计算机网络笔记

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于 2022-10-18 23:24:10 首次发布

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计算机网络课程笔记
第三章数据链路层

计算机网络课程笔记

第一章概述

1.计算机网络的定义

用通信线路将分散在不同地方、具有自主性的计算机系统连接起来，通过相应的网络协议，实现通信和资源共享的计算机及通信系统的集合。

2.网络分类

1）按照传输技术分：广播，点到点
（一般使用原则：大网用广播，小网用点到点）
2）按范围分：PAN,LAN,WAN,Internet
3）按通信介质分：有线网（双绞线，光纤）
无线网（蓝牙，WIFI，4G，卫星）
4）按拓扑结构分：总线形，星形，环形；网状（多用于广域网）
WAN的两个子网：
通信子网提供网络通信功能，能完成网络主机之间的数据传输、交换、通信控制和信号变换等通信处理工作，由通信控制处理机CCP、通信线路和其它通信设备组成的数据通信系统。
资源子网为用户提供了访问网络的能力，它由主机系统、终端控制器、请求服务的用户终端、通信子网的接口设备、提供共享的软件资源和数据资源(如数据库和应用程序)构成。

3.网络分层及协议

3.1 网络分层的原因

减小复杂性，结构清晰，功能明确，实现透明，易于维护等

3.2 协议：对等通信双方的通信规则

3.3 网络服务类型：面向连接和面向非连接

面向连接：通信经过建立连接，数据传输，释放连接3个过程，相当于建立了一根数据管道，各数据包走相同路径，顺序到达
面向非链接：发送数据前不建立连接，每个数据包都含最终目的地址，可以经由不同路径，不分先后到达目的主机，数据传输完成也不需释放连接

3.4 服务原语：用于构成一个服务

3.5 服务与协议的关系：

服务：同一Host的下上层之间。（服务提供者，服务用户，SAP）
协议：不同Host的对等层之间。（实体，对等实体）
服务与协议分离：协议可以自由更改，但服务不能

4.网络参考模型

OSI（Open System Interconnect)开放式系统互连
PDU（Protocol Data Unit)协议数据单元是指对等层次之间传递的数据单位。

4.1 OSI参考模型各层功能概述

七层模型：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。（通常叫五层模型，将会话层和表示层都放到了应用层中）
物理层：物理层的主要功能是利用传输介质为数据链路层提供物理联接，负责数据流的物理传输工作。物理层传输的基本单位是比特流（bit)，即0和1，也就是最基本的电信号或光信号，是最基本的物理传输特征。
数据链路层 ：数据链路层是在通信实体间建立数据链路联接，传输的基本单位为“帧”（Frame），并为网络层提供差错控制和流量控制服务。将上层数据加上源和目的方的物理(MAC)地址封装成数据帧，MAC地址是用来标识网卡的物理地址，建立数据链路; 当发现数据错误时，可以重传数据帧。数据链路控制子层会接受网络协议数据、分组的数据报并且添加更多的控制信息，从而把这个分组传送到它的目标设备。
网络层：网络层是以路由器为最高节点俯瞰网络的关键层，它负责将上层数据加上源和目的方的逻辑(IP)地址封装成数据包，实现数据从源端到目的端的传输。网络层进行逻辑地址寻址，实现不同网络之间的路径选择。传输层为端到端通信，而网络层以下为点对点通信。网络层的传输基本单位是包(Packet)，在通信子网中为数据包/分组寻找合适的网络路径，同时也进行拥塞控制，流量计费，网络编址等。
传输层：传输层是计算机通信体系结构中关键一层，传输层定义了传输数据的协议端口号，以及流控和差错校验。将上层应用数据分片并加上端口号封装成数据段，或通过对报文头中的端口识别。传输层实现了网络中不同主机上的用户进程之间的数据通信，为用户提供了端到端的服务。传输层起到了承上启下的作用，承接上层软件应用，下启网络数据传输。
会话层：会话层用于建立、管理、中止会话。会话层的主要功能是负责维护两个节点之间的传输联接，确保点到点传输不中断，以及管理数据交换等功能。会话层还可以通过对话控制来决定使用何种通信方式，全双工通信或半双工通信。
表示层：保证信息的语法、语义不变，通常加密、压缩也在该层完成
应用层：应用层是网络服务与最终用户的一个接口，是OSI模型中的最高层，是直接面向用户的一层。应用层是人机交互的窗口，通过应用层把人的语言输入到计算机当中去，为网络用户之间的通信提供专用的程序服务。
会话层，表示层以及应用层的PDU未规定名字，统称为message

