【计算机网络】网络层知识点
网络层
网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。
网际协议：IPv4
网际协议也包含如下协议：
地址解析协议Address Resolution Protocol ARP
已知一个机器的IP地址，需找出其相应的硬件地址。
解决的是同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。
网际控制报文协议Internet Control Message Protocol ICMP
网际组管理协议Internet Group Management Protocol IGMP
网络层使用的中间设备叫做路由器，当中间设备是转发器或网桥时，仅仅是把一个网络扩大了，而从网络层的角度看，依然是一个网络，并不称之为网络互联。因此讨论网络互连时，指用路由器进行网络互联和路由选择。
路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组，减小了路由表所占的存储空间以及查找路由表的时间。
IPv4地址
给互联网上的每一台主机或路由器的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32位的标识符。
分类的IP地址::={<网络号>,<主机号>}
A类地址：前一位为0，8位网络号
B类地址：前两位为10，16位网络号
C类地址：前三位为110，24位网络号
D类地址：前四位为1110，用于多播
E类地址：前四位为1111
A类地址中：网络号全0的IP地址，标识本网络。网络号127的IP地址，作为环回测试本主机的进程之间的通信。![[Pasted image 20230404125630.png]]
IP地址的特点：
1. 每个IP地址都由网络号和主机号两部分组成，IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号，剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。
2. 实际上IP地址是标志一台主机或路由器和一条链路的接口。当一台主机同时连到两个网络上时，该主机必须有两个相应的IP地址。
3. 一个网络是指具有相同网络号的主机的集合，因此用转发器或网桥连接的若干局域网仍为一个网络，具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连。
4. 互联网同等对待每一个IP地址。
最大传送单元MTU：当一个IP数据报封装成链路层的帧时，此数据报的总长度一定不能超过下面的数据链路层所规定的MTU值。最常用的以太网规定其MTU值为1500字节，若传送长度唱过数据链路层的MTU值，就必须把过长的数据报进行分片处理。
首部检验和：只检验数据报的首部，不包括数据部分。采用反码运算的方法。先将IP数据报首部划分为许多16位字的序列，并把检验和字段置零。然后将所有16位字进行反码相加的运算，将取到的和取反码，就是检验和的部分。
反码运算：从低到高逐位进行计算，若最高位相加后产生进位，则最后得到的结果要加1。
分组转发的流程
路由表中的内容为：目的网络地址和下一跳地址。
- 从数据报的首部提取目的主机的IP地址D，得出目的地址为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，否则就间接交付。
- 若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器，否则
- 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，否则
- 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，否则
- 报告转发分组出错。
划分子网
IP地址::={<网络号>,<子网号>,<主机号>}
子网掩码：网络号为1，主机号为0。不管网络有没有划分子网，只要把子网掩码和IP地址进行逐位的“与”运算，就立即得出网络地址来。
子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。
使用子网划分后的路由表必须包含三项内容：目的网络地址、子网掩码和下一跳地址。
构造超网
使用变长子网掩码VLSM(variable length subnet mask)可进一步提高IP地址资源的利用率，又在VLSM基础上研究出无分类编址方法，又叫做无分类域间路由选择CIDR(Classless inter-domain routing)
IP地址::={<网络前缀>,<主机号>}
最长前缀匹配：在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果，应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由。
网际控制报文协议ICMP(Internet control message protocol)
ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。
该协议是装入IP数据报的数据部分。ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。
报文种类有两种：ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。
ICMP报文前4个字节：类型、代码和检验和。接下来4个字节取决于报文类型，然后是数据部分。
互联网的路由协议：（路由表中的路由是怎么得出来的）
静态路由：简单，开销较小，但不能及时适应网络状态的变化，对于简单的小网络，可以用人工配置每一条路由
动态路由：能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销较大，适用于较复杂的大型网络。
将整个互联网划分为许多较小的自治系统(Autonomous system)，AS是在单一技术管理下的一组路由器，一个AS对其他AS表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略。一个大的ISP就是一个自治系统。
- 内部网关协议IGP(Interior Gateway protocol)：在一个AS内部使用的路由选择协议，如RIP和OSPF协议
- 外部网关协议EGP(External Gateway protocol)：若源主机和目的主机处在不同自治系统中时使用的协议，如BGP-4
RIP协议(Routing information protocol)
一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。设置最大距离为15，当距离等于16则相当于不可达，因此仅适用于小型网络。
特点：仅和相邻路由器交换信息。交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己现在的路由表。按固定的时间间隔交换。
存在的问题：当网络出现故障时，要经过较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器。好消息传的快，坏消息传的慢。
步骤：距离向量选择协议
对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，先把下一跳字段地址都改为X，并将所有距离值加1.
对修改后的RIP报文中的每一个项目进行操作：若本路由表没有目的网络N，则把该项目加进去。否则，若下一跳路由器地址是X，则用该项目替换原项目。否则，若该项目距离d小于原项目距离，进行更新。否则，什么也不做。
OSPF协议(open shortest path first)。链路状态协议，最短路径优先。OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。
BGP：边界网关协议。采用了路径向量选择协议，每个自治系统的管理员选择至少一个路由器作为该自治系统BGP发言人。
IPv6：更大的地址空间、灵活的首部格式，IPv6数据报由两大部分组成：基本首部和有效载荷。
IPv6地址：128位，使用冒号十六进制记法。也可进行零压缩。
多播：
IGMP协议：网际组管理协议，用于多多播。
洪泛与剪除
隧道技术
基于核心的发现技术
虚拟专用网VPN
网络地址转换NAT：专用网络和互联网通信时需要
多协议标记交换MPLS：支持面向连接的服务质量、支持流量工程、有效地支持VPN。在入口结点给每一个IP数据报打上固定长度的标记，然后根据标记在第二层用硬件进行转发，因而转发速率大大加快。
