第四章：网络层

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. 路由选择和分组转发（最短路径）
  2. 异构网络互联
  3. 拥塞控制：若所有结点来不及接收分组，而要丢弃大量分组，则处于拥塞状态。因此要采取一定措施缓解拥塞。解决方法：开环控制（静态），闭环控制（动）

• 数据交换方式

  

  • 电路交换（传输时延最小）

    例如电话网络：建立连接（呼叫/电路建立）→通信→释放连接（拆除电路）

    特点：多路复用技术、独占资源

    优点：通信时延小、有序传输、没有冲突、实时性强

    缺点：建立连接时间长、线路独占，使用效率低，灵活性差，无差错控制能力

  • 报文交换

    源应用发送的信息整体

    

    优点：无需建立连接；存储转发，动态分配线路；可靠性较高；利用率较高；多目标服务

    缺点：有存储转发时延；报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间

  • 分组交换

    

    分组：把大数据块分割成等大等长小数据块

    优点：无需建立连接；存储转发，动态分配线路；线路可靠性较高；线路利用率较高；相对存储管理更容易

    缺点：存储转发时延；需要传输额外的信息量；乱序到目的主机时，要对分组排序重组

  报文交换和分组交换都采用存储转发

  传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。

  后俩种方式信道利用率高，分组交换时延更小。

  • 数据报方式（无连接服务）&&虚电路方式（连接服务）

    无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径。

    连接服务：首先为分组传输确定传输路径，沿该路径传输系列分组，路径相同，结束后拆除连接

    • 数据报（因特网使用）

      无连接

      每个分组携带源和目的地址

      路由器根据分组的目的地址转发分组：基于路由协议、算法构建转发表：检索转发表：每个分组独立选路

    • 虚电路

      将数据报方式和电路交换方式结合。

      虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项都记录了一个打开的虚电路的信息。

      建立连接：每个分组携带虚电路号，而非目的地址。源主机发送“呼叫请求”分组并收到“呼叫应答”，分组后才算建立连接。

      数据传输：全双工通信

      释放连接：虚电路释放。源主机发送“释放请求”，分组以拆除虚电路。

    

  

• 路由算法

  • 静态路由算法：来自适应路由算法，管理员手工配置路由信息。

    优点：简单可靠，在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果很好，广泛用于高度安全性的军事网络和较小的商业网络

    缺点：路由更新慢，不适用于大型网络

  • 动态路由算法：自适应路由算法，路由器彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。

    优点：路由更新块，使用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化。

    缺点：算法复杂，增加网络负担。

    1. 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。
    2. 分散性：距离向量路由算法。典例：RIP。路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用。

• 分层次的路由选择协议

适用：因特网规模不大；许多单位不想让外界知道主机的路由选择协议，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

内部网关协议IGP：一个AS内使用，例如RIP、OSPF

外部网关协议EGP：AS之间使用，例如BGP

• RIP协议：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

  要求：网络中每一个路由器维护从它主机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”，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。从一g路由器到直接连接的网络距离为1。RIP允许一条路最多只能包含15个路由器，因此距离为16表示网络不可达。

  优点是简单，只适用于小互联网

  RIP是应用层协议，使用UDP传送数据。一个RIP报文最多课包括25个路由，如果超过，必须再用一个RIP报文发送。

  • 路由器的交换更新

    特点：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吓一跳路由器的地址，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”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（距离可能增大或减小）；若下一跳不是x，原来距离从x走的距离远则更新，否则不做处理。

    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

• 开放最短路径优先OSPF协议

  使用了Dijkstra的最短路径算法SPF

  最主要特征：使用分布式的链路状态协议

  • 特点

    1.使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送信息，即路由器通过输出端口向所有相邻路由器发送信息，而每一个相邻路由器又再次将此信息发往其所有相邻路由器。广播

    2.发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态（与那些路由器相邻，以及该链路的度量/代价）

    3.只有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信息。

    最后所有路由器都能建立链路状态数据库，即全网拓扑图。

  • 链路状态路由算法

    1.每个路由器发现它的相邻结点（HELLO问候分组）

    2.设置到它的每个俩句的成本度量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；如果没有的或者时更新的，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区域

    

  • OSPF分组

    

    OSPF分组用IP数据报传送

    考纲：网络层协议

  • 其他特点

    1.每30min更新一次数据库中的链路状态

    2.是用于大规模互联网。由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的联通状态，因此与整个互联网的规模并无直接的联系。

