网络层

概述

网络层需要设计的尽量简单，向其上层提供简答灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务

网际协议IP

与 IP 协议配套使用的还有三个协议：

地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）
网际控制报文协议 ICMP（Internet Control Message Protocol）
网际组管理协议 IGMP（Internet Group Management Protocol）

虚拟互连网络

没有一种单一的网络能够满足所有用户的需求，所以不同的网络相互连接起来也需要使用中间设备，根据中间设备所在层次有下列几种：

物理层：转发器
数据链路层：网桥或桥接器，以及交换机
网络层：路由器
网络层以上：网关

由于参加互联的计算机网络都使用 IP 协议，可以把异构的物理网络连接起来，使得在网络层看起来好像是一个统一的网络

IP地址

IP地址是给连接到互联网上的每一台主机的每一个接口分配一个唯一的32位的标识符

分类

由两部分组成，网络号和主机号，其中不同分类具有不同的网络号长度，并且是固定的。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}

ABC三类地址都是单播地址（一对一通信)

无分类编址CIDR

CIDR将上图中的网络号改称为网格前缀，剩下部分部分仍然是主机号，不过网络前缀的位数为n不再是固定的长度，可以任意变换

IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}

CIDR 的记法上采用在 IP 地址后面加上网络前缀长度的方法，例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位为网络前缀

CIDR 的地址掩码可以继续称为子网掩码，子网掩码首 1 长度为网络前缀的长度，例如IP地址128.14.35.7/20的地址掩码就是11111111111111111111000000000000，而它的网络地址就是IP地址和地址掩码进行AND运算得出为128.14.32.0/20

CIDR将网络前缀相同的所有连续IP地址构成一个CIDR地址块，一个大的CIDR地址块中有很多地址，其表示的网络可以表示原来的多个网络，并且在路由表中只需要一个路由就可以代替原来的多个路由，减少了路由表项的数量。把这种通过使用网络前缀来减少路由表项的方式称为路由聚合，也称为 构成超网

特点

IP地址通过分级的地址结构降低了转发表所占的存储空间，缩短查找转发表的时间
按照互联网的观点，用转发器或交换机连接起来的若干个局域网因为拥有共同的网络前缀，同属一个网络
互联网平等对待每一个IP地址

IP地址与MAC地址

IP地址是一种由软件实现的网络层及以上层的逻辑地址，而MAC地址是数据链路层使用的地址

IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报
路由器只能根据目的站的IP地址进行转发
在局域网链路层中只能看见MAC帧
IP层抽象的互联网通过屏蔽下层的细节来研究主机和主机或路由器之间的通信

地址解析协议ARP

网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中，IP 数据报的源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变，ARP协议解决的实际问题就是通过一个机器的IP地址找到其对应的MAC地址

每一台主机设有一个ARP高速缓存，里面存有本局域网的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表

如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址，但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射，此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组，主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址，随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射

ARP还会对每一个映射设置生存时间，用来保证当某一台机器忽然更改MAC地址后就再也无法通信的情况不会发生

IP数据报格式

版本 : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）两个值
首部长度 : 占 4 位，因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度，也就是 4 字节。因为固定部分长度为 20 字节，因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充
区分服务 : 用来获得更好的服务，一般情况下不使用
总长度 : 包括首部长度和数据部分长度
标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符
标志：占3位，标志字段中最低位为1表示后面还有分片，中间一位为1表示不能分片
片偏移 : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节
生存时间 ：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报
协议：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等
首部检验和 ：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量
源地址：占32位，发送IP数据报的主机的IP地址
目的地址：占32位，接受IP数据报的主机的IP地址

网际控制报文协议ICMP

ICMP 是为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会。它封装在 IP 数据报中，但是不属于高层协议

ICMP 报文分为差错报告报文和询问报文

终点不可达：路由器或主机不能交付数据报时向源点发送
时间超过：收到生存时间为零的数据报时，除了丢弃数据报也要发送报文
参数问题：首部中有的字段的值不正确时丢弃数据报并发送报文
改变路由：重定向，让主机下次更改别的路由发送
回送：用于测试目的站是否可达并了解其状况
时间戳：计算当前网络的往返时延

Ping

Ping 是 ICMP 的一个重要应用，主要用来测试两台主机之间的连通性。

Ping 的原理是通过向目的主机发送 ICMP Echo 请求报文，目的主机收到之后会发送 Echo 回答报文。Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率

Traceroute

Traceroute 是 ICMP 的另一个应用，用来跟踪一个分组从源点到终点的路径

Traceroute 发送的 IP 数据报封装的是无法交付的 UDP 用户数据报，并由目的主机发送终点不可达差错报告报文

源主机向目的主机发送一连串的 IP 数据报。第一个数据报 P1 的生存时间 TTL 设置为 1，当 P1 到达路径上的第一个路由器 R1 时，R1 收下它并把 TTL 减 1，此时 TTL 等于 0，R1 就把 P1 丢弃，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报告报文
源主机接着发送第二个数据报 P2，并把 TTL 设置为 2。P2 先到达 R1，R1 收下后把 TTL 减 1 再转发给 R2，R2 收下后也把 TTL 减 1，由于此时 TTL 等于 0，R2 就丢弃 P2，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报文
不断执行这样的步骤，直到最后一个数据报刚刚到达目的主机，主机不转发数据报，也不把 TTL 值减 1。但是因为数据报封装的是无法交付的 UDP，因此目的主机要向源主机发送 ICMP 终点不可达差错报告报文
之后源主机知道了到达目的主机所经过的路由器 IP 地址以及到达每个路由器的往返时间

