计网-U4 网络层

4.1 网络层的功能（16）

4.2 IPv4（300）

4.3 IPv6（36）

4.4 路由算法与路由协议（240）

4.5 IP多播（18）

4.6 移动IP（26）

4.7 网络层设备（20）

前言

4.1 网络层的功能

〇

OSI参考模型主张在网络层使用：面向连接的虚电路服务

TCP/IP体系结构的网络层提供的是：无连接的数据报服务

即通信的可靠性由高一级的传输层负责。

这样子可以使得网络中的路由器做得简单，价格低廉。

① 异构网络互连

网络互连：用中继系统对网络进行互连。

异构网络互连：对物理层 / 数据链路层 / 网络层不同的网络进行互连。

中继系统：

物理层中继系统：转发器，集线器
数据链路层中继系统：网桥或交换机
网络层中继系统：路由器
网络层以上的中继系统：网关

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② 路由与转发

路由表的核心功能：==路由选择== 和 ==分组转发==

③ 网络层提供的两种服务

虚电路：

在网络层建立一条逻辑链接（而非物理链接，所以也无需分配带宽）
虚电路建立 – 数据传输 – 虚电路释放
仅在建立节点使用完整的源地址目的地址，之后分组的首部只需要携带虚电路号
虚电路也需要路由选择的，只不过是同一个虚电路的分组按照同一个路由器转发。
虚电路的“虚”：链路不是专用的，可被多条虚电路共享（不是共用，是虚路共享，不会有冲突）
虚电路分为：永久性虚电路，交换型虚电路（临时连接）

数据报：

发送分组前无需连接。
分组仅占用当前链路的资源。

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④ SDN（Sofeware Define Network）

传统的网络层：

数据平面：负责分组转发
控制平面：负责路由选择

SDN网络架构的网络层：

网络的控制功能由：一个远程控制器完成（实现路由选择，由一个远程的服务器来计算和分发流表给网络设备）
路由器仅保留数据平面的功能（分组转发）
原先的转发表 → 流表（SDN的转发表）
控制协议：OpenFlow

SDN还提供的编程接口：（可编程）

北向接口：向上层开发者提供标准化API
南向接口：实现控制平面和数据平面的双向通信（通过OpenFlow协议）
东西向接口：用于控制器集群的内部通信

SDN的优点：①集中控制与分布转发。②灵活可编程性。

SDN的缺点：①安全风险。②性能瓶颈

4.2 IPv4

① IPv4分组

协议字段：网络协议IP

版本字段：v4，v6

网际层的协议有：IP协议，ARP协议，ICMP协议

IP数据报（IP分组）的格式

==首部 / (IP分组头)==（固定部分20bit+可变部分0-40bit） + ==数据部分==

==① 首部固定部分的第一行==

【版本+首部长度+区分服务+总长度(指的是整个IP数据报的总长度)】

版本：IP协议的版本（4或6）
总长度：占16bit，所以IP数据报的最大长度是2^16 -1=65535B
- 因为以太网MTU=1500B，所以实际上在以太网中最大1480B（20B是首部）
IP数据报首部包含3个与长度有关的字段：首部长度，总长度，片偏移。它们的基本单位分别为4B,1B,8B。

==② 首部固定部分的第二行==

（发送方）分片

实际传输过程中，“数据部分”的长度会受到下一段链路的最短/最长帧长限制，46-1500。

MTU：一个链路层数据帧承载的最大数据量称为最大传送单元MTU。eg 以太网的MTU=1500
所以：如果一个IP数据报的总长度超出了下一段链路的MTU，就需要分片。
分片：分片收到标志字段控制：
- DF=0，表示数据报允许被分片
- MF=0，表示这是最后一个分片
- 除了最后一个分片外，其余分片长度必须是8B的整数倍。
分片发生在：源主机，或者任何一个路由器
重组发生在：目的主机

