【计算机网络】学习笔记:第四章 网络层（七千字详细配图）【王道考研】

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目录

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一、网络层功能概述

SDN基本概念

二、路由算法与路由协议

分层次的路由选择协议

三、IP数据报格式

IP数据报的格式：

首部：

IP数据报分片

最大传送单元MTU

IPv4地址

分类的IP地址

特殊IP地址

私有IP地址

四、网络地址转换NAT

五、子网划分和子网掩码

子网划分过程：

子网掩码：

路由器转发分组的算法：

六、无分类编址CIDR

构成超网

最长前缀匹配

ARP协议

DHCP协议

ICMP协议

ICMP差错报告报文

ICMP询问报文

ICMP的应用

七、IPv6

为什么有IPv6？

IPv6数据报格式

IPv6和IPv4

IPv6地址表示形式

IPv6基本地址类型

IPv6向IPv4过度的策略

IPv6总结

八、RIP协议与距离向量法

路由选择协议分类回顾

RIP协议

交换

距离向量算法

RIP协议的报文格式

RIP总结

九、OSPF协议与链路状态算法

OSPF协议 

链路状态路由算法

OSPF的区域

OSPF分组

OSPF其他特点 

十、BGP协议

BGP协议交换信息的过程

BGP协议报文格式

BGP协议特点

BGP-4的四种报文

三种路由协议比较

十一、IP组播

IP数据包的三种传播方式： 

单播和多播

IP组播地址

硬件组播

IGMP协议

组播路由选择协议

IP组播总结 

十二、移动IP

十三、网络层设备

路由器

三层设备的区别

路由表与路由转发

第四章总结

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一、网络层功能概述

网络层：主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。

网络层传输单位是数据报。

功能一：路由选择与分组转发            最佳路径

功能二：异构网络互联                       

功能三：拥塞控制       WAY1：开环控制 静态  WAY2：闭环控制  动态

SDN基本概念

路由器功能：

转发：达到路由器输入链路之一的数据报如何转发到该路由器的输出链路之一。

路由选择：控制数据报沿着从源主机到目的主机的端到端路径中路由器之间的路由方式。

数据平面： 数据平面执行的主要功能是根据转发表进行转发，这是路由器的本地动作。

控制平面（传统方法）：路由选择算法运行在每台路由器中，并且在每台路由器中都包含转发和路由选择两种功能。

控制平面（SDN方法）：控制平面从路由器物理上分离。路由器仅实现转发，远程控制器计算和分发转发表以供每台路由器所使用。

二、路由算法与路由协议

最佳路由：“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已

分层次的路由选择协议

(1)因特网规模很大

(2)许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网

自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。

三、IP数据报格式

TCP/IP协议栈：

IP数据报的格式：

首部：

版本：IPv4/IPv6?

首部长度：单位是4B，最小为5。

区分服务：指示期望获得哪种类型的服务。总长度:首部+数据，单位是1B

生存时间 (TTL)：IP分组的保质期。经过一个路由器-1，变成0则丢弃。

协议：数据部分的协议。

首部检验和：只检验首部。

源IP地址和目的IP地址：32位。

可选字段：0~40B,用来支持排错、测量以及安全等措施。

填充：全0，把首部补成4B的整数倍。

IP数据报分片

最大传送单元MTU

MTU：链路层数据帧可封装数据的上限        以太网的MTU是1500字节。

标识：同一数据报的分片使用同一标识。

标志：只有2位有意义 x_ _

        中间位DF(Don't Fragment)：DF=1，禁止分片。   DF=0，允许分片

        最低位MF(More Fragment)：MF=1，后面“还有分片”。MF=0，代表最后一片/没分片

片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。以8B位单位。

除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B的整数倍。

IPv4地址

IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。

IP地址::{=<网络号><主机号>}

分类的IP地址

特殊IP地址

私有IP地址

路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发 

四、网络地址转换NAT

网络地址转换NAT (NetworkAddress Translation):：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

五、子网划分和子网掩码

子网划分过程：

子网相当于大网络号里的小网络号，可以在主机较少，网络较多的情况下避免主机号空间的浪费和网络号的申请过多

子网掩码：

子网掩码是为了区分网段。 掩码和主机号与主机号比较来判断属不属于该网段

按位与： 相同为1，不同为0

路由器转发分组的算法：

六、无分类编址CIDR

无分类域间路由选择CIDR:

