网络层-外网访问服务器

内网和外网

         内网ip实际上是局域网内成员使用的ip地址，比如学校内部即是一个局域网，我们的电脑ipconfig查到的ip即是内网ip， 在同一局域网中内网ip是唯一标识，所有内网ip最终通过某网关与互联网（外网）通信。

         ipconfig出现的ip地址在有些情况不一定是内网ip比如：拨号上网时。

         外网ip是指上述网关的ip地址，在整个互联网中是独一无二的。之所以有内网ip的存在，即是因为外网ip不够用而产生的。

         内网和外网转换采用NAT技术，抄袭走一波：网络地址转NAT映射

         我们想做一个服务器，让外网客户能够访问到，该怎么办？我最近在做简单的外网可访问的服务应用demo，走的弯路不少，有这几种方式可以实现：

• NAT映射：将内网ip:port映射到网关的ip:port上，使得外网能够通过网关访问到我们的主机。而网上能查到的，通过设置路由器实现NAT映射，是不靠谱的，因为我们所映射的网关也不过在局域网内，它也没法直接和外网通信，它甚至都还要经过多个网关才能连接上外网。所以自己NAT映射是不可行的。
• 花生壳：身份证实名认证，花点钱就能够使用限量的固定外网ip:port，如果是学生的玩耍的话，这个比较经济。
• 购买服务器：阿里云、amazon等，ssh操作它。如果选择amazon，想让国内用户访问还需要一台香港服务器作为桥梁。扯远一点，如果服务器是公司级的，那么还考虑到DOS攻击问题，那么cdn就是不错的选择。再扯远一点，公司级的内网建设用open比较合适，然后在利用open做文章，建立一个超秀的公司内网，比如：连上路由器就能访问内网。指出了一条路，大家共同摸索。

电信网和因特网

介绍

        电信网是面向连接的通信方式，在数据传输之前建立好一条虚拟电路，主机间数据都是通过该虚拟电路来传输，数据的准确性由网络来保证。

         因特网是面向无连接的，数据以IP数据报的形式传输，每个IP数据报通过路由方式传输，传输的准确性由主机的TCP层来保证。

区别

        对应通信行业和互联网行业。

        使用的协议完全不同，电信网底层使用map、cap等协议，应用层使用sip协议；因特网底层使用tcp、udp等协议，应用层使用http等协议。

网络层

        IP地址的编址方式按时间经历过以下3种：分类IP地址（基本编址方式）、划分子网 （前一种的改进）、构成超网（较新无分类编址）。

分类IP地址（二级IP地址）

介绍

        其中net-id是网络号，host-id是主机号。

                              

         有以下几点需要注意:（1）IP地址管理机构分配网络号，得到网络号的单位自行分配主机号； （2）主机同时连接到N个网络上时主机就会有N个IP地址，所以路由器就会有两个以上IP地址； （3）通过转发器（物理层）或网桥（数据链路层）连接到一起的局域网仍是一个网络。

       网络层数据在传输过程中IP数据报中源地址和目的地址一直未改变，但数据链路层数据在传输中MAC帧中源地址和目的地址是变化的。

IP地址与硬件地址转换-ARP协议

        每个主机和路由器都有ARP高速缓存，缓存里放着本局域网内的主机IP地址和硬件地址映射表。这个表与数据链路层的转发表都是有学习能力的。

IP数据报的格式

其中版本指的就是IP协议版本（IPV4、IPV6）；生存时间指每经过一个路由器就将其值减1，直到为0。片偏移指每个IP数据报片在原IP数据报中的相对位置。

                                                                

           数据链路层知识：网桥的转发表（数据链路）、每个主机的ARP缓存里的IP->硬件地址的映射表（同一局域网内），路由器里的路由表（网络间）现在来了解一下：路由表中内容：<目的网络地址；下一跳地址>。下一跳地址应该怎么选择见下文“划分子网”。