5.网络实例

5.1 Arpanet (advanced research project agency）阿帕网

阿帕网是美国国防部高级研究计划署开发的世界上第一个运营的封包交换网络，它是全球互联网的始祖。

5.2 Ethernet以太网 IEEE802.3：以太网及物理层技术规范。

以太网只是局域网的一种组网技术，并不是一种新产生的网络类型。局域网包括有：以太网、令牌环网、FDDI等多种组网技术，以太网只是其中一种，而且是最主流、使用最广泛的一种。

5.3 Wireless LANs 无线局域网

IEEE802委员会，它是专门制定局域网和城域网标准的机构，这个机构不仅在网络领域中有着重要的地位，而且在各类考试中也是一个必须要了解的重点，下面我们简单列出几个比较重要的IEEE802的标准。
IEEE802.3：以太网及物理层技术规范。
IEEE802.11：无线局域网(WLAN)及物理层技术规范
IEEE802.15：蓝牙技术的无线个人网(WPAN)技术规范。

度量单位：注意：计算机领域常使用 byte，K，M，G分别为2^10，20，30
通信及网络领域常使用 bit， K，M，G分别为10^3，6，9

第二章物理层

1.数据通信理论基础

傅里叶变换：对于周期为T的函数，都可以进行傅立叶分析（式2-1），即：该信号的波形，可由多个（可能无限个）正弦和余弦波（谐波，也称为傅立叶分量）叠加而成；
任何信号在某种传输介质中传输都会损失能量，即会发生衰减；
由前可知，相当于组成该信号的各傅立叶分量（谐波）发生了衰减；
但是，传输介质对于各傅立叶分量（谐波）的衰减程度不同；
截止频率 fc ：从0到频率 fc范围内的傅立叶分量（谐波）不会发生衰减，超过 fc的则有不同程度的衰减；
带宽：传输过程中信号不会明显发生衰减的频率范围（实际中有放宽，也即大于 fc ）
信号与带宽的关系：在限制了带宽（3000Hz）的线路上，数据传输率越大，通过的谐波越少，最终将为0，即：在该速度下，信号不能传输。
结论：
带宽与数据传输率成正比；
限制了带宽即限制了数据传输率；
尼奎斯特（Nyquist）原理：若信道的带宽为H，且传输的信号调制为V级（如为2级，现在暂时不管）则最大数据传输率＝2Hlog2V(bps)

2.有线传输介质

分类：磁介质，双绞线，同轴电缆，光纤
注：构建网络时一般需考虑介质的带宽、延迟、抗干扰性、扩展性、易安装和可维护性及成本

2.1 双绞线Twisted Pair

概念：双绞线是由两根具有绝缘保护层的铜导线按一定密度缠绞在一起，外面再加一层保护套构成的。两根导线互相缠绞的目的是，可以消除线对之间产生的电磁干扰，缠绞的密度越大，则效果越好。
在这里插入图片描述

线功能：从左到右（水晶头铜片朝上）为1到8，1～2，3～4，5～6，7～8绞接
功能：1、2数据发送（高低电平），3、6数据接收（高低电平），其余为冗余或实验用，
线序的标准，有T568A和T568B两个标准。
T568A序：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕。
T568B序：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。
如果网线的一头制作成T568A的标准，另一头制作成T568B的标准，这叫做交叉线；如果两头都按照T568A，或者都按照T568B，这叫做直通线。
交叉线的作用是用来连接同种设备，比如两台主机相连、交换机和交换机相连，这都属于同种设备连接；
直通线是用来连接不同种设备，比如主机和交换机相连、交换机和路由器相连。
双绞线的接头，接头有两种，一种是语音传输的RJ-11头，另一种是数据传输的RJ-45头。我们平常见的最多的就是RJ-45头，也就是平常俗称的水晶头。
特点：使用广泛，易安装维护，价格低，高带宽，距离短。