    3.不存在坏消息传得慢的问题，它的收敛速度很快

• BGP协议

  • 交换信息特点

    1.与其他AS的邻站BGP发言人交换信息

    2.交换网络可达性信息，即要到达某个网络所要经过的一系列AS

    3.发生变化时更新有变化的部分

  • 过程

    BGP所交换的网络可达性信息就是要到达某个网络所经过的一系列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发言人交换路径向量：自治系统AS2的BGP发言人通知主干网AS1的BGP发言人：“要到达N1，N2，N3课经过AS2

  • 报文格式

    先建立TCP连接，然后再次连接上交换BGP报文以建立BGP会话，利用BGP会话交换路由信息

    

  • 特点

    支持CIDR，因此BGP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。

    刚运行时邻站交换整个BGP路由表，但以后只要在发生变化时更新有变化的部分。节省带宽和路由器处理开销。

  • BGP-4的四种报文

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

    2.UPDATA报文：提高新路径或撤销原路径。

    3.KEEPALIVE报文：在无UPDATA时，周期性正式邻站的连通性，也作文OPEN的确认。

    4.NOTIFICATION报文：报告先前报文的差错，也被用于关闭连接。

• 

  

  RU OI BT

  

• IP数据报格式
  

  首部长度：单位4B，最小为5(20B)

  区分服务：指示期望获取哪种类型的服务

  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，为0则丢弃

  协议：数据部分的协议。TCP字段为6，UDP字段为17

  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、测量以及安全等测试

  填充：补全0.把首部补成4B的整数倍

• IP数据报分片

  最大传送单位MTU：链路层数据帧可封装数据的上限。

  以太网的MTU是1500字节。

  若传送数据报超过MTU，则需要将数据报分片。

  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。

  中间位DF：DF=1禁止分片，DF=0允许分片

  最低位MF：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，某片在原分组种的相对位置，以8B为单位。除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B整数倍

  

• IPv4地址

  IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，表示路由器主机的接口。

  IP地址={<网络号>，<主机号>}

  路由器不同接口有不同的IP地址

  • IP地址分类：
    
    

特殊IP地址：

私有IP地址：内部使用，路由器对目的地址是私有IP地址的数据报不进行转发

网络地址转换NAT：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

IPv4地址空间已分配殆尽：CIDR（斜杠加数字），NAT（端口映射）。解决此问题的根本方法是IPv6

• • 子网划分：将主机号划分为子网号和主机号

    • 分类的IP地址的弱点

      1.IP地址空间的利用率有时很低

      2.俩级IP地址不够灵活

    

    某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分，主机号不能全0（为本网络）全1（为广播分组）

    子网掩码：

    

    子网掩码与IP地址逐位相与，就得到子网网络地址。

    • 使用子网时分组的转发：

      路由表中应含有目的网络地址、目的网络子网掩码、下一跳地址

      路由器转发分组的算法：1.提取目的IP地址 2.是否直接交付3.特定主机路由 4.检测路由表中有无路径 5.默认路由0.0.0.0 6.丢弃，报告转发分组出错

  • 无分类编制CIDR（子网号可全0，全1）

    1.消除了传统ABC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。CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址快”

    构成超网：将多个子网聚合成一个较大的子网。也叫路由聚合。

    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，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

• 协议

  • ARP协议：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射（自动进行）

    使用过程：检查ARP高速缓存，有对应表项则写入MAC帧。没有则用目的地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播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就会向源主机单播一个ARP响应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存。（10-20分钟更新一次）

    四种典型情况：

    1.主机A发给本网络上的主机B，用ARP找到主机B的硬件地址

    2，主机A发给另一网络的主机B：用ARP找到本网络上一个路由器（网关）的硬件地址

    3.路由器发给本网络的主机A：用ARP找到主机A的硬件地址

    4.路由器发给另一网络的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址

  • 主机如何动态获得IP地址：实现动态配置DHCP协议

    • • 

    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IP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。

    • DHCP协议过程

      1.主机广播DHCP发现报文：找到网络中的服务器，服务器获得主机IP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。

  • TCP/IP协议栈

    ICPMP协议：支持主机或路由器差错报告、网络探询

    发送特定ICMP报文

    

    • 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原点发送终点不可达报文（无法交付）

      2.源点抑制:当路由器或主机由于拥塞而丢失数据报时，就向原点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。（拥塞丢数据）

