：
注意：当前缀匹配多个时，使用最长前缀匹配规则。
数据报网络中的转发表是通过路由选择算法进行修改的，通常1~5分钟左右更新一次转发表。
因为在数据报网络中的转发表能够在任何时刻修改，所以从一个端系统到另一个端系统发送一系列分组可能在通过网络时走不同的路径，并可能无序到达。
三.路由器工作原理
2.路由器转发平面：输入端口，输出端口和交换结构共同实现了转发功能，并且总是用硬件实现。以纳秒时间尺度运行。
为何要用硬件来实现：比如10Gbps带宽的输入链路和64字节的IP数据报，其输入端口在另一个数据报到达前仅有51.2纳秒来处理数据报。而这个速率已经远快过软件的实现速率。
3.路由器控制平面：即执行路由器选择协议，对上线或下线的连接链路进行响应。通常用软件实现，并在路由选择处理器上执行（通常是一种传统的CPU）。以毫秒或秒时间尺度运行。
4.输入端口
（1）线路端接：实现物理层功能
（2）数据链路处理：实现链路层功能
（3）查找，转发，排队：
a.查找：使用转发表来查找输出端口（最长前缀匹配法）。转发表是由路由选择处理器来计算和更新的。
使用硬件进行查找，快速查找算法，好的内存条。
b.排队：转发进入交换结构时，交换结构可能阻塞，所以需要排队进入交换结构。
4.匹配+动作 抽象模型思想
5.交换结构
三种交换结构：
（1）经内存交换：
（2）经总线交换：
（3）经互联网交换：
6.输出端口：和输入端口对称
7.何处出现排队
在输入输出端口处都会出现排队。当缓存消耗完时，会出现丢包现象。
四.网际协议
1.因特网编址和转发是网际协议（IP）的重要组件。
2.IPv4:IP协议版本4
3.因特网网络层组件：IP协议，ICMP协议，路由选择协议。
1.IPv4和IPv6
IPv4中ip长度为32位,就是四个字节.
IPv4数据报格式:
4.数据报格式，以IPv4为例：
（1）版本：4个比特，规定IP协议版本，IPv4或IPv6
（2）首部长度：4个比特，用来确定IP数据报中的数据部分从哪里开始。如果首部不包含“选项”（大多数），则首部大小为20字节。
（3）服务类型（TOS）:如实时数据报（如IP电话），非实时流量（如FTP）
（4）数据报长度：IP数据报总长度（首部+数据），16字节，理论最长65535字节，然而，数据报很少超过1500字节。
（5）标识，标志，片偏移：与IP分片有关，为了能让目的主机能够重新组装分片。IPv6不允许在路由器上对分组分片。
（6）寿命（TTL）：用来确保数据报不会永远在网络中循环（如长时间的路由选择环路）。当数据报被路由器处理时，该字段的值减1，若TTL字段减为0，则该数据报必须丢弃。
（7）上层协议（协议号）:仅在IP数据报到达最终目的地才会用到。指示了该IP数据报应该交给哪个特定的运输层协议，如值为6交给TCP，17-->UDP。
端口号（运输层）：将运输层和应用层绑定到一起的粘合剂
协议号（网络层）：将网络层和运输层绑定到一起的粘合剂
（链路层）：将链路层和网络层绑定在一起的粘合剂
（8）首部检验和：计算方式：将首部的每2个字节当做一个数，用反码运算对会这些数求和。
检查方法：路由器要对每个收到的IP数据计算其首部检验和，如果该值和”首部检验和“字段的值不一致，则代表是出现差错了，然后丢弃该数据报。
注意：因为”寿命“字段的值会减一，所以”首部检验和“字段要存放最新计算出来的值。
为什么TCP/IP在运输层和网络层都执行差错检测？
a.IP层只对IP首部计算检验和，而TCP/UDP检验和是对整个TCP/UDP报文段进行计算。
b.TCP/UDP与IP不一定都必须属于同一个协议栈。如：TCP能运行在一个不同的协议上（如ATM）；IP能够携带不一定要传递给TCP/UDP的数据（协议号是除了6和17以外的值）。
（9）源和目的IP地址：通常源主机通过DNS查找来决定目的地址。
