【王道·计算机网络】第四章 网络层

一、 概述和功能

1.1 网络层功能

• 主要任务：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
• 传输单位：数据报
• 功能：
  1. 路由选择与分组转发，即选择最佳路径
  2. 异构网络互联(依靠路由器)
  3. 拥塞控制(所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组)：开环控制(静)、闭环控制(动)

二、转发

2.1 IP数据报格式

• TCP/IP协议栈
  
• IP数据报格式
  
• 单位长度：
  1. 总长度单位是1B
  2. 片偏移单位是8B
  3. 首都长度单位是是4B

2.2 IP数据报分片

• 最大传送单元MTU：链路层数据帧可封装数据的上限，以太网MTU是1500字节
• 标识：同一数据报的分片使用同一标识
• 标志：只有两位有意义 x _ _
  1. 中间位DF(Don’t Fragment)：DF=1禁止分片、DF=0允许分片
  2. 最低位MF(More Fragment)：MF=1后面还有分片、MF=0最后一片/没分片
  3. 讨论MF时，DF必须为0
• 片偏移（13位）：较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置，为8B为单位
  

2.3 IPv4地址

• IP编址的历史阶段：分类的IP地址、子网的划分、构成超网（无分类编址方法）

2.3.1 分类的IP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；:={<网络号>,<主机号>}
  
• 分类的IP地址
  
• 特殊的IP地址：不可作为主机/路由器的具体接口
  
• 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
• 网络地址转换NAT,Network Address Translaton：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址
  1. 专用网(源IP地址 + 目的IP地址,即通信的目的地址 + LAN端口号) → NAT转换表（替换源IP地址为NAT路由器地址 + WAN端口号）→ 因特网
  2. 因特网(源IP地址+目的IP地址,即NAT路由器地址 + WAN端口号) → NAT转换表（替换目的IP地址为专用网地址 + LAN端口号）→ 专用网
     

2.3.2 子网的划分

• 分类的IP地址的弱点：IP地址空间的利用率有时很低；两级IP地址不够灵活
• 子网划分：将两级IP地址 划分为 三级IP地址
  
• 子网掩码
  • 主机号部分全为0，其余为1
  • 子网网络地址：子网掩码与IP地址逐位相与
  • 常见的二进制—十进制对应数
    
• 使用子网时分组的转发
  

2.3.3 无分类编址CIDR

• 无分类域间路由选择CIDR
  1. 消除了传统A类、B类、C类地址以及划分子网的概念
  2. 融合子网地址与子网掩码，方便子网划分
• 组成：网络前缀 + 主机号
  
• 构成超网：将多个子网聚成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合（方法：将网络前缀缩短，所有网址取交集）
• 划分子网是少→多；构成超网是多→少
• 最长前缀匹配：
  1. 使用CIDR时，查找路由表可能得到的几个匹配结果(跟网络掩码按位相与)，选择具有最长网络前缀的路由
  2. 前缀越长，地址块越小，路由越具体

2.4 ARP协议

• 每个主机均有一个ARP高速缓存：IP地址与MAC地址的映射
• ARP协议自动进行
  
• ARP协议：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射
• ARP协议使用过程：检查ARP高速缓存，有对应表则写入MAC帧，没有则用FF-FF-FF-FF-FF-FF的MAC地址帧封装并广播ARP请求分组，同一局域网中所有主机都能收到该请求。目的主机收到请求后向源主机单播一个ARP响应分组，源主机收到后将此映射写入APR缓存(10-20min更新)
• ARP典型情况：本网络，记录该主机硬件地址；另一网络，记录本网络上的一个路由器的硬件地址
  

2.5 DHCP协议

• 主机如何获得IP地址：静态配置(IP地址、子网掩码、默认网关)、动态配置（DHCP服务器 → 交换机 → 目的主机）
• 动态主机配置协议DHCP协议是应用层协议，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IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称、IP地址
• DHCP允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租
• 工作流程：客户/服务器方式；广播方式
  1. 主机广播DHCP发现报文：试图找到网络中的服务器，服务器获得一个地址
  2. DHCP服务器广播DHCP提供报文：服务器拟分配给主机一个IP地址及相关配置，先到先得
  3. 主机广播DHCP请求报文：主机向服务器请求提供IP地址
  4. DHCP服务器广播DHCP确认报文：正式将IP地址分配给主机

2.6 ICMP协议

• 作用：更有效地转发IP地址、提高交付成功的机会
• ICMP协议支持主机或路由器：差错(异常)报告、网络探寻
• 结构：装在IP数据报的数据部分，包括：类型、代码、检验和、数据部分
  
• 功能体现：发送特定ICMP报文（ICMP差错报文、ICMP询问报文）

3.6.1 ICMP差错报文

• 类型：终点不可达、源点抑制、时间超过、参数问题、改变路由(重定向)
  
