计网基础总结---网络层

网络层

仅在网络层提供连接服务的计算机网络称为虚电路(Virtual-Circuit, VC)网络。
仅在网络层提供无连接服务的计算机网络称为数据报网络(datagram network)。

虚电路网络

仅在网络层提供连接服务的计算机网络称为虚电路(Virtual-Circuit, VC)网络。

一条虚电路网络组成:

1. 源和目的主机之间的路径(即一系列链路和路由器)
2. VC 号,沿着该路径的每段链路的一个号码
3. 沿着该路径的每台路由器的转发表表项

虚电路中３个明显不同的阶段

1. 虚电路建立
2. 数据传送
3. 虚电路拆除

信令报文: 端系统向网络发送指示虚电路启动与终止的报文，以及路由器之间传递的用于建立虚电路（即修改路由器表中的连接状态）的报文。

虚电路的概念来源于电话界，采用了真正的电路。

数据报网络

在数据报网络中，每当一个端系统要发送分组，它就为该分组加上目的端系统的地址，然后将分组推进网络中。无需建立任何虚电路，路由器不维护任何虚电路的状态信息(因为没有虚电路)

路由器使用最长前缀匹配规则:即在该表中寻找最长的匹配项，并向与最长前缀匹配的相关联的链路转发该分组。

数据报网络在其转发表中维持了转发状态信息

因特网作为一种数据报网络，是将计算机连接在一起的需求发展而来

路由器

• 路由器的转发功能

一台路由器的输入端口、输出端口和交换结构共同实现了转发功能，并且总是由硬件实现，这些转发功能有时总称为路由转发平面 (转发平面以纳秒时间尺度运行)

• 路由选择功能
  路由器控制平面 通常由软件实现并在路由选择处理器上执行(通常是一种传统的CPU)

4个组成部分:

• 输入端口
• 交换结构
  • 经总线交换
  • 经内存交换
  • 经互联网络交换
• 输出端口
• 路由选择处理器

网际协议: 因特网中的转发和编址

因特网的网络层中三个主要组件:

• IP 协议
  • 编址规则
  • 数据报格式
  • 分组处理规则
• 路由选择部分
  • 路径选择
  • RIP、 OSPF、 BGP
• ICMP:互联网控制协议。报告数据包中的差错和对某些网络层信息请求进行响应的设施。
  • 差错报告
  • 路由器“信令”

数据报格式

IPv4 数据报格式:

IPv4数据报中的关键字段:

• 版本号: IPv4 和 IPv6
• 首部长度：Ipv4包含一些可变数量的选项（这些选项包含在IPv4数据报首部），故需要这4比特来确定IP数据报中数据部分实际从哪里开始。大部分IP数据报不包含选项。
• 服务类型。
• 数据报长度。这是IP数据报的总长度（首部加上数据），以字节计，该字段长为16比特，IP数据报理论长度最大长度是65535字节。
• 标识、标志、片偏移
• 寿命。寿命字段（Time-To-Live，TTL）用来确保数据报不会永远（如由于长时间的路由选择环路）在网络中循环。每当数据报由一台路由器处理时，该字段的值减1。若TTL字段减为0则该数据报必须丢弃。
• 协议。协议是在到大最终目的后，指示IP数据报的数据部分应交给哪个特定的运输协议。6表明数据部分交由TCP,17表明交给UDP。

协议号是将网络层和运输层绑定在一起的粘合剂

• 首部检验和。用于帮助路由器检测收到的IP数据报中的比特错误。
• 源和目的地址。
• 选项。在 IPv6 首部中已去掉了IP选项。
• 数据（有效载荷）

IP 数据报分片

发送方和目的地路径上的每段链路可能使用不同的链路层协议，且每种协议可能具有不同的MTU

最大传送单元（MTU）：一个链路层帧能承载的最大数据量

如何将过大的IP分组压缩进链路层帧的有效载荷字段？
将IP数据报中的数据分片成两个或更多个较小的IP数据报，用单独的链路层帧封装这些较小的IP数据报，然后向输出链路上发送这些帧。每个这些较小的数据报都称为 片 (fragment)。