（10）选项：用来拓展IP首部。一般很少使用。该字段的存在可能导致路由器处理IP数据所需的时间变化很大。IPv6中已经去掉了该字段。
（11）数据（有效载荷）。
5.IP数据报分片
问题1：为什么需要分片？每个链路层的MTU不一样。
问题2：如何分片？
问题3：在哪里重新组装分片？目的地端系统的IP层。
标识号：发送主机通常将它发送的每个数据报标识号加1。当某个路由器需要对数据报分片时，形成的每个片具有初始数据报的源地址，目的地址和标识号。
标志：最后一个片为0，其他为1。
片偏移：确保按正确顺序重新组装分片。
例子：
分片的缺点：
6.IPv4编址
(1)主机与路由器接入网络的方法:
(2)
（3）例子。
图中将无路由器连接这些主机的网络表示为一朵云。该网络可能是：1.以太网LAN，通过以太交换机互联。 2.无线接入点
子网（也称：IP网络或网络）：互联主机接口与一个路由器接口形成的网络（223.1.1.0/24）。如主机223.1.1.1，223.1.1.2，223.1.1.3和路由器223.1.1.4形成一个子网。
子网掩码（network mask）:/24 称为子网掩码
一个子网的IP定义并不局限于连接多台主机到一个路由器接口的以太网段。也包括连接多台路由器到一个路由器接口的以太网。 为了确定子网，分开主机和路由器的每个接口，产生几个隔离的网络岛，使用接口连接这些隔离的网络端点，这些隔离的网络中的每一个都叫做一个子网。
（4）因特网的地址分配策略
无类别域间路由选择（ClassLess Interdomain Routing，CIDR）:将子网寻址的概念一般化了，因为对于子网寻址32为的IP被划分为2部分（前x位和后32-x位），a.b.c.d/x，x指示了地址的第一部分中的比特数（网络前缀）。一个地址的剩余32-x比特可以认为是用于区分该组织内部设备的，其中的所有设备具有相同的网络前缀。当组织内部的路由器转发分组时，才会考虑这些比特。
（5）地址聚合
当地址按块分给ISP，人后又由ISP分给客户组织时，地址聚合工作极为有效。
组织1切换ISP的例子，在别的ISP中多添加一个该组织子网地址的通告。
（6）分类编址（classful addressing）
五.主机和子网最初是如何得到它们的地址。
问题1：组织如何获得地址块？
问题2：主机如何从组织的地址块中分配到一个地址？
1.组织获取一块地址--->从ISP处获取
2.ISP获取一块地址--->从ICANN处获取
因特网名字和编号分配机构（Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，ICANN）
ICANN是一个全球性的权威机构，非盈利组织，IP地址由它管理，管理规则基于[RFC 2050]。 ICANN的工作：分配IP地址，管理DNS根服务器，分配域名和解决域名纷争。
ICANN向区域性因特网注册机构（如ARIN,RIPE,APNIC,LACNIC）分配地址，这些机构一起形成了ICANN的地址支持组织，处理本地域内的地址分配和管理。
3.获取主机地址，动态主机配置协议
DHCP（Dynamic Host Configuration）动态主机配置协议：又被称为即插即用协议（plug-and-play protocol）。它是一个客户端-服务器协议。
在最简单的场合下，每个子网都具有一个DHCP服务器。 如果某子网没有服务器，则需要一个DHCP中继代理（通常是一台路由器），这个代理知道用于该网络的DHCP服务器地址
DHCP，是一个4步骤的过程。
4.网络地址转换（Network Address Translation，NAT）
SOHO，即Small Office，Home Office，家居办公。
（1）具有专用地址的地域
2.IPv4到IPv6的迁移：IPv6向后兼容，可以发送、路由和接收IPv4数据报。但IPv4确不能处理IPv6数据报。