网络层

网络层

任务：找到一条网络路径，将源端产生的数据（分组）发送到目的端

• 数据报网络：无连接，具有抗毁性

• 虚电路网络：有连接，在发包之前建立连接

IP地址

• 用于表示源机和目的机

• 32位二进制表示，一般用点分十进制表示，八位对应一个十进制

• 具有层次结构，如131.1.1.1包含在131.1.1.0网络中

• 网络部分+主机部分

  • 网络地址：主机部分全为0的IP地址
  • 广播地址：主机部分全为1的IP地址

特殊IP

• 0.0.0.0：路由器指定的默认路由，表示这台主机、这个网络
• 255.255.255.255：泛洪广播地址，代表所有机器
• 127.0.0.0：环回地址
  • 127.0.0.1：本机地址 localhost
• 169.254.0.0：非正常地址，不能正常通信

子网规划

子网规模不断扩大，需要对子网做进一步的划分

一个网络被划分成多个子网，但是在外界看来，该网络仍被堪称一个整体（及外部的路由器只对应一条路由）

• 网络地址变成：网络-子网-主机

• 通过边界路由器统一与外部联系，路由器使用子网掩码，将数据包送到合适的子网中

  • 路由器执行按位与（目的IP和子网掩码），来确定目的网络的地址，即路由表的查找入口；即网络位保持，主机位置零
  • 点分十进制 255.255.255.0；网络位数全为1，主机位数全为0
  • /网络位数 /24

• 需要综合考虑子网数和主机数来进行子网规划

IP寻址

根据目的IP地址，找到目的网络；中间媒介为路由器+MAC寻址

• IP寻址：找到目的机所在的网络，是服务上提供的

• MAC寻址：定位到目的机，即网卡物理地址，48位 IP地址与MAC地址

• 路由器处理过程：解封装得到目的IP，查找路由表，重新封装并转发

IP分组

IP分组的报文字段分析

• 源IP和目的IP
• TTL生存时间：每转发一次递减1，递减到0时则丢弃，防止无限循环
• 用户协议：UDP或TCP

通过报文抓取工具，如WireShark工具抓取和分析报文

IPv6

IPv6地址

• 128位二进制表示，2000:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff / 64；/64表示网络前缀
• 用冒分十六进制表示，八个十六位组，每个十六位组传换成4位十六进制数表示
• 通过省略前导0或者忽略全0进一步简化（双 ::）
• 链路本地地址

IPv6分组

• 分组头部
• 扩展头部
• 载荷

IPv6过渡技术

• 双协议栈：同时支持IPv4和IPv6
• 隧道技术：将IPv6分组当成数据封装在IPv4数据报中，被IPv4网络传输
• 地址转换技术：通过NAT进行地址转换

路由

• 直连路由：路由器上直接连接的子网
• 静态路由：手动配置的路由
• 动态路由：由路由选择协议动态维护的路由，选择最优路径；大都为动态路由
• 最优路径：路径长度、带宽、延迟、负载、可靠性等

路由协议分为：距离适量路由选择 DV；链路状态路由选择 LS

距离矢量路由选择协议 DV

维护、交换、更新；

维护两个向量D和S，分别表示该路由到所有其他路由的距离以及相应的下一跳；在相邻路由器之间交换向量信息；收到信息后更新自己的路由表

• 路由信息协议 RIP
  • 采用跳数作为量度
  • 量度超过15跳，则认为目的网络不可达
  • 默认30秒交换一次信息
  • 缺点：收敛慢，计数到无穷

链路状态选择路由选择 LS

• 发现：发现邻居节点
• 设置：到每个邻居的成本度量
• 构造：一个分组LSP/LSA，包含以上了解到的信息
• 发送：这个分组发给其他的路由器
• 计算：基于完整的网络图，计算每个目标的最短路径

单区域OSPF

To do

无类域间路由 CIDR

To do

网络地址转换器 NAT

• 用于解决IP地址枯竭的问题

• 私人地址转换成IP地址，因为私人地址不唯一

互联网控制消息协议 ICMP

IP分组传送不可靠，可能会丢包、拥塞；ICMP用来向源机报告这些问题，也用来测试网络

将ICMP消息封装在IP数据段里

• ping：源向目的站点发送ICMP回声请求报文，然后目的站点回复一个ICMP回声应答报文
• tracert：向源发送TTL递增的ICMP报文，用于分析源和目标之间每一跳的IP地址
• PMTU：分析网络的最大传输单元

地址解析协议 ARP

在局域网中，将目标机的IP地址映射到MAC地址上

• 发送ARP请求，只有目的IP机回复MAC地址
• 若目的机不在同一子网，则使用路由器的服务进行数据传输

拥塞控制

To do

流量整形

To do