2.2 同轴电缆 Coaxial Cable

概念同轴电缆的“同轴”体现在它有内外两层导体，内导体是单股或多股的铜芯线，外导体是一层薄的网状编织的屏蔽层，内外导体之间有一层塑胶的绝缘层，最外层是整个线缆的绝缘外皮在这里插入图片描述
基带同轴电缆一般用于传输基带信号，也就是数字信号。基带电缆的特征阻抗是50Ω
宽带同轴电缆通常用于传输模拟信号，特征阻抗是75Ω。宽带同轴电缆最主要的应用就是有线电视，所以也把宽带同轴电缆叫做CATV电缆，可以在一根电缆中同时传输多路电视信号
目前基本被淘汰：局域网用双绞线，广域网（电信网）用光纤。仅有广电系统使用。

2.3 光纤

光线分类：单模光纤和多模光纤（两者在传输率和距离不同）
带宽及距离：单模1－50Gbps,30-100km
全光网：使用光中继器，无光电转换
光纤网拓扑：环型，星型
特点：高带宽，长距离，安全性高，安装维护困难（但重量轻），价格高（但性价比高）
为何光纤的前景如此看好：数据传输率高

3.无线传输

3.1电磁波谱

3.2 无线电 Radio：

可用于海事、航空、广播通信等
(a) 在 VLF、LF 和 MF 频段，地面中继
(b) 在 HF 频段，电离层反射中继

3.3 微波 Microwave

不易穿过建筑物，易被吸收；造价相对便宜，无需路权；
广泛应用于长途电话、移动通信、电视转播和卫星通信等；

3.4红外线 Infrared

不能穿越物体，只能定向传输距离短、传输速率底；简单易用，实现成本较低。多用于短距低速的场景如：各类电器遥控、感应器、传感器等（outdated notebook）

3.5激光 Laser

4.卫星通信

5.PSTN中的调制，多路复用和交换

5.1 PSTN结构（public switched telephone network)公用交换电话网

相关概念：
带宽bandwidth：指在最小衰减下能通过它的频率范围，通常为0～最大频率，是介质的物理属性，单位为Hz
波特率 baud rate：每秒采样的次数（信号每秒变化的次数），单位为波特（Baud）
码元 (symbol)：一个波特即为一个码元
波特率、码元率及位传输率之间的关系：
波特率＝码元率
位传输率＝波特率×每码元表示的位数

5.2 多路复用 Multiplexing

多路复用问题：如何在一条干线上传输多路信号
模拟信号复用及数字信号复用
节约成本，增加带宽
FDM (频分多路复用)Frequency Division Multiplexing
WDM（波分多路复用）Wavelength Division Multiplexing
PCM（脉冲编码调制）Pulse Code Modulation
DM（增量调制）Delta Modulation
TDM（时分多路复用）Time Division Multiplexing

5.3 交换

概念：在通信子网中，如果信源与信宿间没有线路直接连接，也即存在中间节点，则把数据从信源开始经中间节点转发最终到达信宿的过程称为交换
早期：人工
自动交换机：Strowger齿轮
分类：
电路交换Circuit switching
原理：又叫实电路交换，即通信双方必须建立起一条被其独占的端到端的实际物理通路，完整的通信一般经过建立电路、数据传输、电路拆除三个阶段
特点：传输可靠、延迟最小、数据按序到达；费用高，中间节点出现故障则需重建连接；多用于语音及实时通信，如：公共交换电话网PSTN、全球移动通信系统GSM网和码分多址CDMA网

报文交换-Message switching （存储转发）
采用存储转发方式，将信源一次性要传输的数据组成含有信宿地址的报文（message）传给中间节点，中间节点缓存（硬盘）、交换（路由）、排队、发送给下一个节点，直到信宿。

分组交换-Packet switching（存储转发）
采用存储转发方式（吸取优点），但将报文分割为有长度上限的段（克服缺点）
原理：将报文分割为有长度上限（非平均！）的段，在每段上都按一定格式加上源和目的地址等控制信息形成分组或包（Packet），按存储转发方式进行传输
特点：降低了节点的存储空间（一般为高速缓存），提高交换效率，降低费用
分组在节点的处理时间少，减小了分组在网络中的延迟，提高了线路利用率
分组小，则出错重发率低，且同一报文的各个分组可以并行的在网络中传输，提高了传输率

6.移动通信

第三章数据链路层

1.数据链路层设计要点

数据链路层需考虑的问题：
提供给上层即网络层什么样的服务
介质访问控制（MAC，下一章内容）
生成帧（Frame）
差错控制（Error Control）
流量控制（Flow Control）
数据链路层主要功能：源节点（注意：没有使用术语源端）的数据链路层实体将其网络层数据按该层协议装配成帧，通过实际物理连接，透明的、无差错的传输到直接相邻（adjacent）的目的节点的对等数据链路层实体，该实体检测后再提交帧中的数据给上层

