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第四章 网络层

网络层功能大致有网络互连、拥塞控制、路由转发三大功能。

子网划分和无分类编制CIDR

1. IPv4
   a.总1、首4、偏8
   b.标志位占3位，只有前两位有用，即DF和MF.MF去标志该片是否是最后一位，1不是，0是；DF来标志片段是否是可再分，0可再分，1不可再分。
   c.IPv4Ip首部60B,其中21~60B是填充字段，一般没有提的情况下，默认首部20B.
   d.IP首部其中标识部分，若数字一样说明来自同一个片段。
   e.IP总长最长数据为46B~1500B
2. IPv4 地址：地址分为A、B、C三类
   a.
   A类地址以0开头，前8位为网络地址，后24位为主机地址，网络数2^7-2,最大主机数2^24-2,其中网络地址全为0，意思本网络，0.0.0.1标示这个网络上主机号为①的主机，01111111，为本地软件环回测试本主机进程之间通讯，主机号全为1为广播地址，主机号全为0标示该网络。
   b.
   B类地址为10开头，网络地址16位，主机地址16位，网络数2^14-1（不会出现全0）,主机数最大2^16-2。
   c.
   C类地址为110开头，网络地址24位，主机地址8位，网络数2^21-1（不会出现全0）,主机数最大2^8-2。
3. CIDR:解决IP耗尽的一种措施
   eg:128.14.32.0/20标示主机12位，地址20块，同样全0全1一般不使用。

路由转发，及其各种路由算法

• 路由器的主要功能包括路由选择和分组转发，路由选择是进来的分组应该被传送到那一条输出线路上，分组转发即从哪个端口转发出去。

• 路由算法可根据拓扑是否自适应的调整改变划分为静态路由与动态路由，静态路由开销小，但不能及时适应网络状态的变化；动态路由算法相反。

  1. 距离-向量路由算法

 1.1 选择表包括结点和路径代价（RIP）； 1.2 被告知有新的路由节点或者发现比原来代价小的进行路由选择更新信息 1.3 实质是通过迭代法来得到到达某目标的最短通路，他要求每个节点在每次更新中都将他的路由表发送给它的所有相邻结点。 1.4 RIP为条数，16为不可达，RIP至于相邻路由进行信息交换；交换全部信息；固定时间间隔进行交换（30s）; 1.5 所有节点均为路由,不可达RIP记为16，如果把RIP设置较大，只会在链路出现故障的时候浪费网络资源来发送这些循环分组，若太小，有无法收敛较大网络，即16跳开始为不可达较为合理。 1.6 Rip使用UDP进行传输，Rip<=512B=8B(UDP首)+4B(RIP首)+20*25B(每个路由信息20B,最多携带25个); 1.7 RIP优点：开销小，收敛快，缺点：网络规模局限,当网络出现故障时，较长时间传到所有路由。

1. 链路状态路由器算法（OSPF算法）

2.1
主动测试相邻结点的状态，定期的将链路状态传播给所有其他结点（不仅仅是相邻结点）；
2.2
向所有路由发送信息的方法是洪泛法，即通过所有端口向所有相邻的路由器发送信息，每一个相邻路由器又将此信息发往所有相邻路由器，但除了进口。
2.3
发送信息为本路由器相邻所有路由器的链路状态，所谓链路就是相邻路由器的量度。好比一个路由到另一个路由好几条路，分别的时延，就可以看成状态信息。
2.4
只有当路由状态发生变化时，路由器才用这种方法进行路由发送；
2.5
每一个路由都有相同的链路状态数据库，
2.6
OSPF每10s发送问候分组，看哪些站可达。每间隔一段时间如30MIN刷新数据库链路状态信息；
2.7
OSPf收敛速度快于RIP,当A点到B点代价相同时，OSPF可选择多条路径，OSPF代价可多标准衡量，而RIP只能是条数；RIP好消息传的快，坏消息传的慢；

1. BGP:边境网关协议

3.1
用的是路径-向量路由选择协议，去寻找一条能够到达的网络且比较好的路径（不能转圈），并非去找一条最佳路径；
3.2
BGP刚运行时，交换所有路由表，之后只有需要发生变化时，更新变化的部分

NAT/ARP/DHCP和ICMP

1. NAT
   专用网内部使用的IP转换成有效的外部全球IP地址，使整个专用网需要一个全球IP地址就可以与因特网相连
2. ARP

2.1
建立IP到MAC的映射。虽然网络层转发的是IP分组，但是实际上是用mac在网络上传输，所以知道IP地址是没有用的，每个主机都有一个ARP高速缓存，里面存放所有局域网上个主机和路由IP到Mac的映射表，ARP职责就是维护这个表的；
2.2
ARP请求分组是广播，响应分组是单波；
2.3
对应的是RARP;