            路由表的动态更新应该和转发表的动态更新方法是一致的。

划分子网（三级IP地址）

介绍

        IP ::= {<网络号>,<子网号>,<主机号>}

        网络号是全世界唯一的。

        网络地址：一个网络的网络号和子网号保留，主机号置0，即是这个网络的网络地址。

        子网掩码：一个网络网络号和描述子网的那几位为1，主机号为0即是这个网络的子网掩码。当收到IP数据报后将IP数据报目的地址与子网掩码进行“与”运算，即是对应子网的网络地址，比如IP：145.13.3.10，子网掩码：255.255.255.0，它的网络地址就为：145.13.3.0。子网掩码 >= 网络地址。

路由

        路由表中内容：<目的网络地址；子网掩码；下一跳地址>，到达目的地址可能要通过下一跳地址进行多次的间接交互。这个下一跳地址对应的是网络号而不是网络地址。从网络号还可以分别A、B、C三类网。

        路由过程：

1. IP数据报发出后对比ARP高速缓存中的地址映射表，如果在同一局域网中就直接交付，否则继续。   
2. 主机通过链路层的转发表将数据转发给局域网路由器，根据子网掩码计算，若结果与相应网络地址匹配则直接交互，否则继续。   
3. 将路由表中的每行<目的网络地址；子网掩码；下一跳地址>，根据子网掩码计算，若结果与该行目的地址匹配则将数据转发给下一跳地址的路由器，也就是传到另一个局域网中，否则继续。
4. 按照默认路由转发，通常主机默认路由是路由器，路由器默认路由是光猫，光猫默认路由是互联网，若没有默认路由则报告转发组出错。

        子网号是在IP数据报中的说明了数据发送给第几个子网；子网掩码是在路由表中描述网络的参数的。

构造超网（无分类编址CIDR）

          CIDR消除了传统A、B、C类地址以及子网划分的概念。CIDR的谐音sider。CIDR消除了A、B、C类网络和划分子网的概念，IP地址构成如此：{<网络前缀>,<子网号>}。CIDR使用斜线记法：IP地址后加'/',然后写上网络前缀的个数，比如：128.14.231.7/20，就是前20位是网络前缀，后12位是主机号。网络前缀相同的IP组成一个“CIDR地址块”。

          CIDR比较分类IP要灵活很多，分类IP事实上是存在浪费IP地址的现象的，比如得到了一个A类网络号后后面的主机号很多分配不完。而CIDR就几乎可以避免这种现象。

          路由表内容：<网络前缀 ; 下一跳地址>，匹配网络前缀可能会有多个匹配成功，选择其中最长网络前缀对应的下一跳地址。

          在路由表中匹最长网络前缀不可能一一进行比对，这样很浪费时间而且很天真，匹配时我们采用二叉树来找到最长前缀，简介如下图：

                                                        

     这个树位于路由器中，图中方框是叶节点代表唯一前缀（最长前缀），每个叶节点包含它本身的网络前缀和子网掩码，搜索到某叶节点就将目的地址 && 子网掩码，若相等就跳到该节点对应的下一跳，否则继续向下走。

ICMP协议

          ICMP报文是IP数据报途经某路由器或某主机产生异常，该路由将异常情况返回给源点的。

        有两种ICMP报文：ICMP差错报告报文、ICMP询问报文。ICMP格式如下：前4个字节是固定的，后4个字节取决前边的“类型”。差错报文的类型有5种：

（1）终点不可达（类型值3）：路由器或主机不能交互数据报是向源点发送终点不可达报文。 

（2）源点抑制（类型值4）：路由器或主机由于拥塞丢弃报文，向源点发送源点抑制报文使其慢点发送。 

（3）时间超过（类型值11）：路由器或主机收到生存时间为0的报文会给源点发送时间超过报文，并将收到的报文丢掉。 

（4）参数问题（类型值12）：路由器或主机收到IP数据报首部参数有不正确时向源点发送参数问题报文。 

（5）改变路由（类型值5）：让主机知道更好路由的地址。 ICMP报文格式如图下所示：

                                                    

