《计网》网络层

网络层概述

网络层主要任务是实现网络互联，进而实现数据包在各网络之间的传输
需要解决以下问题
- 网络层向运输层传输需要提供怎么样的服务
- 网络层寻址问题
- 路由选择问题
主要功能
- 异构网络互联
  - 异构网络：数据链路层和物理层均不同网络
  - 网络层的任务之一就是使异构网络实现互联
  - 网络互联通常是指用路由器进行网络互联和路由选择
  - 使用中继系统连接网络
    - 物理层中继系统
      - 转发器，集线器
    - 数据链路层中继系统
      - 网桥，交换机
    - 网络层中继系统
      - 路由器
    - 网络层以上的中继系统
      - 网络
- 路由选择与分组转发
  - 路由选择【确定路径】
  - 分组转发【一个分组到达后的动作】
- 拥塞控制
  - 拥塞
    - 在通信子网中，因出现过量的分组而引起网络性能下降的现象
    - 此时所有节点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组
  - 判断拥塞
    - 观察网络吞吐量与网络负载的关系
    - 随着通信子网负载的增加，吞吐量反而降低，即可能发生拥塞
    - 轻度拥塞->拥塞->死锁
  - 拥塞控制的方法
    - 开环控制【静态】：事先考虑可能发生拥塞的情况，一旦系统启动，就不能修改
    - 闭环控制【动态】：采用检测网络监视哪里发生了拥塞，动态调整网络系统运行

SDN的基本概念

软件定义网络SDN采用集中式的控制层面和分布式的数据层面来控制网络
北向接口：SDN提供的编程接口
南向接口：SDN控制器和转发设备建立双向会话的接口（使用南向接口协议，如openflow）
东西向接口：SDN控制器集群内部控制器之间的通信接口

网络层设备

冲突域和广播域

域 = 冲突或广播在其中发生并传播的区域
冲突域 = 连接到同一物理介质上的所有节点的集合，这些节点之间存在介质争用的现象【OSI第一层概念】
广播域 = 接收同样广播消息的节点集合【OSI中第二层概念】
局域网LAN特指使用路由器分割的网络，即广播域

路由器的组成和功能

路由器是一种具有多个输入/输出端口的专用计算机
路由器主要实现物理层，数据链路层，网络层的功能
路由器是网络层设备
路由器的任务
- 连接异构网络并完成路由转发
路由器的功能
- 分组转发，处理通过路由器的数据流
- 路由计算，通过和其他路由器进行路由协议的交互，完成路由表的计算
路由器的组成
- 路由选择部分
  - 路由选择处理机 + 路由选择协议 + 路由表
  - 控制部分，核心是路由选择处理机
  - 任务是根据所选定的选择协议构造出路由表
  - 同时不断更新路由信息和维护路由表
- 分组转发部分
  - 组成部分
    - 交换结构（本身是一个网络） + 一组输入端口 + 一组输出端口
  - 三种交换方式
    - 通过交换器进行交换
    - 通过总线进行交互
    - 通过互联网络进行交互

路由表与路由转发

路由表根据路由选择算法得出，主要用途为路由选择
路由表的组成 = 目的网络的IP地址 + 子网掩码 + 下一跳IP地址 + 接口
路由表总是用软件实现，转发表可以用软件也可以用邮件实现
路由表不等于转发表，分组的实际转发是靠直接查找转发表，而不是直接查找路由表
路由表中默认路由的目的地址和子网掩码都是0.0.0.0

IP地址的基本知识

IP地址的定义

MAC的作用则是实现直连的两个设备之间通信，而IP负责在没有直连的两个网络之间进行通信传输
源IP地址和目标IP地址在传输过程中是不会变化的（没有使用NAT网络情况下），只有源MAC地址和目标MAC一直在变化
IPV4地址最大值由32位正整数来表示，IP地址在计算机是以二进制的方式处理的
IP地址最大值 = $2^{32} = 43$亿左右
IP地址并不是根据主机台数来配置的，而是以网卡，像服务器、路由器等设备都是有2个以上的网卡，也就是会有2个以上的IP地址

