04 网络层
第四章 网络层¶
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P41 4.1 网络层概述¶
网络层：实现网络互连，实现数据包在各个网络之间的传输
解决问题：向运输层提供什么服务；网络层寻址；路由选择（网络拓扑经常改变的大型互联网，路由表不适用）
因特网使用 TCP/IP 协议，网络层也称为网际层
P42 4.2 网络层提供的两种服务¶
面向连接的虚电路服务：网络层建立虚电路连接，通信双方沿着虚电路发送分组；通信结束后需要释放虚电路。互联网没有使用这个思路。
无连接的数据报服务：可靠通信由主机保证，不需要建立网络层连接，每个分组走不同的路径；每个分组首部携带目的主机的完整地址。通信的分组可能误码，丢失，重传，失序等。网络不提供端到端的可靠传输服务，路由器比较简单，价格低。
这样，将复杂的网络处理功能放在互联网边缘（主机内部的运输层），因特网核心尽最大努力分组交付。
后文内容：网络层如何传输 IP 数据报
P43 4.3.1 IPv4地址概述¶
IPV4是因特网每一台主机（路由器）的每一个接口，分配一个在世界范围内唯一的32位比特的标识符（通常使用十进制表示方法使用）。2011年已经分配完毕，新的 IPV6 正在部署。
IPV4经过三个阶段：分类编址；划分子网；无分类编址
P44 4.3.2 分类编址的IPv4地址¶
IPV4分成：ABCDE类地址。
A 前8位是网络号，后24位是主机号（网络号小于127）
B 前16位是网络号，后16位是主机号（网络号128-191）
C 前24位是网络号，后8位是主机号（网络号192-223）
D 多播地址（1110）
E 保留
ABC三类地址可以分配；全部是0的是网络地址，全部是1的是广播地址，这两个不能分配给主机或者路由器的接口
A类地址：第一个可指派的网络号时1，网络地址是 1.0.0.0。最大网络号是 127，作为本地环回测试地址，不指派。本地环回测试地址：127.0.0.1 到 127.255.255.254。
B类地址：第一个网络号是 128.0 网络地址是 128.0.0.0 最后一个是 191.255 网络地址是 191.255.0.0 每个网络中可分配的IP地址数量可以算出
C类地址：第一个网络号 192.0.0 网络地址是 192.0.0.0 最大网络号是 223.255。255 网络地址是 233.255.255.0
P45 4.3.3 划分子网的IPv4地址¶
如果新增一个子网，重新申请新的网络号，那么需要时间金钱成本，浪费原有网络中剩余的IP地址，会增加其他路由表记录的数量。
所以，使用子网掩码，从IP地址中的主机号部分，借用了几个比特作为子网号。
子网掩码：使用连续的0表示主机号，使用连续的1表示网络号和子网号。将 IP 地址和子网掩码与运算，可以获取所在子网的网络地址。
例如：网络号是 218。75.230.0，子网掩码 255.255.255.128 ，属于C类地址，前24位是网络号，后面8位是主机号。然后子网掩码 128 ，就是第一个是子网号（分配了两个子网0-1）每个子网可以分配126个地址（去掉全部0和1的两个地址，是网络地址和广播地址）。
P46 4.3.4 无分类编址的IPv4地址¶
在IPV4后面加上斜线，在斜线后面写上网络前缀所占的比特数量
CIDR 地址块，无分类域间路由选择：没有ABC类地址区别，没有划分子网，可以有效分配IPV4的地址空间。
128.14.35.7/20 表示网络前缀占用20比特，主机前缀占用32-20=12比特
路由聚合：网络前缀越长，地址块越小，路由更具体。查表转发时，选择匹配的网络前缀最长的那条路由。
P47 4.3.5 IPv4地址的应用规划¶
定长的子网掩码（FLSM）和变长的子网掩码（VLSM）
