计算机网络 —— 网络层

写在前面：网络层相比物理层和数据链路层的知识点更多并且重要，在网上搜索了一些博客的笔记，感觉做的侧重点太强，并且不是很全面。这里参考了一下亚东大佬的blog（附上链接）并自己进行了一些补充。由于前三章的笔记都写在备忘录里，有时间也更新到博客里来。

目录

• 1.网络层提供的两种服务
• 2.虚拟互联网
• 3.网络层的 IP 协议及配套协议
  • 3.1 IP协议
    • 3.1.1 IP 地址的编址方法
    • 3.1.2 IP数据报
  • 3.2 ARP协议
  • 3.3 ICMP协议
  • 3.4 互联网的路由选择协议
  • 3.5 IPv6
  • 3.6 IGMP协议
• 4.虚拟专用网络 VPN

1.网络层提供的两种服务

虚电路服务（面向连接）和数据报服务（无连接）

虚电路服务：

• 可靠通信应当由网络来保证

• 每个分组使用短的虚电路号

• 属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发

• 所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作

• 分组总是按发送顺序到达终点

• 端到端的差错处理和流量控制可以由网络负责，也可以由用户主机负责

数据报服务：写入地址，由路由选择传送地址，现在多用此服务，特点为简单灵活、无连接、尽最大努力交付

• 可靠通信应当由用户主机来保证

• 每个分组都有终点的完整地址

• 每个分组独立选择路由进行转发

• 出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化

• 分组到达终点时不一定按发送顺序

• 端到端的差错处理和流量控制由用户主机负责

2.虚拟互联网

目的：逻辑互联，解决物理网络的异构性

中间设备：又称为中间系统或中继 (relay)系统

1. 物理层中继系统：转发器
2. 数据链路层中继系统：网桥 或 桥接器
3. 网络层中继系统：路由器（有时也叫网关）
4. 网络层以上的中继系统：网关（用得少）

3.网络层的 IP 协议及配套协议

网络层协议：IP（国际协议）、ARP（地址解析协议）、ICMP（网际控制报文协议）、IGMP（网际组管理协议）

3.1 IP协议

3.1.1 IP 地址的编址方法

• 分类的 IP 地址

  • 层次化IP地址将32位的IP地址分为网络号和主机号（不全为1、不全为0）

  • 如何理解一个 IP 地址在整个互联网范围内是唯一的：这个唯一是在公网上的IP地址唯一，局域网里可以随便设置统一网段的私有IP。

  • 各类 IP 地址的网络号字段和主机号字段

    • A类：8+24，固定为0，1~126
    • B类：16+16，固定为10，128.1~191.255
    • C类：24+8，固定为110，192.0.1~223.255.255
    • D类：多播，固定为1110
    • E类：研究用，固定为1111

• 常用的三种类别

  • A类：网络号1-126，网络数 (2^7 – 2)，每个网络主机数(2^24 – 2)
  • B类：网络号128.1-191.255，网络数 (2^14 – 1)，每个网络主机数(2^16 – 2)
  • C类：网络号192.0.1-223.255.255，网络数 (2^21 – 1)，每个网络主机数254

• 特殊地址

  • 127.0.0.1：本地环回地址
  • 169.254.0.0：windows DHCP自动生成的错误地址，临时使用
  • 保留的私网地址：A类 10.0.0.0 B类 172.16.0.0~172.31.0.0 C类 192.168.0.0~192.168.255.0
  • 0.0.0.0：未定地址，在本网络上的本主机
  • 255.255.255.255：限制广播地址

• 子网掩码：将IP地址划分为网络地址和主机地址

• 子网的划分

  • 从主机号借用若干个位作为子网号，而主机号也就相应减少了若干个位
  • 改变子网掩码，使用子网掩码（32位）可以找出 IP 地址中的子网部分
  • 子网掩码左边部分的一连串 1，对应于网络号和子网号，右边部分的一连串 0，对应于主机号
  • 每个子网是原来的1/2，子网掩码往后移动一位，子网不包含主机位全0与全1的情况
  • 点到点的WAN链路只需要2个地址，故使用255.255.255.252子网掩码，主机位2位
  • 无分类域间路由选择 CIDR
    • CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块“
    • 斜线后面是网络前缀的位数，对应于三级编址中子网掩码中 1 的个数
    • 128.14.32.0/20 地址块的最小地址：128.14.32.0
      128.14.32.0/20 地址块的最大地址：128.14.47.255

• 构成超网

  • CIDR地址块的聚合常称为路由聚合，也成构成超网

  • 使用最长前缀匹配查找路由表

  • 使用二叉线索查找路由表

  • IP地址决定数据包最终到哪（不变），MAC地址决定了路由转发的下一跳是谁（可变）

  • CIDR记法：

    1. 对于 /20 地址块，它的掩码是 20 个连续的 1

    2. 10.0.0.0/10 可简写为 10/10，也就是把点分十进制中低位连续的 0 省略

    3. 网络前缀的后面加一个星号 * 的表示方法，如 00001010 00*，在星号 * 之前是网络前缀

3.1.2 IP数据报

• 由首部和数据两部分组成，首部固定长度为20字节

• TTL：首部生存时间，可判断操作系统类型
• 路由器分组转发算法：目的主机IP与子网掩码相与，得到网络地址；若网络地址与目的地址相等，则该网络与路由器直接相连，按下一条转发，否则与下一项子网掩码相与，若都不相等，则按默认路由

3.2 ARP协议

ARP协议：通过广播，将IP地址转换为MAC地址
RARP协议：通过广播，将MAC地址转换为IP地址

3.3 ICMP协议

ICMP协议不是高层协议，是IP层的协议，主要负责报告差错和故障

• 差错报告报文

  • 终点不可达

  • 源点抑制

  • 时间超过

  • 参数问题

  • 改变路由(重定向)

• 询问报文

  • 回送请求和回答报文

  • 时间戳请求和回答报文

3.4 互联网的路由选择协议

• 内部网关协议 IGP：具体的协议有多种，如 RIP 和 OSPF 等

  • RIP协议（路由信息）
    • 最早的动态路由协议
    • 特点：周期性（30s）广播、根据跳数判断距离（不准确）、一条路径最多只能包含 15 个路由器
    • 距离向量算法
  • OSPF协议（开放最短路径优先）
    • 内部网关协议，也属于动态路由协议
    • 度量值为带宽，比较准确
    • 支持多区域、二级结构
    • 触发式更新
    • 三个表(邻居表、链路状态表、计算路由表)

• 外部网关协议 BGP：BGP 发言人往往就是 BGP 边界路由器，连接各个自制系统，发言人交换路径向量

3.5 IPv6

IPv6 将地址从 IPv4 的32位增大到了128位。

首部长度必须是 8 字节的整数倍，原来的 IPv4 首部是 4 字节对齐

目的地址：单播、多播、任播

一个结点（路由器或主机）接口的单播地址可用来唯一地标志该结点

3.6 IGMP协议

网际组管理协议，主要管理组播成员，组播（多播、一对多通信）管理协议

4.虚拟专用网络 VPN

使用VPN的原因：IP 地址的紧缺、互联网并不很安全，本机构自行分配地址

网络地址转换NAT：将其本地地址转换成全球 IP 地址

网络地址与端口号转换 NAPT：使用端口号的 NAT 叫做网络地址与端口号转换NAPT，而不使用端口号的 NAT 就叫做传统的 NAT