1. ICMP

3.1
主机发送数据时，难免会出现错误，如果让主机知道发生了哪种错误，在发送过程中就能更好的避免；
3.2
ICMP报文分为ICMP差错报告报文和ICMP询问报文；
3.3 
ICMP差错报文分为：
1终点不可达；2源站抑制；3时间超时；4参数问题；5改变路由（定向）：下次发送其他更好的路由；
3.4
ICMP询问报文分为：
1有回送请求和回答报文；2时间戳请求和回答报文；掩码地址请求和回答报文；4路由询问和通告报文；
3.5
不发送ICMP报文有一下几种情况：
1对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文；2对第一个分片的数据包片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文；3对组播地址的数据报都不发送差错报告报文；对特殊地址的数据报不发送ICMP差错报告报文；
3.6
ping用的是ICMP回送请求和会送回答报文；
3.7
IP首部错误就丢弃并不发送ICMP是因为有可能错的是地址，传不到主机；
3.8
在ICMP差错报告报文中，加入了出错数据报的首部前八个字节，这里面包括端口号等信息，要让源主机知道哪条报文错了。

1. DHCP

4.1
应用层协议，用UDP进行传输
4.2
一台主机需要分配IP，源地址设为0.0.0.0，目的地址设为255.255.255.255；广播出去，这时源地址就成了DHCP客户，网络上所有主机都能收到广播，但只有DHCP服务器才能够响应，DHCP服务器查找自己数据库中该主机配置信息，若有，返回信息；若没有，在IP池中去一个地址分配给该主机。
4.3
DHCP服务器的回答报文叫做提供报文，DHCP在一段时间内使用分配的这个IP地址，这段时间叫做征用期；

IP组播、移动IP概念和通信过程

1. IP组播

1.1
组播一定是应用于UDP，因为tcp是面向连接，一定是有一条链接，是1对1，而组播是一对多；
1.2
组播即一份数据，并不是应用把一个分组发给多台目的主机，而是将单个分组发送给一个组播地址，组播的数据仅在传送路径分岔时才将数据报复制后继续；
1.3
主机可选择加入或者离开某个分组，一台主机可以加入多个分组；
1.4
组播地址是用D类地址，1110前缀，范围224.0.0.0~239.255.255.255;但并不是每个D类地址都能做组播地址；
1.5
组播只用于目的主机，不用于源主机；组播数据报是尽最大努力交付，不提供可靠交付；组播数据报不产生ICMP,当你ping组播地址时，永远无响应；
1.6
MAC地址与组播地址的转化，32位IP组播地址，可变化的28中只映射了23位，第24位补0，换成十六进制，再加上固定的首部，即01-00-5E；

1. 移动IP

2.1
移动IP以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络ip的网络权限在漫游过程中不断发生任何改变
2.2
具有永远的IP结点。具有本地代理和外部代理
2.3
需要技术：代理搜索来确定你是否在漫游；申请转交地址；登陆与隧道：两代理临时建立的双向数据通道

3.移动IP通道过程

3.1 
在本地时，用传统的TCP/ip
3.2
结点外地时，依旧用固定的ip进行通讯，为了收到分组，移动结点需要向本地代理申请地址注册，即转交地址
3.3
本地代理接收到转交地址的注册后，会建立一条转交地址的隧道，会截获发给移动结点的数据分组，通过隧道发送到转交地址处；
3.4
在转交地址处进行封装，回复原始的数据分组，发送给移动结点
3.5
移动结点通过外网或者外部代理对端进行发送IP数据报
3.6
当移动结点回到当地时，向本地代理注销转交地址，回复TCPIP通讯

网络层设备：路由器组成与功能

1.1
路由器分组部分和路由器转发部分；路由器选择部分不时地和相邻路由交换信息和更新维护路由表；路由转发部分：输入部分，输出部分，转发结构
1.2
路由器在线路上进行接收，对物理层进行处理，然后进行链路层进行处理；
若接受的是交换路由的信息，发送给路由选择处理器；
若接受数据分组，就根据分组的首部，目的地址查找转发表，送到适合的输出端口；
若正在运行，需要排队；
1.3
从交换结构传送过来的分组进行缓存，数据链路层处理，物理层处理发送到外部线路；
1.4
路由转发即根据转发表将用户IP数据报从适合的端口转发出去
路由选择是按照分布式算法，是从相邻路由的动态拓扑中动态的改变所选择的路由；
路由表是根据路由选择算法的出来的，转发表是根据从路由表的出来的；