1.1相关术语：

链路（Link）: 没有中间节点的点到点的物理线路，也称为物理链路
数据链路（Data Link）: 链路及其上实现数据传输规程的软硬件的合称。（注意，由于一条链路可能存在多路复用，也即有多条数据链路，故也称为逻辑链路）
链路管理（Link Management）: 数据链路的建立、维持和释放
成帧（Framing）: 让收/发双方知道帧中何处是数据，何处是控制信息，以及便于差错控制等，将按一定格式将上层数据附加一些控制信息, 如源目的地址、长度、校验码等形成帧
帧同步（Frame Synchronization）: 找到帧的开始和结束位置。如使用面向比特/字节的同步方式
透明传输（Transparency Transmission）: 即处理帧的数据部分出现与控制信息部分相同而发生误判的情况
寻址（Addressing）: 当发送数据或要求重传时如何找到对方，是广播，组播还是单播等
差错控制: 如自动纠错、检错，重发等
流量控制: 设立缓冲区等

1.2 提供给上层的服务类型

不确认无连接服务；有确认无连接服务；有确认面向连接服务。

1.3 透明传输

概念：数据链路层必须要在发送和接收到的位流中标记出帧的开始与结束
方法：字节填充法和位填充法
Byte stuffing 字节填充法：帧的首尾都为一个特殊的标志字节（ASCII码）
Bit stuffing 位填充法：帧的首尾都为一个固定的8bit（01111110）作为标志。发送方的数据中如果碰到连续的5个1，则自动在其后填充0,
接受方如果收到连续的5个1
如果其后为1，则表明帧结束；
如果其后为0，则去掉该0；

1.4 流量控制

发送方的速度如果超过接收方的速度，则将会发生数据丢失，甚至导致接收方崩溃，因此在数链层一般采用基于反馈的流量控制机制（许可法）

2. 基本数据链路协议

2.1 理想协议

特征：发送及接收方的网络层时刻就绪；处理时间忽略；信道不会出错

2.2 停等协议

协议要成功，则发送方的数据不能淹没接收方，也即需要得到确认或称为停等协议
特征与理想协议相同

2.3 有噪音的停等协议

协议要成功，则首先需要确认或停等机制，其次需要解决噪音带来的问题，有噪声的信道意味着帧将丢失或出错，两者都表示该帧未被正确接收
帧出错可通过校验得知，接收方只需发回一个否定确认帧然后发送方重传即可

3.滑动窗口协议

发送方一次可发送多个帧而不需等待接收方每一个确认的机制

3.1 一位滑动窗口协议

最大发送和接收窗口尺寸为1（停－等协议）

3.2 多位滑动窗口协议

发送窗口大于1，接收窗口可以大于或等于1
接收方收到的帧必须落在接收窗口内，否则丢弃
如果接收窗口尺寸为1，则说明只能顺序接收
如果接收窗口尺寸大于1
收到的帧序号为后沿，且校验正确，则处理后提交给上层、返回确认帧、整体向前移动接收窗口
帧序号不是窗口后沿，但落在接收窗口内，且校验正确，则按商定的重发方式要么缓存、返回确认帧，直至后沿帧到达后一并顺序提交，并整体移动接收窗口；要么直接丢弃

3.3 退回N帧重发

一般最大发送窗口为N，接收窗口为1
最大发送窗口尺寸：2ⁿ －1

3.4 选择性重发

一般最大发送窗口为N，接收窗口也等于N
最大发送窗口尺寸：2 ^n－1

4.数链层协议实例

HDLC – High-Level Data Link Control
Cisco路由器缺省的数链层协议
Internet上的数据链路层协议
串行线路SLIP (Serial Line Internet Protocol)
PPP (Point-to-Point Protocol)：载荷：缺省最大1500B

第四章介质访问控制子层

1.信道分配问题

1.1LAN中如何分配信道

局域网中的静态信道分配方案：

考虑FDM或TDM方式
信道利用率问题

局域网中的动态信道分配方案：

竞争，如以太网

非竞争，如令牌环网

2. 多路访问协议

2.1 ALOHA协议

纯 ALOHA
站有帧要发送，则立即发送
帧的整个发送过程中无其它帧发送，成功
如有，失败
随机后退一段时间重发，直到成功
时隙ALOHA
以发送一帧的时间长度作为时间片（时槽），提供中心时钟同步
帧只能在时槽开始时发送
冲突后随机后退一段时间重发，超过次数不发，报告上层

