三级网络技术IP地址

IP地址

四个阶段：
一、标准分类的IP地址
IP地址是由网络号与主机号组成的，长度是32 bit ，用点分十进制方法表示，这样就构成了标准分类的IP地址。常用的A类、B类、C类IP地址采用包括“网络号-主机号”的两层结构层次（RFC1812）

二、划分子网的三级地址结构
人们认为A类与B类IP地址设计不合理，对IP地址的匮乏表示强烈的担忧。1991年研究人员提出了子网subnet和掩码mask的概念。构成子网就是将一个大的网络划分成几个较小的子网络，将传统的“网络号-主机号”的两级结构，变为“网络号-子网号-主机号”的三级结构。

三、构成超网的无类域间路由（CIDR）技术
无类域间路由的出现是希望解决Internet扩展中存在的两个问题：
32位IP地址空间可能在第40亿台主机接入Internet前就耗尽。
随着越来越多的网络地址出现，主干网的路由表增大，路由器负荷增加，服务质量下降。

无类域间路由CIDR技术也被称为超网技术。构成超网的目的是将现有的IP地址合并成较大的、具有更多主机地址的路由域。例如，可以将一个组织所属的C类网络合并到一个更多的地址范围的大的路由域中。

无类域间路由CIDR技术也被称为超网技术。构成超网的目的是将现有的IP地址合并成较大的、具有更多主机地址的路由域。例如，可以将一个组织所属的C类网络合并到一个更多的地址范围的大的路由域中。

IPv4的地址长度为32 bit，用点分十进制（dotted decimal）表示。通常采用x.x.x.x的方式来表示，每个x为8 bit，每个x的值为0~255,例如，202.113.29.119。

一、A类地址
A类地址网格号（net ID）的第一位为0，其余的各位可以分配。因此A类地址共被分为大小相同的128块,每一块的net ID不同。
第一块覆盖的地址为：0.0.0.0~0.255.255.255(net ID=0)
第二块覆盖的地址为：1.0.0.0~1.255.255.255(net ID=1)
……
最后一块覆盖的地址为：127.0.0.0~217.255.255.255(net ID=127)

因此能够得到A类地址的机构只有125个。每一个A类网络可以分**配的主机号host ID可以是224-2=16777214个****，主机号为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的

二、B类地址
B类地址的网络号长度为14位，网络号总数为16384。B类地址的主机号长度为为16位，因此每个B类网络可以有216=65536个主机号。但是，主机号为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的，因此实际上一个B类IP地址允许分配的主机号位65534个。

三、C类地址
C类IP地址网络号长度为21位，主机号长度为8位。因为网络号长度为21位，因此允许有221=2097152个不同的C类网络。由于主机号长度为8位，因此每个C类网络的主机号数最多为28=256个。同样，主机号为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的，因此实际上一个C类IP地址允许分配的主机号为254个。

直接广播地址
在A类、B类、C类IP地址中，如果主机号是全1，

受限广播地址
32位全为1的广播地址（255.255.255.255）

这个网络上的特定主机地址
当一个主机或一个路由器向本网络的某个特定的主机发送一个分组，那么它就需要使用“这个网络上的特定主机”地址。“这个网络上的特定主机”的网络号位全0，主机号为确定的值。

回送地址
A类地址中的127.0.0.0是回送地址，它是一个保留地址。回送地址是用于网络软件测试和本地进程间通信。

子网概念的基本思路是：允许将网络划分成多个部分供内部使用，但是对于外部网络，仍然像一个网络一样。
子网的划分有利于优化网络性能，改善网络管理。

划分子网技术的要点：
三级层次是IP地址：net ID——subnet ID——host ID；
同一个子网中所有主机必须使用相同的子网号subnet ID；
子网的概念可以应用于A类、B类、C类中任意一类的IP地址中；
子网之间的距离必须很近；
分配子网是一个组织和单位内部的事，它既不要向ICANN申请，也不需要改变任何外部的数据库；
在Internet的文献中，一个子网也称为一个IP网络或一个网络。

