計算機網路（謝希仁 第七版）網路層 個人筆記
第四層 網路層
1.網路層提供的服務：
虛電路服務（面向連線）和資料報服務（無連線）
虛電路服務：類似通話網服務，通訊期間長期佔用此連結（鏈路必須負責可靠性傳輸）
資料報服務：通訊期間不需要建立完整的長期連結（鏈路不負責可靠性傳輸，目的端和源端負責
2.虛電路服務相關介紹：
1.網路上的報文一般都比較短，使用資料報服務的話即迅速又經濟，使用虛電路的話又慢又貴（因為短報文需要多次連通虛電路，連通時間又不長）2.使用資料報時，每個分組必須攜帶完整的地址資訊，而虛電路只需要編號標誌
3.虛電路服務時，虛電路負責差錯控制和流量控制，而使用資料報時，主機承擔端到端的差錯控制和流量控制
4.虛電路時，某個結點發生故障，後續分組可以另選路由，而使用虛電路時，某個結點發生故障，則需要重新建立另一條虛電路
虛電路服務代表：X25網
鏈路編號：虛電路號
X25規定經常通訊的兩端，該虛電路永久建立
特點：貴，相容性不好
3.資料報服務相關介紹：
資料報服務代表協議：IP協議族
1.ARP地址解析協議（向下相容）
2.RARP逆向地址解析協議（已廢，向下相容）
3.ICMP網際控制報文協議（向上提供服務）
4.IGMP網際組管理協議（向上提供服務）
虛擬的網際網路需要解決的問題：
1. 不同的定址方案
2. 不同的最大分組長度
3. 不同的網路接入機制（10M，100M，1G，頻寬）
4. 不同超時控制
5. 不同的差錯恢復方法
6. 不同的狀態報告方法（收到確認訊號）
7. 不同的路由選擇技術（選擇質量高的，還是速度快的，還是兼具的）
8. 不同的使用者接入控制（WIFI接入，撥號接入）
9. 不同的服務（仍有部分虛電路服務在提供）
中間裝置的分類：
1. 物理層使用的中間裝置：轉發器
2. 資料鏈路層使用的中間裝置：網橋
3. 網路層使用的中間裝置：路由器
4. 網路層以上使用的中間裝置：閘道器（連結兩個不相容的系統，需要在高層進行協議的轉換）
4.IP地址的相關介紹
IP地址大小：32位，區域網和廣域網IP可以重疊
IP地址的編址方式：
第一種：分類IP地址：網路號+主機號
A類：前8位為網路號（為A類的標誌：開始第一位為：0）
B類：前16位為網路號（為B類的標誌，前2位為：10）
C類：前24位為網路號為C類地址的標誌，前3位為：110）
D類：D類地址的標誌：前4位為：1110
E類：E類地址的標誌：前5位為：11110（E類還沒有用過）
ps：路由轉發的時候先查詢網路號，這樣直接發到一個網路中，然後由網路中的路由器轉發到對應的機器，這樣路由的轉發表會比較小
分類IP地址的具體分析：
A：（1/2）
網路號全0：表示我整個內網
網路號全1：廣播網（迴旋報文）
B，C類不具體分析
特殊的IP地址：
IP地址的一些重要特點：
1. 分等級的結構地址：好處有兩點：1.IP管理機構只用管理網路號，主機號有該網路號單位自己分配，減輕了IP管理機構的壓力，2。路由器只根據網路號來轉發資料，不考慮主機號，這樣就減輕了路由表的儲存查詢壓力（先找到網路號對應的網路，然後又該網路號的單位查詢對應的主機號然後傳送）
2. 路由至少又兩個IP地址（因為路由就是來連結不同的乙太網的，所以至少有兩個網路號，網路號的單位又給它各自分配了一個主機號，所以路由器至少兩個IP地址）
3. 用轉法器或者網橋連結起來的區域網具有相同的網路號，所以他們是同一個乙太網