路由选择协议

路由选择协议都是自适应的，能随着网络通信量和拓扑结构的变化而自适应地进行调整。

互联网可以划分为许多较小的自治系统 AS，一个 AS 可以使用一种和别的 AS 不同的路由选择协议。

可以把路由选择协议划分为两大类：

内部网关协议：在同一个自治系统内部使用，RIP协议和OSPF协议
外部网关协议：在不同自治系统中使用，BGP协议

内部网关协议RIP

RIP 是一种基于距离向量的路由选择协议。距离是指跳数，直接相连的路由器跳数为 1。跳数最多为 15，超过 15 表示不可达。

RIP 按固定的时间间隔仅和相邻路由器交换自己的路由表，经过若干次交换之后，所有路由器最终会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器地址。

距离向量算法：

对地址为 X 的相邻路由器发来的 RIP 报文，先修改报文中的所有项目，把下一跳字段中的地址改为 X，并把所有的距离字段加 1
对修改后的 RIP 报文中的每一个项目，进行以下步骤：
若原来的路由表中没有目的网络 N，则把该项目添加到路由表中
否则：若下一跳路由器地址是 X，则把收到的项目替换原来路由表中的项目；否则：若收到的项目中的距离 d 小于路由表中的距离，则进行更新（例如原始路由表项为 Net2, 5, P，新表项为 Net2, 4, X，则更新）；否则什么也不做
若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把该相邻路由器标为不可达，即把距离置为 16

RIP 协议实现简单，开销小。但是 RIP 能使用的最大距离为 15，限制了网络的规模。并且当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此消息传送到所有路由器

内部网关协议OSPF

开放最短路径优先 OSPF，是为了克服 RIP 的缺点而开发出来的，开放表示 OSPF 不受某一家厂商控制，而是公开发表的；最短路径优先表示使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF，但不代表别的路由选择协议不是最短路径优先

OSPF最主要的特征就是使用链路状态，其特点是：

向本自治系统中的所有路由器发送信息，这种方法是洪泛法
发送的信息就是与相邻路由器的链路状态，链路状态包括与哪些路由器相连以及链路的度量，度量用费用、距离、时延、带宽等来表示
只有当链路状态发生变化时或每隔一段时间，路由器会发送链路状态信息

所有路由器都具有全网的拓扑结构图，并且是一致的。相比于 RIP，OSPF 的更新过程收敛的很快

外部网关协议BGP

BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）

AS 之间的路由选择很困难，主要是由于：

互联网规模很大；
各个 AS 内部使用不同的路由选择协议，无法准确定义路径的度量；
AS 之间的路由选择必须考虑有关的策略，比如有些 AS 不愿意让其它 AS 经过。

BGP 只能寻找一条比较好的路由，而不是最佳路由

每个 AS 都必须配置 BGP 发言人，通过在两个相邻 BGP 发言人之间建立 TCP 连接来交换路由信息

虚拟专用网VPN

由于 IP 地址的紧缺，一个机构能申请到的 IP 地址数往往远小于本机构所拥有的主机数。并且一个机构并不需要把所有的主机接入到外部的互联网中，机构内的计算机可以使用仅在本机构有效的 IP 地址（专用地址）

有三个专用地址块：

10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

VPN 使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。专用指机构内的主机只与本机构内的其它主机通信；虚拟指好像是，而实际上并不是，它有经过公用的互联网

下图中，场所 A 和 B 的通信经过互联网，如果场所 A 的主机 X 要和另一个场所 B 的主机 Y 通信，IP 数据报的源地址是 10.1.0.1，目的地址是 10.2.0.3。数据报先发送到与互联网相连的路由器 R1，R1 对内部数据进行加密，然后重新加上数据报的首部，源地址是路由器 R1 的全球地址 125.1.2.3，目的地址是路由器 R2 的全球地址 194.4.5.6。路由器 R2 收到数据报后将数据部分进行解密，恢复原来的数据报，此时目的地址为 10.2.0.3，就交付给 Y

网络地址转换NAT

专用网内部的主机使用本地 IP 地址又想和互联网上的主机通信时，可以使用 NAT 来将本地 IP 转换为全球 IP

在以前，NAT 将本地 IP 和全球 IP 一一对应，这种方式下拥有 n 个全球 IP 地址的专用网内最多只可以同时有 n 台主机接入互联网。为了更有效地利用全球 IP 地址，现在常用的 NAT 转换表把传输层的端口号也用上了，使得多个专用网内部的主机共用一个全球 IP 地址。使用端口号的 NAT 也叫做网络地址与端口转换 NAPT

IP转发分组过程

从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D，得到目的网络地址 N。
若 N 就是与此路由器直接相连的某个网络地址，则进行直接交付；
若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数据报传送给表中所指明的下一跳路由器；
若路由表中有到达网络 N 的路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；
若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；
报告转发分组出错

其中路由器转发是会按照最长前缀匹配原则，缩短转发表查找时间则是依据二叉线索树进行匹配

路由器结构

路由器从功能上可以划分为：路由选择和分组转发

分组转发结构由三个部分组成：交换结构、一组输入端口和一组输出端口

概述