为坚持网络内核保持简单的原则，IPv4的设计者决定将数据报的重新组装工作放在端系统中，而不是放在网络路由器中。

IPv4编址

IP地址长度是32比特，因此总共有$ 2^{32} $ 个可能的IP地址。（近似为40亿个可能IP地址）。

地址一般按所谓点分十进制记法书写

IP编址为子网分配一个地址。如:233.1.1.0/24。

• 其中/24记法，有时称为子网掩码,指示了32比特中最左侧24比特定义了子网地址。

因特网的地址分配策略被称为无类别域间路由选择(CIDR).
- $a.b.c.d/x$,其中 $x$ 指示了地址的第一部分中的比特数。地址的 $x$最高比特构成了IP地址的网络部分，并且经常被称为该地址的前缀，或者网络前缀。
- 地址剩余的 $32-x$比特可被认为是用于区别该组织内部设备的，其中所有设备具有相同的网络前缀。

动态主机配置协议(DHCP)**

动态主机配置协议又常被称为即插即用协议

DHCP协议的4个步骤:

1. DHCP服务器发现。
   • 一台新到的主机首要任务是发现一个要与其交互的DHCP服务器。通过DHCP发现报文来完成
2. DHCP服务器提供
3. DHCP请求
4. DHCP ACK

DHCP不足之处：　每当结点连到一个新子网时，要从DHCP的到一个新的IP地址，当一个移动结点在子网之间移动时，就不能维持与远程应用之间的TCP连接。

网络地址转换(NAT)

从本质上讲，NAT使能路由器对外界隐藏了家庭网络的细节。
如果从广域网到达NAT路由器的所有数据报都有相同的目的IP地址，那么该路由器怎么知道它应该将某个分组转发给哪个内部主机，就是使用在NAT路由器上的一张NAT转换表，并且在表项中包含了端口号及其IP地址。

因特网控制报文协议(ICMP)

ICMP最典型的用途是差错报告。
ICMP被主机和路由器用来彼此沟通网络层对信息。目的网络不可达错误报文的来源，就是ICMP。在某一个位置,IP路由器不能找到一条路径，以通往Telnet、FTP或HTTP应用所指定的主机。该路由器就会向你的主机创建和发送一个类型3的ICMP报文以指示该错误。
ICMP通常被认为是IP的一部分，和TCP和UDP一样。

类型	代码	名称
0	0	回应应答
3		目的地不可达
	0	网路不可达
	1	主机不可达
	2	协议不可达
	3	端口不可达
	4	需要分片和不需要分片标记置位
	5	源路由失败
	6	目的网络未知
	7	目的主机未知
	8	源主机被隔离
	9	与目的网络的通告被禁止
	10	目的主机的通信被禁止
	11	对请求的服务类型，目的网路不可达
	12	对请求的服务类型，目的主机不可达
4	0	源抑制（Source Quench）
5		重定向
	0	为网络（子网）重定向数据报
	1	为主机重定向数据报
	2	为网络和服务类型重定向数据报
	3	为主机和服务类型重定向数据报
6	0	选择主机地址
8	0	回应(请求)
9	0	路由器通告
10	0	路由器选择
11		超时
	0	传输中超出TTL
	1	超出分片重组时间
12		参数问题
	0	指定错误的指针
	1	缺少需要的选项
	2	错误长度
13	0	时间戳
14	0	时间戳回复
15	0	信息请求（废弃）
16	0	信息回复（废弃）
17	0	地址掩码请求
18	0	地址掩码回复
30		跟踪路由
31		数据报会话错误
32		移动主机重定向
33		IPv6你在哪里
34		IPv6我在这里
35		移动注册请求
36		移动注册回复

IPv6

IPv6数据报格式

IPv6数据报的格式

IPv6最重要的变化:

• 扩大的地址容量。IPv6将IP地址长度从32比特增加到128比特
• 简化高效的40字节首部。
• 流标签与优先级。

IPv6中定义的字段：

• 版本: 该4比特字段用于标识IP版本号。该字段值设为6。
• 流量类型
• 流标签。
• 有效载荷长度。
• 下一个首部。该字段标识数据报中的内容需要交付给哪个协议（如TCP和UDP）。该字段使用与IPv4首部中协议字段相同的值。
• 跳限制。经过的每台路由器对该字段内容减1，当到达0时将被丢弃。
• 源地址和目的地址。
• 数据

从IPv4到IPv6的迁移:

路由选择算法

• LS 链路状态算法
• DV 距离向量路由选择算法

因特网中的路由选择

因特网中自治系统内部的路由选择

• 路由选择信息协议 :RIP

RIP是一种距离向量协议。

RIP使用术语跳,跳是沿着从源路由器到目的子网（包括目的子网）的最短路径所经过的子网数量，

• 开放最短路优先 : OSPF

• 边界网关协议 : BGP

广播和多播路由选择