就是给定一个实际场景（25台主机），然后分析使用什么子网类型等，申请什么类型的IP地址。根据实际子网数量，计算需要划分的子网数量（子网掩码）2的指数。优先分配主机多的子网。
定长的子网掩码：不同子网使用同样的子网掩码，这样每一个子网分配的地址数量相同，可能造成地址的浪费。
变长的子网掩码：不同子网，根据主机数量不同，设置不同的子网掩码，按序分配，这样最大利用地址。
P48 4.4 IP数据报的发送和转发过程¶
发送过程：主机发送IP数据报（如果同一个网络，直接交付；如果不是同一个网络，属于简介交付，需要传输给主机所在网络的网关-即路由器，由路由器帮忙转发）
转发过程：路由器转发IP数据报。路由器转发IP数据报的过程：检查IP数据报首部，如果正确，进行转发；如果错误，丢弃IP数据报，报告原始主机。路由器可以处理广播风暴。
IP 层不负责可靠传输，路由器不能确保传输的IP分组不丢失
主机的默认网关，需要配置成路由器的IP地址，这样主机才能通过路由器，发送IP数据报。如果默认网关配置错误，那么无法将IP分组发送到路由器。
P49 4.5 静态路由配置和路由环路问题¶
静态路由配置：用户给路由器人工配置路由表（小型网络中使用）
每个节点的路由器有对应的路由表，转发报文时，选用目的网络前缀最长的路由条目进行转发（优先精确匹配）
如果静态路由配置错误，可能造成路由环路问题（R1到R2，R2到R1）
为了防止IP数据报路由环路问题，在IP报文首部设置了生存时间TTL，每次传播都减少1，如果TTL减小到0（认为存在路由环路），那么就被丢弃。
如果由于网络问题，造成了路由表中目标地址不存在，就是路由黑洞，该路由条目自动失效。
P50 4.6.1 路由器和路由信息协议RIP¶
RIP 特点：
自适应：动态路由选择，适应网络状态变化
分布式：不同路由器交换路由信息
分层次：整个因特网划分成很多小的自治系统（子网内部网关协议IGP，子网之间外部网关协议EGP）
IGP 分为很多协议（RIP 路由信息协议）
路由器基本结构 = 路由选择（内部路由表算法）+分组转发（输入输出端口，不同层级报文的解析和封装）路由表对网络拓扑进行计算优化，仅包括目的网络到下一跳的映射。
P51 4.6.2 RIP的基本工作原理¶
RIP 使用跳数表示到达目的网络的距离（路由器直连网络距离为1，一个路径上最多15个路由器，超过15就不可达，仅适用于小型互联网）
RIP 认为经过路由器最少是最优解；当到底同一个网络有多条路由后，可以进行等价负载均衡。
RIP：和相邻路由器交换信息；交换自己的路由表，周期性交换（例如30s）
路由器刚开始工作时，只知道自己到直连网络的距离是1，仅和相邻的路由器周期交换并更新路由信息。若干次交换更新后，每个路由器知道到达本AS内各个网络的最短距离和下一跳地址（收敛）。
路由表更新举例：
- 如果有新的网络，直接添加；
- 如果到目标网络有新的路由，如果新的路由有优势，使用新的路由
- 如果到目标网络有新的路由，如果和已有相等，负载均衡
- 如果到目标网络有新的路由，如果旧的路由有优势，不更新
坏消息传的慢；路由环路（如果路由表变化了，立即发出更新报文，而不是等待周期性发出报文）如果有路由环路，显示最大跳数是15，避免死循环。
P52 4.6.3 开放最短路径优先OSPF¶
open shortest path first
使用了 Dijkstra 的最短路径算法 SPF，基于链路状态，并不是基于距离向量的，这个算法保证了不会出现路由环路。
链路状态：本路由器和哪些路由器相邻，链路状态如何（带宽，时延，费用等）就是一个有向图，不同路径的权重不同（人为设置权重）
不同路由器之间问候分组，建立维护邻居关系（IP数据报，10s周期发送），测试连接状态，将状态存储在 LSDB 链路状态数据库中。
路由器基于LSDB进行最短路径优先算法SPF计算，构建出到达其他路由器的最短路径，构建路由表。