1.消除了传统的A类，B类和类地址以及划分子网的概念。

2.融合子网地址与子网码，方便子网分

构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。

最长前缀匹配

使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果(跟网络掩码按位相与)，应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。

ARP协议

ARP协议自动进行

DHCP协议

动态主机配置协议DHCP是应用层协议，使用客户/服务器方式，客户端和服务端通过广播方式进行交互，基于UDP。

DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取P地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址，允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。

1.主机广播DCHCP发现报文

2.DHCP服务器广播DHCP提供报文

3.主机广播DHCP请求报文

4.DHCP服务器广播DHCP确认报文

ICMP协议

为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会

ICMP差错报告报文

1.终点不可达：当路由器或主机不能交付数据报时就向源点发送终点不可达报文 

2.时间超过：当路由器收到生存时间TTL=O的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。   TTL=0

3.参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。

4.改变路由(重定向)：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器(可通过更好的路由)

不应发送ICMP差错报文的情况

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报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文。
3.对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文。
4.对具有特殊地址(如127..0.0或0.00.0)的数据报不发送ICMP差错报告报文。

ICMP询问报文

1.回送请求和回答报文

主机或路由器向特定目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。测试目的站是否可达以及了解其相关状态。

2.时间戳请求和回答报文

请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。用来进行时钟同步和测量时间。

ICMP的应用

PING

测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文

Traceroute

跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文

七、IPv6

为什么有IPv6？

IPv6数据报格式

IPv6和IPv4

1.IPv6将地址从32位 (4B) 扩大到128位 (16B)，更大的地址空间。

2.IPv6将IPv4的校验和字段彻底移除，以减少每跳的处理时间。

3.IPv6将IPv4的可选字段移出首部，变成了扩展首部，成为灵活的首部格式，路由器通常不对扩展首部进行检查大大提高了路由器的处理效率。

4.IPv6支持即插即用(即自动配置)，不需要DHCP协议。

5.IPv6首部长度必须是8B的整数倍，IPv4首部是4B的整数倍。

6.IPv6只能在主机处分片，IPv4可以在路由器和主机处分片。

7.ICMPv6:附加报文类型“分组过大”

8.IPv6支持资源的预分配，支持实时视像等要求，保证一定的带宽和时延的应用。

9.IPv6取消了协议字段，改成下一个首部字段。

10.IPv6取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段。

11.IPv6取消了服务类型字段

IPv6地址表示形式

IPv6基本地址类型

IPv6向IPv4过度的策略

双栈协议

双协议栈技术就是指在一台设备上同时启用IPv4协议栈和IPv6协议栈。这样的话，这台设备既能和IPv4网络通信，又能和IPv6网络通信。如果这台设备是一个路由器，那么这台路由器的不同接口上，分别配置了IPv4地址和IPv6地址，并很可能分别连接了IPv4网络和IPv6网络。如果这台设备是一个计算机，那么它将同时拥有IPv4地址和IPv6地址，并具备同时处理这两个协议地址的功能。

隧道技术

通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式。使用隧道传递的数据(或负载)可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将其它协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送。

IPv6总结

八、RIP协议与距离向量法

路由选择协议分类回顾

RIP协议

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。

RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录(即一组距离)

距离：通常为“跳数”，即从源端口到目的端口所经过的路由器个数，经过一个路由器跳数+1。特别的，从一路由器到直接连接的网络距离为1、RIP允许一条路由最多只能包含15个路由器，因此距离为16表示网络不可达。

RIP协议只适用于 小互联网

交换

1.仅和相邻路由器交换信息。

2.路由器交换的信息是自己的路由表。

3.每30秒交换一次路由信息，然后路由器根据新信息更新路由表。若超过180s没收到邻居路由器的通告，则判定邻居没了，并更新自己路由表。

路由器刚开始工作时，只知道直接连接的网络的距离(距离为1)，接着每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。

经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址。即“收敛”。

距离向量算法

1.修改相邻路由器发来的RIP报文中所有表项

对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，修改此报文中的所有项目:把“下一跳”字段中的地址改为X，并把所有的“距离”字段+1。