MAC地址是在某個乙太網內部來找主機的，而IP地址中的網路號是找網路的！！
5.地址解析協議：
每一個主機都又一個APR，裡面又所在乙太網上的各主機和路由器的IP地址到硬體地址的對映表
APR是解決同一個乙太網上的主機或路由器的IP地址和硬體地址的對映問題
比如A傳送資料給B，就要知道B的IP地址和MAC地址，先在A的乙太網上查詢有沒有B對應的IP地址和MAC地址對應的對映，沒有的話，路由器會做響應，從而在其他乙太網內查
每個路由管一部分IP地址的主機，所以找的是乙太網內特定的路由器
6.IP資料報的格式：
首部和資料
首部中儲存一些固定部分
我們主要了解固定部分
IP資料報首部分析：（20個位元組，20*8位）
1. 版本（4位）：IPV4，IPV6
2. 首部長度（4位）：單位4位元組，比如首部長度為3，表示首部有3*4個位元組
3. 服務型別（8位）：現在沒有使用
4. 總長度（16位）：頭部加資料部分形成的資料報的總長度
5. 標識（16位）：一個數據，分成好幾個報文，然後一個報文繼續分組（同一個報文在傳送的時候被分成好幾個分組，不然傳送不了，太大了），同一個報文的不同分組標識的相同的，標識屬於哪個報文（往上的，對應傳輸層）
6. 標誌（3位，只有後兩位有用）：中間一位表示允不允許分MAC幀，最後一位標識我是不是最後一個MAC幀，標識該幀是不是結束幀
7. 片偏移：一個報文要分成好幾個MAC幀傳送。該幀屬於第幾幀
8. 生成時間：單位是跳，經過一個路由轉發是一跳
9. 協議：向上相容傳輸層的協議，該資料報是來自於傳輸層那個協議的報文
10. 首部檢驗和：校正首部的準確性（採用反碼和的方式）
11. 源地址：來自哪裡
12. 目的地址：去哪裡
7.MAC幀部分及其介紹：
一個IP報文分成好幾個MAC幀
一個數據報組成：首部+資料
一個數據報分成好幾個MAC幀
MAC幀組成：首部+資料
所以多個首部，注意理解
ps：反碼校驗和演算法：
8.路由和交換機的區別：
1. 路由用來連結不同的乙太網，而交換機只負責一個特定網路中的工作
2. 路由用來轉發分組，而交換機可連結主機（路由面向乙太網，交換機面向主機）
3. 路由使用同一的IP協議，而交換機使用所在乙太網的特定協議
9.第二種IP地址的編址方式：劃分子網
原因：為了彌補分類地址的缺陷
分類地址的缺陷：
1. IP地址空間的利用率有時很低（小型的獨佔一個網路，利用率低，學校網利用率高（pc機多）
2. 給每個網路分配一個網路號使路由表效能變壞（雖然路由只儲存網路號，不儲存主機號，但是架不住網路號多啊）
3. 兩級IP地址不夠靈活（待思考）
劃分子網的操作：兩級IP地址變成3級IP地址
3級：網路號+子網號+主機號
2級：網路號+主機號
從2級主機號借用一段用做子網號
Ps：劃分子網純屬一個網路內部的事情！！！
一個乙太網內，把該乙太網內部的主機分成一組一組，一組就是一個子網，所以劃分子網是我這個乙太網內部的事情
劃分子網後網路傳送資料的具體流程：
1. 根據IP資料報的目的網路號找到連線該網路的路由器
2. 路由收到該IP資料報
3. 路由先按照子網號找到對應的子網
4. 路由再按照子網內的主機號找到對應主機
特殊點：路由會按照子網號先找到對應的子網，找到對應子網之後再在子網內部按照主機號找到對應主機，沒有子網號的時候，該網路的路由是直接甩鍋，按照主機號找對應主機的工作是交給集線器和交換機的
子網劃分示意圖：