• ICMP差错报告报文数据字段
  
• 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(一点到多点)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127.0.0.0或0.0.0.0)的数据报不发送ICMP差错报告报文

3.6.2 ICMP询问报文

• 类型：回送请求和回答报文、时间戳请求和回答报文、掩码地址请求和回答报文、路由器询问和通告报文
  
• ICMP的应用
  1. 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
  2. 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

2.6 IPv6

• IPv6从根本上解决地址耗尽问题
• 动机：改进首部格式、快速处理/转发数据报、支持服务质量Qos,quality of service(一个网络能利用各种基础技术，为指定网络通信提供更好的服务能力；是一种网络安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术)
• IPv6数据格式
  

2.6.1 IPv6 & IPv4

• IPv6与IPv4的区别：
  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IP4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，IP4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向IPv4过渡的策略：双栈协议、隧道技术
  

2.6.2 IPv6地址

• IPv6地址表示形式：
  1. 一般形式：冒号十六进制记法
  2. 压缩形式：压缩重复的开头的0、零压缩(冒号只能出现一对)
     
• IPv6基本地址类型：
  1. 单播：一对一通信，可做 源地址 + 目的地址
  2. 多播：一对多通信，只能做 目的地址
  3. 任播：一对多中的一个通信，只能做 目的地址

三、路由选择

3.1 路由算法

• 路由表/转发表组成：目的网络IP地址、子网掩码、下一跳IP地址、接口
• 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
  

3.1.1 路由选择算法

• 路由算法分类：静态路由算法(非自适应路由算法)、动态路由算法(自适应路由算法)
• 静态路由算法：
  1. 管理员收购配置路由信息
  2. 优：简便、可靠、在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果好，广泛用于高度安全性军事网络和较小的商业网络
  3. 缺：路由更新慢，不适用大型网络
• 动态路由算法：
  1. 路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项
  2. 优：路由更新快，适用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化
  3. 缺：算法复杂，增加网络负担
  4. 分类：全局性（链路状态路由算法OSPF，所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息）；分散性（距离向量路由算法RIP，路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用）

3.2 路由选择协议(层次路由)

3.2.1 分层次的路由选择协议

• 原因：因特网规模大；部分单位不想透露自己的路由选择协议，但想连入因特网
• 自治系统AS：
  1. 在单一技术管理下的一组路由器：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AS之间的路由
  2. 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必须连通
• 路由选择协议分类：
  1. 内部网关协议IGP：一个AS内使用的，RIP、OSPF
  2. 外部网关协议EGP：AS之间使用的，BGP
     

3.2.2 RIP协议及距离向量算法

• RIP是一种分布式基于距离向量的路由选择协议，是因特网协议标准，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(跳数)：从源端口到目的端口所经过的路由器个数
  1. 经过一个路由器跳数+1
  2. 从一路由器到直接连接的网络距离为1
  3. RIP允许一条路由最多只能包含15个路由器
• RIP协议的特征：
  1. 只适用于小互联网
  2. 好消息传得快，坏消息传得慢（当网络出现故障时，要经过较长的时间才能将此信息传送到所有路由器，“慢收敛”）
• RIP协议的特点
  1. 和谁交换？仅和相邻路由器交换信息
  2. 交换什么？路由器交换的信息是自己的路由表
  3. 多久交换？每30s交换一次路由信息，然后更新路由表；若180s未收到邻居路由器的通告，则判定链路出现问题并更新自己的路由表
• “收敛”
  1. 路由器刚开始工作时，只知道直接连接的网络距离为1
  2. 每一个路由器只和数目有限的相邻路由器交换并更新路由信息
  3. 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”宁段中的地址改为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：若是X，则用收到的项目替换源路由表中的项目；若不是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还没收到和邻路由器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是应用层协议，使用UDP传送数据
• 一个RIP报文最多可包括25个路由，若超过，必须再用一个RIP报文
  

3.2.3 OSPF协议及链路状态算法

• 开放最短路径优先OSPF协议：开放不收某一家厂商控制，公开发表；最短路径优先是Dijkstra提出的最短路径算法SPF
• OSPF最主要的特征：分布式的链路状态协议
• OSPF的特点：所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图
  1. 和谁交换？广播：使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送消息(即路由器通过输出端口向所有相邻的路由器发送消息，而每一个相邻路由器又再次将此消息发往其所有相邻路由器)
  2. 交换什么？相邻的路由器的链路状态(本路由器与哪些相邻，以及该链路的度量——费用、距离、时延、带宽等)
  3. 多久交换？当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器洪泛发送此消息
• 链路状态算法
  
• OSPF的区域：使OSPF用于规模很大的网络，OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域
  1. 每个区域都有一个32位的区域标识符(点分十进制表示)
  2. 主干路由器（ 主干区域0.0.0.0内）；区域边界路由器（主干区域与其他区域边界）；自治系统边界路由器；区域内部路由器（其他区域0.0.0.x）
  3. 在一个区域内，路由器最好不超过200个
• OSPF分组：网络层协议，使用IP数据报传送
  