2.2 CSMA协议（Carries Sense Multiple Access）

载波侦听多路访问：
发送前侦听
侦听后的策略：
1－持续：空闲则发送，忙则坚持侦听
0－持续：空闲则发送，忙则退后随机时间再侦听
P－持续：空闲则以 P 概率发送，以1－P 概率在下一个时槽发送（仍以该策略进行）；如忙，则在下一个时槽再侦听（仍以该策略进行）
说明：三种策略不能说谁一定比谁好，但冲突是一定会产生
CSMA/CD (Collision Detection):带冲突检测的载波侦听多路访问
Ethernet 采用，使用1－持续策略
冲突检测方式
高低电平超过某阈值（功率）
曼码（后面讲述）的跳变位置变化
边发边收，对比信号
第一个检测到冲突的站点
一定是某发送方
停止发送
接着发送固定格式（48b）的 jam（阻塞）信号通知各站点
相关问题：
1.对于一个已经开始发送的站点，何时可以不再考虑会发生冲突？（冲突槽时间，collision slot time）
2倍最大延迟（51.2μm，64B）
2.冲突槽时间实际也规定了什么？传输速度提高会发生什么？
规定了最短传输长度，传输速度提高会使得冲突概率变大
3.后退的时间？
二进制指数后退法
总结：对于随机访问方式

其一定处于传送、空闲和冲突三种周期之一
信道利用率与负荷成反比（低负荷时信道利用率高，高负荷时冲突大）
但协议简单，价格低廉，容易实现和掌握
因此应用广泛

2.3 WLAN协议

WLAN的带宽为11～54Mbps
信道特征：广播，意味着可能存在冲突
可以考虑 CDMA 机制，但太复杂，成本高
使用 FDMA 机制，每站的带宽太小
使用 TDMA 机制，则时槽的个数动态改变
考虑使用 CSMA 机制解决信道使用问题：隐蔽站问题；暴露站问题
CSMA/CA：冲突避免的多路访问协议
解决方案：冲突避免的多路访问协议MACA( Collision Avoidance )
基本原理
发送方先向接收方发送一个短帧RTS（Request To Send，长30B），其中包含随后要发送的数据长度
接收方回应一个短帧CTS（Clear To Send），其中也包括欲接收的数据长度
发送方在收到CTS后开始发送数据
实质：收发双方都在向各自周围的站宣告发送和接收的事实，让相应站点保持沉默
分析
冲突仍会发生：同时向某站发送RTS时

3.以太网802.3

以太网使用的介质：在这里插入图片描述
以太网的连接：使用双绞线与Hub或交换机组网比用同轴电缆组网的优点
以太网的拓扑结构：常见的组网拓扑（总线、环型、星型、树型、网状）

目前90%为星型拓扑结构
无论Ethernet采用何种结构，最大的网络跨距不能超过2500m，如果中间有中继器，则不多于4个
以太网的编码：曼彻斯特编码

以太网的帧格式：

在这里插入图片描述
Preamble:前导码（8B）以太网一般将前导码看作物理层的封装，而非数据链路层
Destination address:目的地址（6B）
Source address:源地址（6B）
Type:类型域（2B）
Data:数据（46~1500B) 当网络层分组不足 46B 时将会由 Pad 域进行填充
Check-sum：帧的校验序列FCS域
mac地址：物理地址，硬件地址
以太网的最短帧长度：6+6+2+46+4=64B
原因：帧如果太短，冲突不能检测到
知识拓展：Bit——比特
Byte——字节（B) 1B=8bit
KB——千字节 1KB=1024B
MB——兆字节 1MB=1024KB
GB——吉字节 1GB=1024MB
TB——太字节 1TB=1024GB
交换式以太网的核心：

中心节点使用交换机
工作方式：一个接口收到一帧，查看目的地址，如果出口在同一面板，则复制到该面板的另一出口；否则发送给背板
如果某面板的两个接口同时收到帧，则：
如交换机端口无缓存，那么此时就发生了冲突，相当于面板上连接的计算机构成一个冲突域，以CSMA/CD的二进制指数后退算法重传
如交换机端口有缓存（目前大多数），则在全双工模式下，永远不会有冲突
（全双工指在发送数据的同时也能接受数据）