區域網是資料鏈路層概念
子網是網路層概念
子網由單位內部自己決定
子網掩碼：幫助路由找出IP資料報中的子網號
先根據三級IP地址找到子網掩碼，然後根據子網掩碼找到目的子網，然後更加子網找到子網地址，最後找到的就是IP地址對應的主機
網路地址：劃分成一個個子網的地址，通過三級IP地址和子網掩碼做and操作得到
A類地址的子網掩碼：255.0.0.0
B類地址的子網掩碼：255.255.0.0
C類地址的子網掩碼：255.255.255.0
因為劃分了子網，所以路由記錄的是網路號和子網號
第三種IP地址的編址方式：無分類編址（CIDR）：構成超網
IP編址問題改進的演變：
第一次：劃分子網，子網號不同，IP不同
第二次：無分類編址（IP構成部分長度不固定，靈活）
第三次：CIDR：使用各種長度的網路字首來代替分類地址中的網路號和子網號，不同以前的是網路號和子網號的長度不是固定的
採用CIDR的IP地址構成：網路字首+主機號
CIDR將網路字首相同的連續IP地址構成CIDR地址塊，叫做一個超網
比如：128.12.32.0/20表示地址塊共有2的12次方個地址（20表示網路字首佔前面的20位，IP地址總長規定是32位，所以32-20=12，所以該地址塊有2的12次方個IP地址）
路由聚合：一個CIDR地址塊可以表示很多地址，這種地址的聚合通常稱為路由聚合，它使得路由表一行可以表示很多個原來傳統分類的地址路由
路由聚合頁叫做構成超網
CIDR雖然不使用子網，但仍然使用掩碼這個概念（字首全1，主機號全0）
用轉法器或網橋連線起來的若干個區域網仍為一個網路，因此這些區域網都具有相同的網路號
最長網路字首匹配：在路由表中匹配的時候，可能有多個匹配結果，雖然都能到達目的地，但是網路字首越長，主機數量越少，查起來就越方便
路由表的儲存查詢：使用二叉樹，對路由表中的每一條ip地址轉換為二進位制表示，得到每一個ip地址的唯一字首（路由表中的每一個唯一字首都是不相同的）利用唯一字首構造二叉樹，查到二叉樹的葉子結點就代表查詢完成了（線索二叉樹）
網際控制協議ICMP：為了提高IP資料報交付成功的機會
ICMP允許主機或者路由器報告差錯情況，ICMP的報文作為IP層資料報的資料部分進行傳輸，ICMP屬於IP協議族的一部分
ICMP的具體構成：
1.型別：什麼型別的ICMP報文
2.程式碼：某種錯誤或者異常對應的程式碼
3.校驗和：校驗
4.ICMP的資料部分
注意ICMP報文作為IP報文分組的一部分在網路中傳輸
ICMP報文的種類：ICMP差錯報告報文和ICMP詢問報文
ICMP差錯報文的5種：
1. 終點不可達
2. 源站抑制：源點不允許你向某終點發送資料
3. 時間超過
4. 引數問題：校驗和不對
5. 改變路由（重定向）：可 以走一條新的路徑
出問題的資料報文中取出首部和隨後的8個位元組組成ICMP差錯報文的首部和隨後的8個位元組，然後ICMP差錯報文作為一個新的IP資料報的資料部分重新在網路中傳輸
一個是出錯的報文，一個是報告為什麼出錯的報文
不傳送ICMP差錯報文的四種情況：
1. 對ICMP差錯報告報文不再發送ICMP差錯報告報文：ICMP差錯報告報文就算出錯了也不再發送該ICMP差錯報告報文的ICMP差錯報告報文
2. 對第一個分片的資料報片的所有後續分片都不傳送ICMP差錯報告報文：多給碼片只發送一個ICMP差錯報告報文
3. 對具有多播地址的資料報不發生ICMP差錯報告報文