在多点接入网络中，设置一个指定路由器 DR 执行 SPF，其他非DR的路由器，只和DR建立邻居关系。还有备用制定路由器（BDR）
P53 4.6.4 边界网关协议BGP¶
在不同系统内，图的权重不同，所以不能用之前的模型计算路由表。
所以使用外部网关协议 EGP（BGP 是其中的一种，边界网关协议）
外部需要考虑综合因素（政治经济安全）不仅考虑带宽和费用
在边界处的路由器发起通信（TCP报文段通信）
P54 4.7 IPv4数据报的首部格式¶
这部分题目都是大题（重点掌握）
固定部分（20字节）
- 首部长度：以四字节为单位（min 5 max 15）最小20字节（只有20字节的首部），最大60字节（首部长度20+可变部分40）
- 区分服务：8比特，不同数值表示提供不同等级的服务质量（可选）
- 总长度（16比特）：IP数据报总长度（首部+数据载荷）
- 标识：同一个数据报的个分片数据报，标识相同
- 标志：MF 01 表示是否允许分片，DF 01 是否是最后一个分片
- 片偏移：分片数据报的数据载荷的偏移量（必须是整数，且被8整除）
（如果IP数据报很长，那么分成几个分片数据报，标识，标志，片偏移用于IP数据报分片，收到后再组合成完整的数据报）
- 生存时间：TTL 跳数为单位，经过路由转发后减少1，避免路由循环问题
- 协议：数据部分是什么协议（TCP6，UDP17等）
- 首部校验和：检测首部传输过程中是否有差错：IP数据报经过路由器后，需要重新计算校验和，因为TTL，片偏移等会重新变化，所以需要重新校验。
- 源IP地址和目的IP地址
可变部分（40字节）：长度从1-40不等，用来拍错测量等，实际使用不多（增加了路由器处理IP数据包的开销）
P55 4.8 网际控制报文协议ICMP¶
为了有效转发IP数据报，提供成功交付的机会，网际层使用了网际控制报文协议（internet control message protocol）；主机或者路由器使用这个协议发送差错报告报文和询问报文。
差错报告报文：当路由器或者主机无法交付数据报时，就向发送点发送 ICMP 不可达报文（例如终点不可达，超时等）参数操作报文（校验发现参数错误）对于 ICMP 差错报文不再发送 ICMP 差错报告报文；特殊的0.0.0.0 不发送
询问报文：回送请求和回答，时间戳请求和回答（请某个主机回复一下时间）
例如：分组网间探测：PING 命令（检测主机和路由器的联通行，应用层直接使用网际层的ICMP，没有走运输层的TCP或者UDP）
跟踪路由：traceroute 测试IP数据报从源主机到达目的主机，经过哪些路由器（Windows 使用 tracert 直接走 ICMP，Unix 使用 traceroute 走 UDP）
P56 4.9 虚拟专用网VPN——网络地址转换NAT¶
Virtual Private Network 虚拟专用网：两个私有的网络无法通信，所以利用公用的因特网作为某个私有网络内部的桥梁，实现访问另一个私有的网络（内网穿透）
内部主机，发送消息到内部的路由器，然后路由器转换IP后，通过公网请求另一个私有网络的路由器，经过转发IP后，访问另一个主机的资源。
IP 隧道技术：在家访问校园网内网的服务
此时需要使用NAT协议（网络地址转换 network address translation）内网下的电脑对外部通信时，显示的是路由器的外部IP。
NAPT：网络地址与端口号转换：大部分应用使用TCP或者UDP传送数据，可以利用运输层的端口号和IP地址，一起进行转换。用一个全球IP地址可以使得拥有多个本地地址的主机，同时和因特网上的主机进行通信。
外网主机不能首先发起通信：收到来自外网的IP数据报后，在 NAPT 转换表中，找不到对应的记录。如果是 P2P 应用需要外网主机主动通信，需要特殊的技术实现内网穿越NAT。