（接收方）分片整理

目的主机接收到的分片可能是乱序的，需要整理排序（**==通过“标识”，“标志”，“片偏移”字段==**）

只有目的主机才能对分片重组（路由器不行）
因为首部的 “片偏移” 字段是以 8B 为单位，因此，*除了最后一个分片外，其他每个分片的数据部分必须是8B的整数倍。

==③ 首部固定部分的第三行==

生存时间TTL：IP数据报的生存时间TTL。每经过一个路由器，TTL-1。

如果TTL=0，就丢弃分组，并向源主机发送ICMP报文！

首部检验和：每个路由器仅校验首部，不校验数据部分。

首部固定部分的第四五行

IP地址：源地址，目的地址（见下节）

回顾

② IP地址

==32位（bit）【=网络号+主机号】==

（为方便阅读）==用十进制表示为4个部分，每个部分表示8bit。==

（IP地址资源由ICANN进行有偿分配，32位的地址最多可以分配2^32个。）

1. 最初的IP地址分类/编写方案

==网络号不定长，但【前面的数字+网络号】定长为8位==

A类（1-126）

（前八位可表示的：网络号数量是2^7-2=126，减了全0(DHCP特殊用途)和127的情况）（区别：主机号-2才是因为全0和全1）
前面8bit，主机号32-8bit

B类（128-191）

（前八位可表示的：网络号数量是2^6=64）（从128开始而不是127，全1的127是另外的情况）
前面16bit，主机号32-16bit

C类（192-223）

（前八位可表示的：网络号数量是2^5=32）
前面24bit，后面32-24bit

D类（224-239）

（前八位可表示的：网络号数量是2^4=16）
多播地址

E类（240-255）

（前八位可表示的：网络号数量是2^3=8）（
（0到7一共八位是编码范围，8是主机号的编码开始，所以网络号一共有2^8-2种编码）

网络类别	最大可用网络数	第一个可用网络号	最后一个可用网络号	每个网络中的最大主机数
A	2^7-2?	1	126	2^24 - 2?
B	2^14?	128.0	191.255	2^16 - 2?
C	2^21?	192.0.0	223.255.255	2^8 - 2?

重点内容：

① 在那个年代，要求每台主机，每个路由器接口被分配的IP地址都是全球唯一的。
② 路由器和路由器连接的接口可以不分配IP地址，但==路由器和主机节点连接的接口== 必须分配IP地址。
③ 从属于==同一个网络的所有主机，路由器接口的IP地址 “网络号” 都相同。==
④ 当一台新主机接入网络时，需要给分配一个IP地址，并配置 ==“默认网关”== 。

多播，单播，==广播地址==：

单播地址分配给一个主机，
多播地址分配给一组（就像是qq号和qq群号的关系），
广播地址，主机号全1。

其他：

IP地址表示的是主机号，而不是主机本身。
IP地址是逻辑地址，与硬件地址（MAC地址）无关。

2. IP地址传输过程

通过根据默认网关的地址 + ARP协议可以查询到数据链路层的MAC地址，

在数据链路层，有了MAC地址就可以把数据传输到下一个路由器/交换机/。

⭐3. 一些特殊用途的IP地址

Nbit主机号，最多支持2^N -2台主机/路由器

Nbit子网号，最多支持2^N个子网

③ 子网划分，子网掩码

画图训练

a.子网划分

==主机号分成：子网号+主机号==

（like一个学校多个校区，一个校区一个子网）

b.子网掩码

前提：网络号和子网号完全相同的IP地址才属于**==同一个(子)网络==**

子网掩码和 IP地址（自己的/对面的） **==相与==**（与运算：1 1→1，别的都是0），

得到：网络号+子网号（call：网络前缀）

子网掩码的另一种记法

（17的意思是前面17个比特全1，后面的全0）

（这种方法一看就知道使用了子网掩码）

c.默认子网掩码和默认路由

默认子网掩码

如果一个网络（ABC类）内部还没有进行子网划分，那么可以将对应此网络的转发表项设置为 “默认子网掩码”