4. 對具有特殊地址的IP報文不傳送ICMP差錯報告報文
路由的選擇策略問題：
靜態路由選擇策略：即非自適應性的路由選擇，其特定是簡單和開銷小，但不能及時感知網路狀態的變化
動態路由選擇策略：即自適應路由選擇，其特定是能較好的適應網路狀態的變化，但較為複雜，其開銷也比較大
分層次的路由選擇策略：劃分自治域
原因：因為英特網的規模非常大，如果不劃分的話，每個路由器需要儲存的路由表實在太多了，劃分自治域，一個自治域其實就是一個小的網際網路，很多個自治域就構成了我們整個的乙太網
自治系統有權自主的選擇本系統內選擇何種路由選擇協議
自治域有兩種路由選擇協議：
1. 內部閘道器協議IGP：自治系統內部間的通訊（RIP協議和OSPF協議）
2. 外部閘道器協議EGP：自治系統和自治系統間的通訊（BGP協議）
內部閘道器協議RIP協議：分散式的基於距離向量的路由選擇協議
距離定義：路由跳數（直接連線距離為1）
一條路徑最多有15個路由（限制了自治系統的大小）
RIP協議的三要素：
1. 僅和相鄰的路由器交換資訊
2. 交換的資訊是當前路由器知道的全部資訊（即自己的整個路由表）
3. 按固定時間間隔交換路由資訊
路由表構成：目的網路+掩碼+下一條路由+距離向量
RIP的距離向量演算法：
y收到相鄰路由器x的一個RIP報文
1. 先修改此RIP報文中的所有專案，下一跳都改成x，所有距離向量都加1
2. 若RIP中的目的網路不在y自己的路由表中，則將此RIP中的該網路這一行都加入y的路由表中
3. 若RIP中的目的網路在y的路由表中的話，如果下一跳給出的路由地址和y的該網路給出的下一跳路由地址是同樣的話，則將收到的專案替換y中的專案，否則的話，如果x中該專案的距離小於y中該專案的距離，則進行距離向量的更新
4. 如果3分鐘還沒有收到向量路由器的路由表，則將該路由器記為不可達（距離16）
RIP協議的位置：使用運輸層的UDP使用者資料報進行傳輸，RIP位置是在應用層，但IP資料報的過程是在網路層完成的，具體看下圖：
路由表的構成：路由標記+網路地址+掩碼+下一跳路由器地址+距離
RIP報文=首部+路由部分
UDP使用者資料報=UDP首部+RIP報文
IP報文=IP報文首部+UDP使用者資料報
RIP路由選擇協議的優點：
1. 實現簡單，開銷小
RIP路由選擇協議的缺點：
1. 有可能跳數少的路徑擁堵，跳數多的路徑雖然條數多，但是不擁擠頻寬高，速度反而快
2. 某個網路出現故障的話，需要很長的時間才能將資訊傳送到該自治系統的所有路由器（好訊息傳播得快，壞訊息傳播得慢！！！！）
3. 網路規模擴大，傳送的路由表資訊的開銷也加大（不能算是很大的缺點吧）
內部閘道器協議OSPF
交換的不是整個路由表，而是相鄰的鏈路的狀態
鏈路狀態就是說明本路由器和哪些路由器相鄰，以及該鏈路的度量
只有當鏈路狀態發生變化時，路由器才用洪泛法向所有路由器傳送此訊息
就是說鏈路狀態變化時間，相鄰路由器向所有路由器傳送所有鏈路狀態改變的訊息
度量是根據自己的需求去確定的
由於各路由器之間頻繁的交換鏈路狀態資訊，因此所有的路由器最終都能建立一共鏈路狀態資料庫
對自制系統繼續進行劃分，劃分為區域，因為網路過大的話，鏈路狀態資料庫需要儲存的資訊太多了（存的是邊），32位的區域識別符號
內部閘道器協議OSPF的特點：
1. OSPF不用封裝城UDP資料報，而是直接用IP資料報傳送，可見OSPF的位置在網路層