4.数据链路层交换

一些网络（互连）设备

网卡NIC

概念：是一个物理层和数链层上的网络设备，与操作系统配合操作，控制计算机与网络上信息的发送与接收
作用：

信号收发
串并转换
数据缓冲
载波侦听，冲突检测
编码解码（曼码，4B/5B等）

集线器Hub

概念：是一个物理层上的网络互连设备，它将接收到的每个Bit广播到其所有端口，即使是帧碎片。
作用：

网络互连
增强信号，扩大跨距

网桥Bridge

概念：是一个物理层和数链层上的网络互连设备，在两个相同或不同局域网段之间转发、过滤帧和转换帧格式
工作原理：从端口收到帧后判定目的MAC地址，转发到对应端口
作用：

相同或者不同网络互连
扩大安全跨距
减小冲突域，提高网络应用带宽
加强安全性

交换机Switch

概念：工作在物理层和数链层上的网络互连设备，实际就是一个多端口的网桥

第五章网络层

网络层的任务：将分组从源点经各种途径传送到宿点，是最基础的端到端的传输。
网络层的功能：

路由
以分组（包）为单位交换、传输上层数据
流量控制和拥塞控制

1.网络层涉及的问题

存储转发包交换
提供给传输层的服务
面向连接（虚电路）：例X.25,虚电路任务网络是可靠的，因此它对网络依赖大，适合端系统长时间的交换数据，且能为上层提供不同的服务质量即区分服务
面向非连接（数据报）:例Internet，数据报认为网络是不可靠的，因此问题应由端系统自己处理，对网络依赖小即具有所谓的灵活性和健壮性（Robustness，鲁棒性），它只为上层提供尽力而为（best effort）的服务
非连接服务的实现
面向连接服务的实现
虚电路和数据包的比较

2.路由算法

概述：无论虚电路还是数据报都需要路由
对于一个网络，合适的路由协议将使分组以最小的代价（cost）通过该网络，如在网络中停留的时间最短（即降低平均时延），费用最低等等
类别

非自适应性，静态路由（例扩散法，固定法）
自适应性，动态路由（热土豆法）
热土豆法（孤立路由策略）：
孤立：仅依据本节点状态而非网络状态
思路：以出口队列的长度作为路由判定依据，目的是尽快的将分组发送出去
说明：
出口队列短的不一定是最好的，有时还是错误的，因此也对出口加上偏移数即加权
多适用于小型端网络，协调流量比固定法好，如对于我校的出口路由
从本质上说，不能算作动态路由，因为当网络发生故障或出现改变时需较长时间才能改变

2.1 最优化原则

概念：如果路由器 D 是节点 I 到 K 的最优路径中的一个节点，则：D 到 K的最优路径与之相同
汇集树（Sink Tree):从所有的源到一个指定的目标（如 B）的最优路径构成了一棵以目标节点为根的树

2.2 Dijkstra最短路径算法

实质是生成以某路由器为根的一棵汇集树

2.3 扩散法（洪泛法）Flooding

扩散法：
概念：将到来的分组向所有出口广播，除了入口
优点：简单高效，时延最短，适应性最强
缺点：分组循环传送、重复接收，极易拥塞
改进：设置计数（每次减1）或登记分组
应用：战争时或通信负载低的网络
有选择洪泛法：仅在满足设定条件的情况下洪泛
如教育网重大路由器有到成都、武汉、贵州的3个出口，则到北京的分组不应被广播到贵州的出口上
固定法：
多应用于小型网络
如端Stub网络，只有一个下一跳选择
我校出口路由

2.4 距离矢量路由Distance Vector Routing

2.5 链路状态路由Link State Routing

3.Internet中的网络层

IP协议:在Internet上的主机和路由器中，实现其网络层的协议为Internet Protocol栈

3.1 IPv4地址

IPv4地址：为使分组从源经过一定的路径到达目的，在Internet上的每个主机和路由器的每个接口（Interface）都应该有一个唯一的标识，我们称该标识为IP地址
组成：网络号+主机号；IP地址必须指明主机/接口位于哪个网络（网络号），在该网络何处（主机号）
长度:为32b（232约43亿个地址）
IP地址格式：网络号+主机号
同一个网段（子网）中的主机/接口应该有相同的网络前缀而主机号不同，不在同一个网段的主机/接口应该有不同的网络前缀，而主机号可以相同
IP地址分类：为了更好的管理和分配IP地址，我们将其进行分为了A,B,C,D,E类：在这里插入图片描述
A类IP地址：