A类默认 255.0.0.0
B类默认 255.255.0.0
C类默认 255.255.255.0

默认路由

目的网络号全0，子网掩码全0。
路由器没找到别的转发口时，也肯定在（转发往上一级的）默认路由器转发出去的。

⭐回顾

⭐总结：主机发送 IP数据报过程

① 判断目的主机和本机是否属于同一个网络。
- A.检查本机IP地址和目的IP地址的网络前缀是否相同（通过IP地址和本机子网掩码 “逐位与”）
- B.若网络前缀相同，说明目的主机和本机属于同一个网络。若网络前缀不同，说明不属于同一网络。
② 将IP数据报封装成MAC帧并发送到链路上。
- A.如果目的主机与本机属于同一个网络，就通过ARP协议找到目的主机的MAC地址，再将IP数据报封装成帧，并将帧发送给目的主机。（帧→默认网关→……→目的主机）
- B.如果目的主机与本机不属于同一个网络，就通过ARP协议找到默认网关的MAC地址，再将IP数据报封装成帧，并将帧发送给网关。（帧→目的主机

⭐总结：路由器转发 IP数据报过程

① 路由器的某一个接口收到IP数据报。（路由器收到帧，把首部尾部的控制信息拆除，得到IP数据报内容，交给路由器的网络层）
② 对IP数据报首部进行校验，并从中找到目的IP地址。
③ 查 “转发表”
- 转发表的表项包含 <目的网络号，子网掩码，转发接口>
- 检查目的IP地址与每个表项能否匹配（通过目的IP地址，子网掩码的逐位与，匹配表项中的目的网络号），从而找到转发接口。
- 注：至少 “默认路由” 表项是一定可以匹配成功的。
④ 转发
- 根据查转发表的结果，将IP数据报从匹配的接口转发出去。
- 注：如果匹配的“转发接口”和该IP数据报的入口相同（即属于同一个局域网），就不用再把IP数据报转发出去。

④ CIDR（无分类编址）

为什么要提出CIDR：互联网在民用领域受到欢迎，由于每台主机都至少要消耗一个全球唯一的IP地址，IP地址资源越来越少

传统的IP地址的缺陷

C类地址：网络号长，主机号短。一个IP地址可供给使用的主机少（不适合给大单位使用）

A类地址：网络号短，主机号长。一个IP地址可供多个主机使用（可以给大单位使用，但是容易造成浪费。）（有限的IP地址资源会很快耗尽）

无分类编址CIDR

==网络前缀（的子网部分），可变长！==

不再区分网络类别，用网络前缀表示网络部分。

定长子网，变长子网

一个单位获得CIDR地址块后，可以再划分多个子网。

定长子网划分：nbit主机号前面用kbit作为子网号。
- 缺点：每个子网都一样大，不够灵活，浪费IP地址资源。（比如不同学校校区主机数不一样多）
变长子网划分：子网号长度不固定→每个子网包含的IP地址块大小不同。

⭐

例题

回顾

⑤ 路由聚合

配套CIDR的东西

路由聚合（构成超网）

将几条路由表项聚合成一条，（原本记录ALL下一层表项的子网IP地址），只记录一个下层路由器的IP地址就行。（因为转发接口，网络前缀相同）
优点：提高转发表查询速度
缺点：路由聚合可能会引入额外的无效地址（在终点路由器才能被发现）