子网掩码的概念
当三级层次的IP地址提出后，一个很现实的问题是：如何从一个IP地址中提取出子网号。人们提出了子网掩码或掩码的概念。子网掩码有时叫做子网屏蔽码。
掩码的概念同样适用于没有进行子网划分的A类、B类、C类地址。

如果路由器在处理划分子网后的三层结构的IP地址时，需要给它IP地址和子网掩码。它需要通过标准地址的前3位判断该地址是A类、B类或C类地址，同时根据子网掩码来判断出子网号。
标准的B类地址的16位的网络号是不变的，如果需要划分出64个子网，那么就可以借用原16位主机号的6位，该子网的主机号就变成了10位。子网掩码用点分十进制表示为255.255.252.0，另一种表示方法是用“/”加上网络号+子网号的长度，即“网络号/22”表示。

专用IP地址与内部网络地址规划方法
IPv4为内部网络预留的专用IP地址有三组。第一组是A类地址的一个地址块，这个地址中的地址空间为10.0.0.0_{10.255.255.255**；第二组是B类地址的16个地址块（**172.16}172.31）；第三组是C类地址的256个地址块（192.168.0~192.168.255）

IPv6地址的主要特征

1. 特征：新的协议格式、巨大的地址空间、有效的分机寻址和路由结构、地址自动配置、内置的安全机制、更好地支持Qos服务。

2. IPv6地址长度规定为128位，可提供超过3.4x1038个IP地址。

3. IPv6地址分类
   IPv6的地址分为：单播地址、组播地址、多播地址与特殊地址等基本的四类地址，同时它还加入了对自动配置的支持 。

4. IPv6的128 位地址用 16 位边界划分，每个 16 位段转换成 4 位十六进制数字，用冒号“：”分隔。结果表示被称为冒号十六进制。如： 21DA:0000:0000:0000:02AA:000F:FE08:9C5A

5. 压缩零
   某些地址类型中包含一系列的零。要进一步简化 IPv6 地址的表示，冒号十六进制格式中被设置为0的连续16位块可以被压缩为“::”例如，链接本地地址 FE80:0:0:0:2AA:FF:FE9A:4CA2 可以压缩为FE80::2AA:FF:FE9A:4CA2。多播地址 FF02:0:0:0:0:0:0:2 可以压缩为 FF02::2。零压缩只能用于压缩冒号十六进制符号中一个连续的 16 位段。不能使用零压缩来包括某个 16 位信息块的一部分。

   IPv6的地址表示时需要注意的问题：
   1、在使用零压缩法时，不能把一个位段内部的有效0也压缩掉。
   例如：不能将FF02:30:0:0:0:0:0:5简写为FF2:3::5。
   2、::双冒号在一个地址中只能出现一次。
   例如：地址0:0:0:2AA:12:0:0:0，不能把它表示为::2AA:12::。

3、确定::之间代表了被压缩的多少位0，可以数一下地址中还有多少个位段，然后用8减去这个数，再将结果乘以16。
例如：在地址FF02:3::5中有3个位段(FF02、3和2)，可以根据公式计算：(8-3)×16=80
则::之间表示有80位的0被压缩。

路由设计

分组转发的基本概念（了解）
路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。
分组转发即是指在互联网络中，路由器转发IP分组的物理传输过程与数据报转发机制。分组转发可以分为直接转发与间接转发两种。

路由选择的基本概念

1. 路由选择的参数
   **跳数：**即一个分组从其源主机到目的主机所要经过的路由器的个数，显而易见，经过的路由器的个数越少，即跳数越小，这个路径越好。
   **带宽：**是指一条链路的传输速率，一般表示为Mb/s。
   **延时：**延时即为一个分组从其源主机到目的主机所要经历的时间。当然，时间越短，即延时越小，也说明这个路径越好。

**负载：**负载指的是单位时间内通过路由器或是线路的通信量。
**可靠性：**可靠性的衡量标准即为分组传输过程中的误码率，误码率是数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%，当然误码率越小，说明其可靠性越高。
**开销：**开销即为分组传输过程中的耗费。