首字节为网络号，且首位为0
有126（2⁷－2）个A类网络，另外两个：0.0.0.0表示缺省网络/路由，127.x.x.x表示本地回路（Loopback）
每网络有16,777,214（224－2）个地址，主机号部分全0为某网络标识，全1标识某网络的广播
内部地址：10.x.x.x，这类地址只能在单位内部使用，Internet骨干路由器不会转发该类地址的包
约占总量50%，范围：1.0.0.0~126.255.255.255

B类IP地址：

前2字节为网络号，且首位为10
有16,384（214）个B类网络
每网络有65,534（216－2）个地址
内部地址：172.16.x.x～172.31.x.x
约占总量25%，范围：
128.0.0.0～191.255.255.255

C类IP地址：

前3字节为网络号，且首位为110
有2,097,152（221）个C类网络
每网络有254（28－2）个地址
内部地址：192.168.0.x～192.168.255.x
约占总量12.5%，范围：
192.0.0.0～223.255.255.255

D类IP地址：

首位为1110即可，没有网络号和主机号之分
用于Internet上的多播（Multicast）,每个D类地址代表一组主机，如224.0.0.1－LAN中的所有参与多播的设备；224.0.0.2－LAN中的所有多播路由器，224.0.0.5－LAN中所有运行OSPF的路由器
多播由专门的多播路由器实现，且要实现多播的主机还要安装多播协议和IGMP（可选，Internet Group Management Protocol）
范围：224.0.0.0～239.255.255.255

E类IP地址：

首位为1111（240开始）即可，没有定义网络号和主机号
用于试验

特殊IP地址总结：
0.0.0.0 不清楚的主机和目的网络
255.255.255.255限制广播地址
127.0.0.1本机地址
224.0.0.1组播地址
169.254.x.xDHCP服务器故障时的主机地址
10.x.x.x，172.16.x.x，172.31.x.x，192.168.x.x开头的为私有地址

3.2 子网掩码和子网

子网掩码

格式：32b，对于某IP地址或网络，其子网掩码定义为对应网络号部分全1，对应主机号部分全0,例如A类子网掩码：255.0.0.0，B类：255.255.0.0。
将目的地址和子网掩码作And运算，去掉了主机号部分，留下网络号部分。即网络号=ip地址and子网掩码。
缺省的：A、B、C类子网掩码为255.0.0.0、255.255.0.0、255.255.255.0，也常表示为：/8、/16、/24
/8表示有8个1：11111111.00000000.0000000.0000000
判断两台主机是否为同一子网：1.网络号是否相同；2.IP和掩码相与后是否相同
相与运算：And，两位同时为1才为1，否则为0。
IP包头部格式：
版本Version
4bit，目前基本为4
头部长度Hlen
4bit，在5～15之间，单位为4B（一行）(1B=8bit,一个字节等于8比特位）
即表明IP包头部在20～60B之间
服务类型TOS
8bit，表明当前数据包要求哪种服务质量，如可靠性、延迟等。
目前路由器都忽略该字段，其一般为0
数据包总长Datagram Total Length
16bit，表示头部＋数据长度，显然最大长度为65535B
目前多小于或等于1500B（原因？）
标识符Idetifier
16bit，标识该分组的一个随机号码
标志： DF（Don‘t Fragment）1表示不允许分割；0允许
MF（More Fragments）如果分组已经分割（也形成分组），则1表示该分组不是最后一个，后面还有；0表示该分组是原来分组的最后一个分段（片）
分段偏移量
分段后的这块数据位于原分组的何处
IPv6已不允许分段
生命期TTL（Time to live）
8bit，防止分组长期滞留子网
一般经过一个路由器则减1，如已经为0则丢弃
协议Protocol
8bit，指出分组携带的数据（上/本层）使用哪种协议
常见的：TCP(6)、UDP(17)、ICMP(1)、OSPF(89)等
头部校验Header Checksum
8bit，仅校验头部的原因
首先，节点的任务是尽快转发分组
其次，分组中的数据部分为传输层的PDU，它提供了高层的校验
IPv6已经取消该字段
Q1:已经存在首部长度，那么数据包的长度按理来说等于首部长度+数据的长度，那么数据包总长度存在的意义是什么？
答：因为数据有填充，防止将填充的内容当作数据。