      3.时间超过：当路由器收到生存时间TTL=0的数据报时，除了丢弃该数据报外，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

      4.参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报首部中有的字段值不正确时就丢弃该数据报，并向原点发送参数问题报文。

      5.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127.0.0.0或0.0.0.0）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
      3. 掩码地址请求和回答报文
      4. 路由器询问和通告报文

    • ICMP应用

      PING：测试俩个主机之间连通性，使用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

  • IGMP协议与组播路由选择协议

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

    ICMP和IGMP都是用IP数据报传递报文

    • IGMP工作的俩个阶段

      1.某主机要加如组播组时，该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声称主机要成为该组成员。本地组播路由器收到IGMP报文后，要利用组播路由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连接的局域网中有无组播组成员。

    • 组播路由选择协议

      目的：找出以源主机为根节点的组播转发树

      构造树可以避免再路由器之间兜圈子。

      对不同的多播组对应于不同的多播转发树，同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。

      • 三种算法

        基于链路状态的路由选择

        基于距离-向量的路由选择

        协议无关的组播（稀疏/密集）

• IPv6

  改进首部格式。

  

  功能：快速处理、转发数据报，支持QoS

  • 

  • 与IPv4的区别

    1.将地址从32位（4B）扩大到128位（16B），更大的地址空间

    2.IPv6将校验和字段彻底移除，以减少每跳的处理时间

    3.将可选字段移出首部，变成扩展首部，成为灵活的首部样式，路由器通常不对扩展首部检查，大大提高路由器处理效率

    4.即插即用（自动配置），不需要DHCP协议

    5.IPv6首部长度必须是8B整数倍，IPv4首部是4B整数倍（1总8片首4）

    6.只能再主机处分片。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.支持资源预分配，支持实时视像等要求，保证一定带宽和时延应用

    9.取消了协议字段，改成下一个首部字段

    10.取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段

    11.取消了服务类型字段

  • 地址表示形式

    

  • 基本地址类型

    单播：一对一通信，可做源地址+目的地址

    多播：一对多通信，可做目的地址

    任播：一对多中的一个通信，该地址可做目的地址

  • Ipv6向IPv4过渡

    双栈协议：在一台设备上同时启用IPv4协议栈和IPv6协议栈。路由器：不同接口上分别配置俩种地址，并很有可能连接了俩种网络。计算机：同时也有俩种地址，并具备同时处理这俩个协议地址的功能。

    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。

• IP数据报的三种传输方式

  1.单播：用于发送数据包到单个目的地，且每发送一份单薄报文都使用一个单播IP地址作为目的地址。是一种点对点的传输方式。

  2.广播：指发送数据包到同一广播域或子网内所有设备的一种数据传输方式，是一种点对多点传输方式。

  3.组播（多播）：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，是一点对多点的传输方式

  • IP组播地址

    IP组播地址让原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类地址标识一个组播组。IP组播地址只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。

    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

  • 硬件组播

    跟单播地址类似，组播IP地址也需要相应组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E开头，余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转移得到的

    

• 移动IP

  移动IP技术是移动结点（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。

  移动结点：具有永久IP地址的移动设备

  归属代理（本地代理）：一个移动结点拥有的就”居所“称为归属网络，在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体叫做归属代理。

  外部代理（外地代理）：在外部网络中帮助移动结点完成移动管理功能的实体称为外部代理。

  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。

  转交地址（辅地址）：移动站点在外部网络使用的临时地址。

  • 

  

• 路由器：路由选择，分组转发

  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。

  根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期地和相邻路由器交换路由信息而不断地更新和维护路由表。

  交换结构：根据转发表（路由表得来）对分组进行转发。

  若收到RIP/OSPF分组等，则把分组送往路由选择处理机；若收到数据分组，则查找转发表并输出。

  

  

  若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到零，这就是后面再进入队列的分组由于没有存储空间只能被丢弃。

  路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。

  • 路由器、网桥、集线器

    路由器：作为存储转发设备，可以互联俩个不同网络层协议的网段

    网桥：作为链路层设备可以互联俩和物理层和链路层不同的网段

    集线器：不能互联俩个物理层不同的网段。

    

  • 路由表与路由转发

    路由表根据路由选择算法得出，主要用途是路由选择，总用软件实现。

    转发表由路由表得来，可以用软件实现，也可以用特殊硬件实现，转发表必须包含完成转发功能所必须的信息，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。