==最长前缀匹配原则==

when大局域网和小局域网不止一个接口。

从拥有最长网络前缀匹配长度的接口转发出去。

优先级：特定主机路由（前缀32位）＞普通路由器＞默认路由器（前缀长度为0）

⭐主机发送IP数据过程

使用了CIDR和路由聚合后，和之前完全相同

⭐路由器转发一个IP数据报的过程

（使用了CIDR和路由聚合后），查转发表的部分稍有改变：当IP地址匹配多个表项时，选取匹配长度最长的。

⭐过程再模拟

⑥ NAT 网络地址转换

端口号

主机内部进程和进程之间的接口。

进程和进程之间的通信：IP地址 + 端口号

NAT：进一步缓解IP地址不够用的问题

如果==每台主机一个IP地址==：2^32≈32亿，显然不够用

如果==一个局域网一个IP地址 + 一个端口号==（实现定位）：好像可以

原来的IP地址：**==外网IP==**（全球IP地址）

私有IP地址：**==内网IP==**（只要求局域网唯一，不要求全球唯一）（分配给局域网内部的节点）

三个私有IP地址块：

10.0.0.0/8（相当于1个A类网络）
172.16.0.0/12（相当于16个连续的B类网络）
192.168.0.0/16（相当于256个连续的C类网络

注：所有路由器对目的地址为私有地址的数据报一律不转发（所以目的地址得填公共IP）

NAT路由器（普通的路由器仅包含网络层及以下的功能，不包括传输层的功能）

转发IP数据报时，进行内网IP和端口号、外围IP和端口号的相互转换
NAT表记录的信息：<内网IP：端口号 | 外围IP：端口号>
- 【传输数据：IP首部（内含源/目标IP），TCP首部（内含源/目标端口），数据部分】

回顾

⑦ ARP 地址解析协议

（当主机需要发送信息，但ARP表没有目的IP与MAC地址的映射关系时）

==在一个局域网的内部，==

==查询一个IP地址对应的 MAC地址==

回顾

MAC地址（48bit），是网络适配器出厂时分配好的，全球唯一
一台主机至少有一个网络适配器（网卡），因此主机至少有一个MAC地址
一台路由器有多个转发接口，每一个接口背后都是一个网卡，因此网络适配器有多个MAC地址。

==ARP表==

记录 <IP地址，MAC地址> 之间的映射关系
ARP响应后，双方都可以把对面的 IP地址和MAC地址记录在APR表。
需要定期更新（表项有保质期，超时删除表项）

==ARP过程==

①ARP请求分组

内容：我是谁（自己的IP地址，MAC地址），我想找谁（对方的IP地址）
把 APR请求分组封装进自己的MAC帧（帧目的地址全1，源地址=Y）（所有接口都收得到）【广播帧】

②ARP响应分组

内容：我的IP地址是Z，我的MAC地址是V
把 ARP响应分组封装进自己的MAC帧（帧目的地址=Y，源地址=V）【单播帧】（碰到集线器就不算单播了哈哈哈）

拓展

⑧ DHCP 动态主机配置协议

提供了即插即用的联网机制

==给刚接入网络的主机动态分配IP地址，配置默认网关，子网掩码==

DHCP是应用层协议！

DHCP服务器

DHCP服务器的IP地址和子网的路由器IP地址相同

DHCP服务器负责管理子网内的所有IP地址。

新主机连进局域网，会请求DHCP服务器分配【IP地址，配置默认网关，子网掩码】给自己。

①DISCOVER：其他主机能够接收，到达主机传输层看到目的端口号，才发现不匹配，丢弃。

②OFFER：DHCP服务器 OFFER 一个IP地址给新主机【MAC帧是单播帧，精准到达新主机】

③REQUEST：新主机告诉服务器我接受IP地址（此时还没有IP地址）

因为大型网络可能有多台服务器，多台服务器都进行第②步。所以新节点MAC帧需广播所有人，我最终选用的是服务器的IP地址。

DHCP服务器分配给DHCP客户的IP地址是临时的

是一段租用期
租用期超过50%，DHCP客户发送DHCP请求报文（单播），请求更新租用期
租用期超过87.5%，DHCP客户发送DHCP请求报文（广播），请求更新租用期

回顾

⑨ ICMP 网际控制层协议

ICMP属于网络层，ICMP报文封装在IP数据报中。

==让主机和路由器互相报告网络中发生的差错和异常情况==

ICMP报文的常见类型

a.差错报告报文

终点不可达
- 路由器告诉发送方：目的IP地址不可到达
- 目的主机告诉发送方：目的端口号不存在
时间超过
- 路由器告诉发送方：IP数据报的TTL=0，被丢弃
- 目的主机告诉发送方：IP数据报被分片了，规定时间没到齐，被丢弃
参数问题
- 告诉发送方：IP数据报首部不合法或者首部校验出错
改变路由（重定向）
- 路由器告诉发送方：下次用另一台路由器转发，路径更短

b.询问报文

回送请求(Echo Request)：A→B：在吗？回答我！
回送回答(Echo Reply)：B→A：在！
时间戳请求：A→B：我这边现在的时间是xxx，你那边现在几点了？
时间戳回答：B→A：我收到请求的时间是yyy，我发出回答的时间是zzz
（eg电脑开机自动校准时间）