分类编制的IPV4地址

划分子网的IP地址

划分子网原因
- 两级IP地址分类的地址空间流动率有时很低，用子网划分的方法来改善这个问题
划分子网点的好处
- 增加子网的数量->减少广播域的大小->减少了主机的数量->提高了IP地址的利用率
- 不增加网络的数量
子网划分
- 将主机地址分为两个部分【子网网络地址和子网主机地址】的过程
- 未做子网划分的ip地址：网络地址+主机地址
- 做子网划分后的ip地址：网络地址 + （子网网络地址+子网主机地址）
如何得到网络地址
- 将子网掩码和ip地址按位计算AND，就可以得到网络号
默认子网掩码
- A类：255.0.0.0
- B类：255.255.0.0
- C类：255.255.255.0
如何进行子网划分
- 假设对C类地址进行子网划分
- 网络地址218.75.230.0，使用子网掩码255.255.255.192对其进行子网划分
- C类地址中前24位是网络号，最后8位是主机号
- 根据子网掩码可知从8位主机号中借用2位作为子网号
- 由于子网网络地址被划分成2位，那么子网地址就有4个，分别是00、01、10、11
- 划分后的4个子网如下图

无分类编址的IPV4地址【CIDR】

引入原因
- CIDR消除了传统的A类，B类和C类地址，以及划分子网的概念
作用
- 一种归并技术，可以把小的网络汇聚成大的超网
- 可以更加有效地分配IPV4的地址空间，并且可以在新的IPV6使用之前允许因特网的规模继续增长
细节
路由聚合
- 为了减少路由表的消耗，用路由聚合来聚合网络地址
- 网络前缀越长，地址块越小，路由越具体
- 最长前缀匹配：有多条路由可选的时候，选择网络前缀最长的那条
例题
- 答案为C

IPV4的应用规划

定长的子网掩码
- 使用同一个子网掩码来划分子网
- 子网划分方式不灵活，只能划分出$2^n$个子网
- 每个子网所分配的IP地址数量相同，容易造成IP地址浪费
变长的子网掩码
- 使用不同的子网掩码来划分子网
- 子网划分方式灵活，可以按需分配
- 每个子网所分配的IP地址数量可以不同，尽可能减少对IP地址的浪费

IP数据报的发送和转发过程

主机发送IP数据报
- 判断目的主机是否与自己在同一网络
  - 在同一网络则直接交付
  - 不在同一网络，数据间接交付，传输给主机所在的网络的默认网关（路由器），由默认网关帮忙转发
路由器转发IP数据报
- 检查IP数据报首部是否出错
  - 出错，直接丢弃该IP数据报并通告源主机
  - 没有出错，直接进行转发
- 根据IP数据报的目的地址，在路由表中查找匹配的条目
  - 若找到匹配的条目，则转发给条目中指示的下一跳
  - 若找不到，则丢弃该IP数据报并通告源主机

静态路由配置及其可能产生的路由环路问题

静态路由配置
特定主机路由（默认路由）
静态路由配置错误导致路由环路
- 为了防止IP数据报在路由环路中永久兜圈，在IP数据报首部设有生存时间TTL字段
- IP数据报进入路由器后，TTL字段的值减1
- 若TTL的值不等于0，则被路由器转发，否则被丢弃
聚合不存在的网络而导致的路由环路
- 用黑洞路由条目配置解决
网络故障而导致的路由环路
- 用黑洞路由条目配置解决该问题
- 如果故障消失了，会暂时把黑洞路由条目设置为失效

IPV6

IPV6地址的标识方法
- IPV6地址长度是128位，是以每16位作为一组
- 每组用冒号[:]隔开
- 如果出现连续的0时还可以就爱那个这些0省略，并用两个冒号隔开
- 一个IP地址中只允许出现一次两个连续的信号
IPV6地址的结构
- 单播地址，用于一对一的通信
- 组播地址，用于一对多的通信
- 任播地址，用于通信最近的节点，最近的节点由协议决定
IPV6的亮点
- IPV6可自动配置【即插即用】
- IPV6首部长度采用固定的值40字节，去掉了校验
- IPV6安全性提高了
IPV6相比IPV4的改进
- 取消了首部校验和字段
  - 因为在数据链路层和传输层都会校验，因此IPV6直接取消了IP的校验
- 取消了分片/重新组装相关字段
  - 分片与重组时耗时的过程，IPV6不允许在中间路由器进行分片与重组
- 取消选项字段
  - 选项字段不再是标准IP首部的一部分了
  - 但它并没有消失
  - 而是可能出现在IPV6首部中的下一个首部指出的位置上
  - 删除该选项字段使得IPV6的首部成为固定长度的40字节