2. 评价路由器的依据
   算法必须是正确、稳定和公平的
   算法应该尽量简单
   算法必须能够适应网络拓扑和通信量的变化
   算法应该是最佳的

3. 路由选择的分类
   路由器采用表驱动的路由选择算法，

​ 静态路由表
​ 由系统管理员事先设置好固定的路由表称之为静态路由表，管理员将每一个目的地址的路径都输入到这个路由表中，因此，它一般是系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随着网络结构的改变而改变，其更新工作必须由管理员手工完成。

​ 动态路由表
​ 动态路由表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路由表。路由器根据路由选择协议提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。

路由选择的基本概念

IP路由选择与路由汇聚（P81-82重点掌握）
IP分组的路由在使用CIDR协议后，就通过子网的划分的相反过程来汇聚。路由表的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”两项内容组成，因此，选择路由应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由。这就是“最长前缀匹配”原则。

自治系统的基本概念
Internet采用分层的路由选择协议，并将整个Internet划分为许多较小的自治系统（AS）,用于自治系统内部的路由选择称为域内路由选择，自治系统之间的路由选择称为域间路由选择。
一个自治系统最重要的特点是它有权决定在本系统内应采用何种路由选择协议。
自治系统将internet的路由分成两层。

Internet路由选择协议分类
内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP）：自治系统内部使用的路由选择协议，主要有路由信息协议（Routing Information Protocol，RIP）和开放最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）协议。
外部网关协议（External Gateway Protocol，EGP）：自治系统之间使用的路由选择协议，主要是边界网关协议（Border Gateway Protocol，BGP）。

最短路径优先协议OSPF
一、最短路径优先协议的主要特点：
“开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。
“最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法SPF。

和RIP比较，OSPF的主要特点：
OSPF是使用分布式链路状态协议；
链路状态度量主要是指费用、距离、延时、带宽等；
链路状态发生变化时用洪泛法向所有路由器发送此信息；
所有的OSPF路由器交换链路状态信息，最终建立一个链路状态数据库， 这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图；
OSPF可以将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域（area）,每个区域有一个32位的区域标识符，一个区域路由器数不超过200个。

自治系统内部的区域划分
划分区域的好处是将利用洪泛法将链路状态信息的范围局限在每一个区域内而不是整个自治系统。因此每一个区域内部的路由器只知道该区域内的完整拓扑结构而不知道其他区域的网络拓扑结构。

OSPF协议使用层次结构的区域划分，将一个自治系统划分成若干区域与一个主干区域。主干区域内部的路由器叫主干路由器，连接各个区域的路由器叫做区域边界路由器，区域边界路由器接收从其他区域来的信息。主干区域中专门和其他自治系统交换路由信息的路由器叫做自治系统边界路由器。

OSPF协议的执行过程

1. 初始化过程：
   OSPF让每一个路由器用数据库描述分组和相邻路由器交换本数据库已有的链路状态摘要信息，摘要信息主要是指出哪些路由器的链路状态信息已经写入了数据库；
2. 网络运行过程
   在运行的过程中，只要一个路由器的链路发生变化，该路由器就要使用链路状态更新分组，用洪泛法向全网更新链路状态，为了确保链路状态数据库全网一致，OSPF规定每隔一段时间，例如30分钟要更新一次链路状态。

外部网关协议BGP
一、外部网关协议设计的基本思想
外部网关协议是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议；
BGP-4采用了路由向量路由协议，每个自治系统要选择至少一个路由器作为自治系统的“发言人”，一个BGP发言人与其他自治系统的发言人交换路由信息要先建立TCP连接；

BGP路由选择协议的工作过程
BGP边界路由器的初始化过程：BGP刚刚运行时，交换整个路由表，以后只需要在发生变化时更新有变化的部分；

.BGP协议的四种分组：
打开（open）分组：与另一个BGP发言人建立关系；
更新（updata）分组：发送某一路由的信息，以及列出要撤销的多条路由；
保活（keepalive）分组：确认打开分组，以及周期证实相邻边界路由器存在；
通知（notification）分组：发送检测到的差错。
BGP发言人周期（30秒）交换“保活分组”。
“更新分组”是BGP协议的核心。