自顶向下 | 带你遨游网络层

前言#

• 网络层的知识点非常繁多，本文仅是基于《计算机网络 自顶向下》而总结的一些重点知识点，如果想要详细了解网络层的知识，可以看下《自顶向下》

• 本文已经收录到我的Github个人博客，欢迎大佬们光临寒舍：我的GIthub博客

对于互联网的网络层来说，其提供的服务非常简单，包括：

• 转发
• 路由选择

网络层可能提供的服务#

网络服务模型：

• 确保交付
• 保证延迟的确保交付
• 有序交付
• 确保最小带宽
• 确保最大时延抖动
• 安全性服务

那么 IP 协议提供以上哪些服务呢？

答案就是：一个也不提供

• 不 确保交付
• 不 保证延迟的确保交付
• 不 有序交付
• 不 确保最小带宽
• 不 确保最大时延抖动
• 没有 安全性服务

数据报网络#

IP 协议构建的网络就属于数据报网络

特点：

• 无需建立连接，维持状态信息
• 使用转发表决定分组输出端口
• 通过最长前缀匹配原则进行查询转发表

路由器工作原理#

• 输入端口 ：从物理层接收数据，拆封分组、查看相应协议层头部，查询转发表放进发送队列
• 交换结构 ： 负责发送队列到输出队列的运输
• 输出端口 ：拿到输出队列的数据，然后封上相应协议层的头部，送给物理层
• 路由选择处理器 ： 负责执行路由选择，更新转发表，以及一些控制功能

网络层的三个主要组件#

IP 协议#

IPV4 数据报格式#

• 版本：规定了 IP 协议版本
• 首部长度
• 服务类型：区分不同类型的 IP 数据报
• 数据报长度
• 标识、标志、片偏移：用于 IP 数据报分片
• 寿命：一个数据报可以被路由处理的次数
• 协议：用于 IP 的多路复用和分解，即应将数据交付给上层的那个协议，TCP 还是 UDP
• 首部检验和
• 源和目的 IP 地址
• 选项：用于扩展 IP 首部
• 数据

IPV4 编址#

• 总长度为 32 位

• 一般以 8 位一组

• 子网：具有相同的前半部分地址的一组 IP 地址构成的网络

• 编址方案：

• 无类别域间路由选择
• 分类编址

IPv4 和 IPv6 的区别#

1. 扩展了寻址能力。
V6 有 128位地址，v4只有32位。相当于扩展了4倍。
2. 报头格式简化
V6 相对于 V4来说，报头简化了很多
3. 对可选项更大的支持
V6 在 V4 的基础上，支持更多可选项操作，比如 对 IP层安全支持，对IP层漫游支持等功能。
4. 支持自动配置
IPv6节点通过 地址自动配置 来获得 V6地址 和网关地址，
5. 身份验证和保密
v6中加入了身份验证、数据一致性等保密性内容
6. 允许继续扩充协议
新的应用扩展也是在 V6 中支持的。

DHCP#

是一种用于自动分配 IP 地址且即插即用的协议，使用 UDP 作为运输层服务

对于一个新加入网络的电脑：

1. DHCP 服务器发现。通过设置源 IP 地址为 0.0.0.0，且目的 IP 地址为 255.255.255.255 的 UDP 分组，在网络中广播
2. DHCP 服务器提供。DHCP 监听到广播，使用一个 DHCP 提供报文 向客户作出响应 (继续以广播的形式发出，因为此时客户依旧没有自己的 IP 地址)
3. DHCP 请求。客户得到响应后，发送一个 DHCP 请求报文，回显响应的配置参数
4. DHCP ACK。服务器回应一个 DHCP ACK 报文，响应客户的请求报文

NAT#

从目的来说，NAT 技术使得多台电脑可以通过一个公共 IP 上网，且不发生冲突。

其行文的核心在于，从路由器 (具备公共 IP 的设备) 拦截所有的分组，修改其 IP 地址和端口，并记录这种修改产生相应的映射，发送修改后的分组，接收时执行相反的步骤。

路由选择算法#

分类

全局还是分散：

• 全局式路由选择算法 (链路状态算法)
  • 需要事先知道网络总体的分布图
• 分散式路由选择算法 (距离向量算法)：
  • 无需知道网络总体的分布图

动态还是静态：

• 静态路由选择
• 动态路由选择

是否负载敏感：

• 负载敏感算法
• 负载迟钝算法

因特网控制报文协议 (ICMP)#

• 用于主机和路由器彼此沟通信息
• 最典型的用途是差错报告
• 构建于 IP 协议之上 (因为其报文位于为 IP 数据报的数据字段)

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本文参考链接：

• 《计算机网络-自顶向下方法》

• 《计算机网络-自顶向下方法》重点笔记

• 第四章-网络层-IP协议

• 计算机网络笔记——网络层简要笔记