网络层
1、网络层的功能
- 异构网络互联
- 路由与转发
- 拥塞控制
2、IPv4
| 名称 | 所占位数 | 说明 |
|---|---|---|
| 版本 | 4 | 版本号 |
| 首部长度 | 4 | 以32位为单位，最大值为60B，常用的是20B |
| 总长度 | 16 | 指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为2^16 -1 = 65535B。以太网帧的最大传输单元（MTU）为1500B，因此当一个IP数据报封装成帧时，数据报的总长度（首部+数据）一定不能超过MTU |
| 标识 | 16 | 计数器，每产生一个数据报就+1。当一个数据报的长度超过MTU时，必须分片，此时每个数据报片都复制一次标识号 |
| 标志 | 3 | 最低位为MF，MF=1时表示后面还有分片，MF=0表示这是最后一个分片；中间一位是DF，只有当DF=0时才允许分片 |
| 片偏移 | 13 | 它指出较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置，片偏移以8个字节为单位，即每个分片的长度一定是8B（64位）的整数倍 |
| 首部校验和 | 16 | 只校验分组的首部，不校验数据部分 |
| 生存时间（TTL） | 8 | 路由器每次转发分组时，TTL-1 |
| 协议 | 8 | 6代表TCP，17代表UDP |
| 源地址字段 | 32 | 发送方IP地址 |
| 目的地址字段 | 32 | 接收方目的地址 |
2.1、IPv4地址与NAT
2.1.1、IPv4地址
| IP地址 | 地址段 | 最大网络可用数 | 第一个可用的网络号 | 最后一个可用的网络号 | 每个网络中最大主机数 |
|---|---|---|---|---|---|
| A类 | 1-126 | 2^7-2 | 1 | 126 | 2^24-2 |
| B类 | 128-191 | 2^14-1 | 128.1 | 192.255 | 2^16-2 |
| C类 | 192-223 | 2^21-1 | 192.0.1 | 223.255.255 | 2^8-2 |
| D类 | 224-239 |
在各类IP地址中，有些IP地址具有特殊用途，不用做主机的IP地址：
| 不用做主机的IP地址 | |
|---|---|
| 主机号全为0 | 表示本网络本身 |
| 主机号全为1 | 本网络的广播地址 |
| 127.0.0.0 | 保留为环路自检地址，此地址表示任意主机本身，目的地址为环回地址的IP数据报永远不会出现在任何网络上 |
| 32位全为0 | 即0.0.0.0表示本网络上的本主机 |
| 32位全为1 | 即255.255.255.255表示整个TCP/IP网络的广播地址，又称受限广播地址；由于路由器对广播域的隔离，255.255.255.255等效于本网络的广播地址 |
2.1.2、网络地址转换（NAT）
网络地址转换（NAT）是指通过将专用网络地址（如Intranet）转换为公用地址（如Internet），从而对外隐藏了内部管理的IP地址。
为了网络安全，划出了IP地址为私有地址，私有IP地址只用于LAN。私有IP不能连接Internet，必须通过网关利用NAT把私有地址转换为Internet中的合法的全球IP地址后才能用于Internet。
| 私有IP地址网段 | ||
|---|---|---|
| A类 | 1个A类网段 | 10.0.0.0-10.255.255.255 |
| B类 | 16个B类网段 | 172.16.0.0-172.31.255.255 |
| C类 | 256个C类网段 | 192.168.0.0-192.168.255.255 |
NAT路由器
2.1.3、子网划分与子网掩码、CIDR
1.子网划分
把主机号划分出来当做子网号。
IP地址={<网络号>,<子网号>,<主机号>}
2.子网掩码
子网掩码是用来表达对原网络中主机号的借位。
IP地址与对应的子网掩码逐位相“与”，就可得出对应的网络地址。
3.无分类域间路由选择（CIDR）
CIDR是在变长子网掩码的基础上提出一种消除传统A、B、C类网络划分，并且可以在软件支持下实现超网构造的一种IP地址划分方法。
CIDR允许子网号全为0或全为1。
2.1.4、ARP、DHCP与ICMP
1.地址解析协议（ARP）
在IP网络的网络层只使用IP地址来完成寻址，而IP分组转发到达目标网络后，改为在目标网络LAN中通过数据链路层的MAC地址以广播方式寻址。
路由器不仅有多个IP地址，也可以有多个MAC地址。
地址解析协议（ARP）就可以完成IP地址到MAC地址之间的映射。
2、动态主机配置协议（DHCP）
动态主机配置协议（DHCP）常用语给主机动态地分配IP地址，是应用层协议，基于UDP。
3、网际控制报文协议（ICMP）
使用ICMP来让主机或路由器报告差错和异常情况。ICMP是IP层协议。
ICMP报文的种类有两种：ICMP差错报告报文、ICMP询问报文
3、路由协议
| 协议 | RIP（路由信息协议） | OSPF（开放最短路径优先协议） | BGP（边界网关协议） |
|---|---|---|---|
| 类型 | 内部 | 内部 | 外部 |
| 路由算法 | 距离-向量 | 链路状态 | 路径-向量 |
| 传递协议 | UDP | IP | TCP |
| 路径选择 | 跳数最少 | 代价最低 | 较好，非最佳 |
| 交换结点 | 和本结点相邻的路由器 | 网络中的所有路由器 | 和本结点相邻的路由器 |
| 交换内容 | 当前本路由器知道的全部信息，即整个路由表 | 与本路由器相邻的所有路由器的链路状态 | 首次，整个路由表 非首次，有变化的部分 |
| 存在的问题 | 慢收敛，“坏消息传的慢” |
4、中继设备
| 层次 | 中继设备 | 特点 |
|---|---|---|
| 物理层中继设备 | 中继器、集线器（Hub） | 用来连接两个（中继器）或多个（Hub）速率相同且数据链路层协议相同的网段，任何时刻只能有一个结点通过公共信道发送数据 |
| 数据链路层中继设备 | 网桥或交换机 | 网桥可以互联不同物理层、不同的MAC子层及不同速率的以太网，可以隔绝冲突域 交换机允许多个结点并发通信，其每个端口不会因为端口结点的增加而减少，且整个交换机的总带宽会随着端口结点的增加而增加，一般工作在全双工模式 |
| 网络层中继设备 | 路由器 | 可以隔绝广播域 |
| 网络层以上的中继设备 | 网关 |