                                                                                                                      ICMP报文图

          ICMP差错报文格式与上图保持一致，其中数据部分是由接收到的IP数据报首部8字节和之后的8字节一共16字节数据组成。

          ICMP询问报文：（1）回送请求和回答报文：主机或路由向目的主机发出请求，目的主机必须回送回答报文，用来检测目的站是否可达和相关信息。（2）时间戮请求和回答报文：请求某主机和路由回答当前日期和时间，从1900年1月1日算起。

          实例1：电脑中的PING，发送4个ICMP回送请求报文，可以得到4个回送报文算是ping通了，可以从发出和接收的报文时间戮之差得到往返时间。

          实例2：UNIX中traceroute应用程序 ，跟踪IP数据报分组从原点到终点的路径，这是利用ICMP差错报文。先发TTL设为1，到达第一个路由后TTL-1=0了，就给源点回时间超过差错报文，从而得到第一个路由IP及时间差，源点在发送TTL为2的报文，得到第二个路由IP，然后以此类推得到整个路由过程的所有IP。

因特网的路由选择协议。

        因特网路由选择协议是动态和分布式的。由于网络太庞大和隐私性两个原因，因特网采用分层次的路由选择协议，这样一来因特网那个就将互联网划分为许多较小的自治系统，称为AS。

        AS：在单一的技术管理下的一组路由器，AS内部使用什么协议没有限制，但是每个AS之间使用的路由选择协议是单一、一致的。AS内部网关协议（域内路由选择协议）IGP，例如RIP、OSPF；AS外部网关协议（域外

          路由选择协议）EGP，例如BGP-4。下面介绍IGP中的RIP协议。

        RIP协议是分布式、基于距离向量的选择协议。距离的定义：路由到直接连接的网络的距离为1，这样算来，路由到非直接的网络的距离为经过的路由器数加一。

         根据RIP协议选择的路径永远是最短的，且一条路径最多15个路由，也就是距离最大16，这表明这种协议只适合小型互联网。一个AS内部若使用RIP协议则两网络之间只会有一条路由。

         RIP协议的三个要点：（1）只和相邻路由器交换信息。（2）交换信息为自己所知道的全部信息。（3）每个固定时间交换一次信息。

         一个AS内的每个路由器经过多次RIP协议规定的信息交换后就知道整个AS内部任意网络的最短距离和下一跳地址。收到相邻路由器（其地址为 X）的RIP 报文的处理方式：

(1) 先修改此 RIP 报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址都改为 X，并把所有的“距离”字段的值加 1。

(2) 对修改后的 RIP 报文中的每一个项目，重复以下步骤：

     若项目中的目的网络不在路由表中，则把该项目加到路由表中。

     否则

     若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则把收到的项目替换原路由表中的项目。

     否则

     若收到项目中的距离小于路由表中的距离，则进行更新

     否则，什么也不做。

(3) 若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由器记为不可达路由器，即将距离置为16（距离为16表示不可达）。

(4) 返回。

        RIP协议也是有缺点的：正常消息更新很快，但是一旦网络出现一点故障就要花很长时间才能让整个网络知道，比如下图网1有了故障后，R1和R2会经过多次的交互信息才能使得双方多知道故障发生。

                                               

        另一种IGP，OSPF协议：

        链路状态：本路由器都和哪些路由器相邻，及该链路的“度量”。

        OSPF的三要点：（1）路由器会使用洪泛法向网络中的所有路由器发送信息。（2）消息内容为本路由器的链路状态。（3）只有该链路状态发生改变时发送信息。         

        OSPF协议又将一个AS划分为多个范围，成为区域，区域不能太大不超过200个路由器，划分区域后洪泛法发送信息就只会在一个区域内发送，区域内路由器只知道区域内网络的全部信息。区域的结构图如下图：

              

        OSPF协议不使用UDP直接使用IP数据报传输，且构成的数据报很短，这样就不需分组传输。OSPF没有坏消息传的慢的缺点。