• OSPF其他特点
  1. 每隔30min，要刷新一次数据库中的链路状态
  2. 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；因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

3.2.4 BGP协议

• BGP发言人：每一个自治系统的管理员至少需要选择一个路由作为BGP发言人，一般可以是自治系统边界路由器
• BGP协议的特点：
  1. 和谁交换？与其他AS的邻站BGP发言人交换信息
  2. 交换什么？交换网络可达性信息（到达某个网络所要经过一系列AS），即要到达某个网络所要经过的一系列AS
  3. 多久交换？发生变化时更新有变化的部分
• BGP协议交换信息的过程：
  1. BGP发言人互相交换了网络可达性信息后，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
  2. BGP发言人交换路径向量
• BGP协议报文格式：是应用层协议，借助TCP传输
  
• BGP协议特点
  1. BGP 支持 CIDR，因此BGP 的路由表包括目的：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
  2. BGP 刚刚运行时，邻站是交换整个的 BGP 路由表；以后只需在发生变化时更新有变化的部分，节省网络带宽、减少路由器的处理开销
• BGP-4的四种报文
  1. OPEN(打开) 报文： 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TCP连接.

3.2.5 三种协议的比较

• RIP是一种分布式的基于距离向量的内部网关路由选择协议，通过广播UDP报文来交换路由信息，是应用层协议
• OSPF是一个内部网关协议，要交换的信息量大、报文长度尽量短，直接采用IP
• BGP是一个外部网关协议，在不同的自治系统之间交换路由信息；网络环境复杂，保证可靠传输，所以采用TCP。
  

3.3 IP组播

• IP数据报的三种传输方式：
  1. 单播：一种点对点传输方式，用于发送数据包到单个目的地，且每发送一份单播报文都使用一个单播IP地址作为目的地址
  2. 广播：一种点对多点传输方式，发送数据包到同一广播域或子网内的所有设各的一种数据传输方式
  3. 组播(多播)：是一种点对多点传输方式，当网络中的某些用户需要特定数据时，组播数据发送者仅发送一次数据，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发

3.3.1 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的地址，属于多播组的设备将分配一个组播组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；源地址为单播地址
• 组播地址注意点：
  1. 组播数据报也是“尽最大努力交付”，不提供可靠交付，应用于UDP
  2. 对组播数据报不产生ICMP差错报文
  3. 并非所有D类地址都可以作为组播地址

3.3.2 IP组播的两个情况

• 硬件组播：组播IP地址也需要相应的MAC地址在本地网络中实际传送帧
  
• 在因特网范围内进行组播

3.3.3 IGMP协议与组播路由选择协议

• 国际组管理协议IGMP：让路由器知道本局域网上是否有主机(的进程)参加/退出了某个组播组
• ICMP、IGMP都是用IP数据报传播报文，是网络层的协议
• IGMP工作的两个阶段：
  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
  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（所连接的局域网中有无组播组的成员）发给其他的组播路由器
• 组播路由选择协议
  1. 目的：找出以源主机为根节点的组播转发树
  2. 构造树可以避免在路由器之间兜圈子
  3. 不同的多播组对应不同的多播转发树；同一个多播组，对不同的源点有不同的多播转发树
• 组播路由选择协议的算法
  1. 基于链路状态的路由选择
  2. 基于距离-向量的路由选择
  3. 协议无关的组播（稀疏/密集）

3.4 移动IP

• 移动IP技术：移动结点(计算机/服务器)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
  1. 移动结点：具有永久IP地址的移动设备
  2. 归属代理(本地代理)：一个移动结点的永久“居所”称为归属网络，在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理
  3. 永久地址(归属地址/主地址)：移动站点在归属网络中的原始地址
  4. 外部代理(外地代理)：在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体称为外部代理
  5. 转交地址 (辅地址)：可以是外部代理的地址或动态配置的一个地址
• 移动IP通信过程
  

3.5 网络层设备

• 路由器：一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，任务是转发分组
  1. 若收到RIP/OSPF分组等，把分组送往路由选择处理机；若收到数据分组，查找转发表并输出
  2. 输入端口：查找和转发功能在路由器的交换功能中最重要
  3. 输出端口：分组的速率赶不上分组进入队列的速率，会造成后进入队列的分组由于没有存储空间而丢弃，即路由器中输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因
     
• 三层设备的区别
  1. 路由器：互联两个不同网络层协议的网段
  2. 网桥：互联两个物理层和链路层不同的网段
  3. 集线器：不能互联两个物理层不同的网段
• 路由表与路由转发
  1. 路由表：根据路由选择算法得出的；主要用途：路由选择；总用软件来实现
  2. 转发表：由路由表得来；可以用软件、特殊的硬件来实现；必须包含：完成转发功能所需要的信息；每一行必须包含从要到达的目的网络输出端口、某些MAC地址信息的映射