文章目录
大纲
网络层功能
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
IP数据报格式
TCP/IP 协议栈
IP 数据报格式
- 版本：IPv4或者是IPv6版本
- 首部长度：单位是4B，因为首部有固定部分，固定部分是20B，所以首部长度最短是5
- 区分服务：包括优先级等
- 总长度：首部 + 数据 单位是1B。
- 生存时间：IP分组的寿命，没经过一个路由器，都会减少寿命。
- 协议：数据部分使用的协议。
IP数据报分片
最大传送单元 MTU
原因：链路层数据帧可封装数据的上限。以太网的MTU是1500字节。
IP 数据报格式
IP数据报A被分割成三部分，标识指的是到目的地后根据标识进行组合内容。
标志分为为两部分，一部分是DF，根据这个判断是否允许分片，第二部分是MF，这个指的是后面是否还有分片。
片偏移量：指的是切分后后的位置，单位是8B。
IP数据报分片例题
分为三部分
首部是不变的，都是直接继承父亲的首部。
首部1：0-1399B
首部2：1400-2799B
首部3：2800-3799B
标识指的是到达目的地后进行拼接识别。
第一个分片片偏移量是0，因为没有相对移动，第二个分片片偏移量是从1400B开始的，但是片偏移量单位是8B，所以填写的片偏移量写的是1400/8 = 175。
IPv4地址
IP 地址
网络相当于是村子，主机号相当于是家。
IP 编址的历史阶段
- 分类的IP地址（切大饼）
- 子网划分
- 构成超网（无分类编址方法）-- CIDR
分类的 IP 地址
网络号 + 主机号
互联网中的IP地址
分类的 IP 地址
特殊IP地址
私有 IP 地址
网络地址转换（NAT）
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。
网络地址转换 NAT
网络地址转换NAT（Network Address 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 。
专用网络182.168.0.3:3000发送数据到互联网，然后经过NAT路由器之后，将IP转换成172.38.1.5:40001，以这个IP号开始发送到213.18.2.4。
子网划分与子网掩码
子网划分
分类的 IP 地址的弱点：1.IP地址空间的利用率有时很低。2.两级IP地址不够灵活。
申请 B，但是主机数还没有达到B的数目。
子网划分
子网掩码
每一个IP地址都会对应一个子网掩码，子网掩码的书写就是将IP的网络号全部写成1，主机号完全写成0；
当数据报145.13.0.0传过来时候，将数据报和主机的每一个子网掩码进行逐位相与操作（上下两位是1才是1，否则是0），就得到了子网的网络地址了。
使用子网时分组的转发
无分类编址CIDR
- 消 除了传 统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念 。
- 融合子网地址与子网掩码 ， 方便子网划分。
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。
方法：将网络前缀缩短（所有网络地址取交集）
最长前缀匹配
ARP协议
解决IP到MAC的映射关系问题。（解决下一跳跳哪里的问题）
发送数据的过程
当发送的数据再同一个局域网内时候
主机1说话：我的IP地址是xx，主机3的IP地址是yy，我的MAC地址是xxxxx，我需要找到IP3的MAC地址。
信号经过交换机时候，会被广播出去，然后主机3知道了是在喊他自己，然后说：我的IP地址是yy，我的MAC地址是yyyyyy。
当发送的数据在不同的局域网中时候：
先检查ARP告诉缓存中的数据，看看有没有IP5，检查之后是没有的。
先发送
之后会接收到 
之后
MAC7 – > MAC8
最后
IP5，和IP6是不变的。
由于在实际网络的链路上传送数据帧时，最终必须使用MAC地址。
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 ，有对应表项则写入MAC帧，没有则用目的MAC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 （10-20min更新一次）。
ARP协议4种典型情况：
- 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；
- 主机A发给 另 一网络 上的主机B：用ARP找到本网络上一个路由器（网关）的硬件地址；
- 路由器发给 本网络 的主机A：用ARP找到主机A的硬件地址；
- 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。
案例
主机发送IP数据报给主机B，经过了5个路由器，请问此过程总共使用了几次ARP协议？
解：需要六次跳转。
DHCP协议
主机如何获得 IP 地址？
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。
ICMP协议
TCP/IP 协议栈
网际控制报文协议 ICMP
ICMP是存放在IP数据报的数据部分的。
ICMP 差错报告报文（ 5 种）
ICMP 差错报告报文数据字段
当接受到的IP数据报是有错误的信息时候，将他的IP数据报首部和前8个字节和ICMP的前8个字节，作为新的IP数据报的数据部分，然后加上IP首部，就可以组装成新的IP数据报。
ICMP 询问报文
- 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。 - 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。
源地址给目的地址发送数据检测，TTL逐渐增加，当中途有5个路由时候，当第一个TTL = 1，时候，经过第一个路由器的时候，TTL = 0 ，然后路由器将数据丢弃，同时返回一个ICMP报文，知道TTL逐渐增加到数据报可以到达目的地主机为止。
IPV6
为什么有 IPv6 ？
IPv6 数据报格式
指明了协议版本，总是6。
区分数据报的类别和 优先级 。“流”是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报。所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标签。
标识下一个扩展首部或上层协议首部。相当于IPv4的TTL。
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地址形式
IPv6 基本地址类型
IPv6 向 IPv4 过渡的策略
- 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。
脑图时刻