2. OSPF的資料報很短（只有在鏈路狀態發生變化的時候傳送自己的路由資訊，洪泛法）
3. 度量可以多樣化，可以根據業務需求自己設定
4. OSPF路由器之間交換的分組有鑑別功能（每個鏈路的狀態都有一個32位的序號，序號越大狀態就越新）
5. 每隔一段資料重新整理一次資料庫中的鏈路狀態
6. 當網際網路規模大時OSPF協議比RIP距離向量協議號很多（因為一個路由器的鏈路狀態只和相鄰的路由器有關，而RIP記錄了全自治系統路由器的鏈路資訊，所以OSPF沒有限制自治系統的大小）
7. 沒有壞訊息傳播得慢的問題
內部閘道器協議OSPF的組成圖：
版本：協議版本
型別：（5種類型，見下文）
分組長度：資料的長度（因為資料量小，所有不分片）
路由器識別符號：記錄連結在路由器我的哪個埠上
區域識別符號：在自治系統的哪個區域
檢驗和：校驗首部對錯
鑑別型別：相當於加密操作，要鑑別的話有鑑別碼（擴充套件知識）
鑑別：鑑別碼
OSPF分組：OSPF分組首部+資料部分（之所以不叫報文叫分組是因為資料量小，一次可以全部發過去，不用分片）
OSPF分組封裝在IP資料報的資料部分
IP資料報=IP資料報首部+IP資料報的資料部分
OSPF：可靠洪泛法
OSPF的5種分組型別：
1. 問候分組：確定我們之間的鏈路有沒有問題
2. 資料庫描述分組：和我相鄰的路由器的鏈路的一些狀態（路由表）
3. 鏈路狀態請求分組：請求你的路由表
4. 鏈路狀態更新分組：鏈路狀態請求的返回分組（用洪泛法對全網更新鏈路狀態）
5. 鏈路狀態確認分組：成功接收與否的狀態，可靠演算法的保證
OSPF使用的可靠洪泛法：我收到這條鏈路狀態更新分組之後，給傳送方發一個確認分組（保證可靠），然後向與我相連的路由器傳送收到的鏈路更新分組
指定路由：管理該區域的路由，外面區域的資訊傳進來的時候，傳給指定路由，由指定路由去完成接下來的工作
OSPF內部閘道器協議支援的三種網路連線：
1. 兩個路由器之間的點對點連線
2. 具有廣播功能的區域網
3. 無廣播功能的廣域網（一個自治系統是一個廣域網）
網路拓撲的表現形式：有向圖形式，樹形式
外部閘道器協議之BGP協議（BGP4版）
使用背景：因特網規模太大，在自治系統之間選擇一條最佳的路徑是不現實的，因為邊界閘道器協議BGP只是力求尋找一條可以到達目的網路且比較好的路由，而不是要尋找一條最佳路由
一個自治系統內部有一個BGP發言人，輔助交自治系統和自治系統之間的路由資訊
BGP交換路由資訊的過程：先建立TCP連線，然後在此連線上交換BGP報文以建立BGP會話，利用BGP會話交換BGP發言人間的路由資訊（因為TCP的可靠的）
一個BGP發言人只和自己相鄰的BGP發言人交換路由資訊
其實BGP外部閘道器協議類似RIP內部閘道器協議
主幹網自治系統管理地區自治系統，地區自治系統管理本地自治系統（看圖):
層次網路管理，主幹網管理地區ISP，地區ISP管理本地ISP
（就是你到達你的目的地，可以經過X，X，X.....)
一個自治系統一般1個或者2個發言人
BGP協議要記錄整個路徑（不僅記錄下一跳，還要記錄下一跳的下一跳）
BGP協議的4種報文：
1. 開啟報文：用來與相鄰的另一發言人建立關係（類似OSPF的問候分組）
2. 更新報文：更新互動鏈路資訊報文
3. 保活報文：證實和鄰站的關係（斷了嗎）
4. 通知報文：保活報文的回覆，告訴你我之間的狀態
IP多播（目的地址有多個，不是多個單播）：明顯減少網路資源的消耗