IPV4首部

首部内容
- 首部长度，总长度，片偏移的基本单位分别为4B,1B,8B
IPV4分片
- 以太网MTU【最大传输单元】不超过1500
- DF=1时，分组的长度又超过MTU时，丢弃该分组，并用ICMP差错报文向源主机报告
- MF = 1，表示接受到的分片不是最后一个分片
- 所有片中的有效数据核载都是8的倍数【偏移值的单位是8B】
- 在目的主机中对分片后的数据报重组
例题

路由选择协议概述

静态路由选择/动态路由选择
路由协议的主要特点
- 自适应-动态路由选择，能较好地适应网络状态的变化
- 分布式-路由器之间交换路由信息
- 分层次-将整个因特网划分为许多较小的自治系统
分层次的路由选择协议
路由选择协议

三种路由协议比较

	RIP	OSPF	BGP
类型	内部	内部	外部
路由算法	距离-向量	链路状态	路径-向量
传递协议	UDP，应用层协议	IP，网络层协议	TCP
路径选择	跳数最少	代价最低	较好，非最佳
交换节点	和本节点相邻的路由器	网络中的所有路由器	和本节点相邻的路由器
交换内容	当前本路由器知道的全部信息，即自己的路由表，RIP不知道全网的拓扑结构	与本路由相邻的所有路由器的链路状态，任何一个路由器都知道自己所在区域的拓扑结构	首次，整个路由表非首次，有变化的部分

路由信息协议RIP的工作原理

RIP基本概念
RIP工作原理
RIP基本工作过程
RIP路由条目更新规则
RIP坏消息传播得慢

开放最短路径优先OSPF的基本工作原理

OSPF基本概念
- 区域边界路由器：主干区域内，用于连接主干区域和其他下层区域的路由器
- 主要在主干区域中的路由器都叫做主干路由器
- 主干路由器可以兼做区域边界路由器
- 自治系统有4类路由器，区域内部路由器，主干路由器，区域边界路由器，自治域边界路由器
链路的代价
交互问候分组
计算最短路径的过程
五种分组类型
OSPF的基本工作过程
DR和BDR
区域
总结

边界网关协议BGP的工作原理

BGP交换的网络可达性信息，即：要到达某个网络所要结果的一系列自治系统/路径

IP协议相关技术

ICMP【互联网控制报文协议】

概述
五种差错报文
不应该发送差错报文的情况
ICMP询问方式
ICMP应用

ARP协议【IP地址到MAC地址的映射】

ARP主要内容
- ARP广播只在子网中传播
- 硬件地址只具有本地意义，每当路由器将IP数据报转发到一个具体的网络时，都需要重新封装源硬件地址和目的硬件地址
- 路由器在收到分组后，剥离该分组的数据链路层协议头，然后在分组被转发之前，给分组加上一个新的链路层协议头
- ARP请求是广播发送【不知道目标设备在哪里】
- ARP响应式单播发送
ARP过程
- 目的主机在本局域网
  - 先在ARP高速缓存中查看有无目的IP地址与MAC地址的映射
  - 有，则把硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网把该MAC帧发往此硬件地址
  - 无，则通过广播ARP请求分组，在获得目的主句的ARP响应分组后，将目的主机的IP地址与硬件地址写入ARP告诉缓存
- 目的主机不在本局域网
  - 将IP分组发送给本局域网的路由器，先通过上述方式获得路由器的IP地址和硬件地址的映射关系

DHCP协议【动态主机配置协议】

DHCP主要内容
DHCP过程

虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

公有地址，私有地址
虚拟专用网VPN
网络地址转换NAT
- NAT的表项需要由管理员来添加
NAT转换流程
- 上图有两个客户端192.168.1.10和192.168.1.11
- 与服务器183.232.231.172进行通信，并且这两个客户端的本地端口都是1025
- 此时，两个私有IP都转换IP为公有地址120.229.175.121，但以不同的端口号作为区分
- 于是，生成一个NAPT路由器的转换表
- 该表可以正确地转换地址跟端口的组合，令客户端A、B能同时与服务器之间进行通信
- 这种转换表在NAT路由器上自动生成
- 例如，在TCP的情况下，建立TCP连接首次握手时的SYN包一经发出，就会生成这个表
- 后又随着收到关闭连接时发出FIN包的确认应答从表中被删除