2.对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤

(1) R1路由表中若没有Net3，则把该项目填入R1路由表

(2) R1路由表中若有Net3，则查看下一跳路由器地址:

若下一跳是X，则用收到的项目替换源路由表中的项目;  若下一跳不是X，原来距离比从X走的距离远则更新，否则不作处理。

3.若180s还没收到相邻路由器X的更新路由表，则把X记为不可达的路由器，即把距离设置为16。

4.返回

RIP协议的报文格式

RIP的特点：慢收敛

RIP总结

九、OSPF协议与链路状态算法

OSPF协议 

开放最短路径优先OSPF协议:“开放”标明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。

OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议

链路状态路由算法

1.每个路由器发现它的邻居结点【HELLO问候分组】，并了解邻居节点的网络地址。

2.设置到它的每个邻居的成本度量metric。

3.构造【DD数据库描述分组】，向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息。

4.如果DD分组中的摘要自己都有，则邻站不做处理:如果有没有的或者是更新的，则发送【LSR链路状态请求分组】请求自己没有的和比自己更新的信息。

5.收到邻站的LSR分组后，发送【LSU链路状态更新分组】进行更新

6.更新完毕后，邻站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认

只要一个路由器的链路状态发生变化:

5.泛洪发送【LSU链路状态更新分组】进行更新。

6.更新完毕后，其他站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认

7.使用Dijkstra根据自己的链路状态数据库构造到其他节点间的最短路径。

OSPF的区域

OSPF分组

OSPF其他特点 

1.每隔30min，要刷新一次数据库中的链路状态。

2.由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。此当互联网规模很大时，OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。

3.OSPF不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快。

十、BGP协议

BGP协议交换信息的过程

BGP 所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列 AS。当 BGP 发言人互相交换了网络可达性的信息后，各 BGP 发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各 AS 的较好路由。 

BGP协议报文格式

一个BGP 发言人与其他自治系统中的 BGP 发言人要交换路由信息，就要先建立TCP 连接，即通过TCP传送，然后在此连接上交换 BGP 报文以建立 BGP 会话(session)，利用 BGP 会话交换路由信息。

BGP协议特点

BGP 支持 CIDR，因此 BGP 的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。

在 BGP 刚刚运行时，BGP 的邻站是交换整个的 BGP 路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销都有好处。

BGP-4的四种报文

1.OPEN(打开) 报文:用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，并认证发送方

2.UPDATE(更新)报文: 通告新路径或撤销原路径。

3.KEEPALIVE(保活)报文: 在无UPDATE时，周期性证实邻站的连通性:也作为OPEN的确认。

4.NOTIFICATION(通知) 报文: 报告先前报文的差错:也被用于关闭连接

三种路由协议比较

十一、IP组播

IP数据包的三种传播方式： 

单播和多播

IP组播地址

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址 (一群共同需求主机的相同标识)。

组播地址范围为224.0.0.0~239.255.255.255(D类地址)，一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。

硬件组播

IGMP协议

IGMP协议让路由器知道本局域网上是否有主机(的进程)参加或退出了某个组播组。

IGMP工作的两个阶段

ROUND 1:
某主机要加入组播组时，该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声明自己要称为该组的成员。

本地组播路由器收到IGMP报文后，要利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器。

ROUND 2:
本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还是组播组的成员。

只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的:如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。

组播路由器知道的成员关系只是所连接的局域网中有无组播组的成员。

组播路由选择协议

组播路由协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。

IP组播总结 

十二、移动IP

移动IP技术是移动结点(计算机/服务器等)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发生任何改变。

 移动IP通信过程

十三、网络层设备

路由器

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。

输入端口对线路上收到的分组的处理

输出端口将交换结构传来的分组发送到线路

三层设备的区别

路由表与路由转发

路由表根据路由选择算法得出的，主要用途是路由选择，总用软件来实现

转发表由路由表得来，可以用软件实现，也可以用特殊的硬件来实现。转发表必须包含完成转发功能所必需的信息，在转发表的每一行必须包含从要到达的目的网络到输出端口和某些MAC地址信息的映射。 

第四章总结

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