不用反馈ICMP差错报告报文的情况

若携带ICMP差错报告报文的IP数据报出错，不再反馈ICMP差错
若IP数据报被分片，则无论几个分片出错，都只反馈一次ICMP差错
若IP数据报的目的地址为多播地址，不反馈ICMP差错
若IP数据报的源地址为特殊地址（如 127.x.x.x，0.0.0.0），即使发生IP数据报异常也不反馈ICMP差错

ICMP经典应用

分组网间探测ping 基于回送请求报文，回送回答报文实现功能
路由跟踪traceroute（tracert）基于时间超过报文实现功能

⑩ 其他

每经过一个路由器时候，MAC源地址目的地址都会重新封装/改变，但是目的IP地址不变。

子网重叠：就是A地址是C地址的子网，A地址重叠了C地址的网络前缀。或者是有交集。

子网的判断重叠，子网划分的题：画图⭐

若一台主机有两个或两个以上的IP地址，说明这台主机属于两个或两个以上的网络。（eg：WiFi+宽带）

在一条点对点链路中，只需要两个主机IP地址，一个网络地址，和一个广播地址的4种组合，主机号只需2位。（子网掩码应设定为255.255.255.254）

4.3 IPv6

真正解决了IP地址资源问题

IPv4地址：32位

IPv6地址：128位

如何表示这么多位的IPv6地址？

IPv4：点分十进制记法：8bit为一段，一共4段。

IPv6：冒号十六进制记法：16bit为一段，段间以冒号分割，一共8个段。（所以一共有32个十六进制数）

压缩记法：
① 去除每一个分段的前导0。
② 双冒号替代连续出现的多个0（一个地址只能用一次）

IPv6地址资源分配

nbit前缀 + 128-n bit接口标识符

IPv6支持即插即用（IP地址自动配置）（通常把主机主机自身48位AMC地址作为接口标识符，唯一）（IPv4不支持即插即用）

IPv6可以不使用DHCP，也可以使用，安全性高。

IPv6地址的分类

任播地址：任播的终点是一组计算机，但数据报只会交付其中的一台计算机，通常是距离最近的一台计算机。（eg多个DNS服务器共享一个任播地址）

地址类型：

① 未指明地址，
② 环回地址，
③ 多播地址，这类地址占IPv6的1/256
④ 本地链路单播地址，
⑤ 全球单播地址

回顾

IPv6的特点：

地址空间大：为IPv4的2^96倍
可划分多个层次
支持即插即用
IPv6只有源主机才能分片（路由器不行）
IPv6首部长度固定40B
减少了首部字段数量，仅有8个字段
取消了首部检验和字段，不提供差错检验（传输层提供）
首部格式灵活，有可选的扩展首部
改进的选项放在有效载荷（有效数据）中。而IPv4将其放在首部的可变部分中。
允许协议继续扩充
支持资源的预分配
增加了安全性，身份鉴别由扩展首部提供。

IPv6数据报的基本首部

IPv6数据报由 ==基本首部== 和 ==有效载荷== 组成。

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有效载荷长度：类似IPv4的“总长度”，也是16bit。

下一个首部：类似IPv4的协议字段。

跳数限制：类似IPv4的TTL。

（通信量类：区分不同IPv6数据报的类别或者优先级

（流编号：用于实时视频传输等，保证传输质量。

从IPv4向IPv6过渡

双协议栈：一台主机同时安装IPv4和IPv6两个协议栈，分别配置一个IPv4地址和一个IPv6地址。

隧道技术：当IPv6数据报需要接入IPv4网络时，将其封装为IPv4数据报的数据部分，使原IPv6数据报如同在IPv4网络的隧道传输。

4.4 路由算法和路由协议

① 路由算法

1. 路由算法和路由协议之间的关系

==路由协议==（规定路由器之间如何通信，以获取路由算法所需的信息）

→输入进==路由算法==（目标：找到转发IP分组（源路由器到目的路由器）的最短路径）

→生成==路由表==（得到最佳转发路径）

2. 路由算法的分类

① 静态路由算法：手工配置每一条路由（只适合小型网络）

② ss动态路由算法：路由器根据网络流量负载和拓朴结构来动态调整自身的路由表

距离-向量路由算法（RIP协议基于此算法），
链路状态路由算法（OSFP协议基于此算法），
路径-向量路由算法（BGP协议基于此算法）（op）

a.距离-向量路由算法

算法特点：不必了解完整的网络拓扑结构，

只需要关注：你到相邻的节点，相邻节点到目的节点之间的最短距离，

最后使用Ford算法算出最短路径。

X到net1的距离：min{ X和邻居之间的距离 + Vi到net1的最短距离 }

向量：如果有多个网络，就有到多个目的网络的多个最短距离/向量。

b.链路状态路由算法

算法特点：让路由器弄明白完整的网络拓扑结构，就可以使用Djsk算法，找到最短路径。

回顾

② 分层次的路由协议

思考：RIP,OSPF是否适用全世界范围的路由器？

RIP路由协议（基于距离向量路由算法），网络数量越多，距离向量越大。

OSPF路由协议（基于链路状态路由算法），要求每一台路由器都要建立整个网络的拓扑图

将全世界的网络划分为多个相互独立的自治系统AS。（唯一的编号ASN）

AS的管理单位有权决定在本AS内，使用何种内部路由协议（RIP,OSPF..)

每一个AS至少有一台AS边界路由器，与其他AS相连。

各个边界路由器之间，使用统一的外部路由协议。

AS之间的路由选择也称域间路由选择，AS内部的路由选择称为域内路由选择。

一个AS通常包含一个或多个CIDR地址块。

路由协议分为：

内部网关协议 IGP（内部路由协议）：用于AS内部的路由选择（如RIP,OSPF）
外部网关协议 EGP（外部路由协议）：用于AS之间的路由选择（如BGP）

回顾

③ RIP 路由信息协议

RIP属于应用层，它使用UDP传送数据（端口520）

RIP协议在协议栈中的位置

RIP的规定

RIP定义路径长度：

①RIP使用跳数/距离来衡量到达目的网络的距离。（越少越好）

注：规定路由器到直连网络的距离为1。

②RIP合法路径距离≤15。（可见RIP只适合小型自治系统）

RIP定义路由器格式：

①每一个路由器都要维护自己的路由表。

路由表项：<目的网络N，距离d，下一条路由器地址X>

②每一个路由器都要维护它自身到其他每个目的网络的距离记录，即距离向量。

运行RIP的路由器之间如何交换必要信息？

who：直接相邻的路由器

what：发送自己的完整路由表（就是距离向量）

when：固定时间间隔（30s）

（为了加快逐步生成的路由表，可以引入触发更新：当路由器路由表发送变化时，迅速把自己的路由表发送给邻居）

RIP的工作过程示例1（从路由器启动到收敛）

此处规定使用的协议是RIP协议

RIP的工作过程

初始：各路由器同时开机，构建初始路由表

路由器刚开始工作时，只知道自己到直接相连的几个网络的距离为1

0时刻：各路由器向邻居发送RIP报文（包含完整路由表），之后更新自己的路由信息

根据收到别的路由器的报文，修改并更新自己的路由表
让：发来的路由表距离都+1，目的地址改为发送方X

30时刻：各路由器向邻居发送RIP报文（包含完整路由表），更新自己的路由器信息

如果原来的路由表已经有目的网络N了，且下一跳路由器地址是X：替换原来。**==（老路径以最新的为准）==**
如果原来的路由表已经有目的网络N了，且下一跳路由器地址不是X：
- 如果收到的距离更小，就进行更新，反之不更新**==（如果新路径更短，就更新）==**
- 如果距离一样，同时写入（实现负载均衡转发）