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title: "《计网》网络层"
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date: 2023-07-26T11:37:50+08:00
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## 网络层概述
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* 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
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* 需要解决以下问题
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* 网络层向运输层传输需要提供怎么样的服务
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* 网络层寻址问题
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* 路由选择问题
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* 主要功能
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* 异构网络互联
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* 异构网络：数据链路层和物理层均不同网络
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* 网络层的任务之一就是使异构网络实现互联
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* 网络互联通常是指用路由器进行网络互联和路由选择
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* 使用中继系统连接网络
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* 物理层中继系统
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* 转发器，集线器
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* 数据链路层中继系统
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* 网桥，交换机
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* 网络层中继系统
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* 路由器
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* 网络层以上的中继系统
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* 网络
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* 路由选择与分组转发
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* 路由选择【确定路径】
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* 分组转发【一个分组到达后的动作】
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* 拥塞控制
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* 拥塞
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* 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
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* 此时所有节点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组
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* 判断拥塞
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* 观察网络吞吐量与网络负载的关系
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* 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
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* 轻度拥塞->拥塞->死锁
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* 拥塞控制的方法
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* 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
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* 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
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## SDN的基本概念
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* 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
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* 北向接口：SDN提供的编程接口
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* 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）
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* 东西向接口：SDN控制器集群内部控制器之间的通信接口
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## 网络层设备
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### 冲突域和广播域
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* 域 = 冲突或广播在其中发生并传播的区域
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* 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】
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* 广播域 = 接收同样广播消息的节点集合【OSI中第二层概念】
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* 局域网LAN特指使用路由器分割的网络，即广播域
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### 路由器的组成和功能
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* 路由器是一种具有多个输入/输出端口的专用计算机
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* 路由器主要实现物理层，数据链路层，网络层的功能
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* 路由器是网络层设备
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* 路由器的任务
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* 连接异构网络并完成路由转发
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* 路由器的功能
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* 分组转发，处理通过路由器的数据流
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* 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
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* 路由器的组成
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* 路由选择部分
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* 路由选择处理机 + 路由选择协议 + 路由表
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* 控制部分，核心是路由选择处理机
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* 任务是根据所选定的选择协议构造出路由表
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* 同时不断更新路由信息和维护路由表
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* 分组转发部分
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* 组成部分
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* 交换结构（本身是一个网络） + 一组输入端口 + 一组输出端口
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* 三种交换方式
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* 通过交换器进行交换
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* 通过总线进行交互
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* 通过互联网络进行交互
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### 路由表与路由转发
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* 路由表根据路由选择算法得出，主要用途为路由选择
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* 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
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* 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
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* 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
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* 路由表中默认路由的目的地址和子网掩码都是0.0.0.0
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## IP地址的基本知识
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### IP地址的定义
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* 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
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* 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
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* 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
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* IP地址最大值 = $2^{32} = 43$亿左右
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* 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
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### 分类编制的IPV4地址
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#### 分类
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* ABC类地址主要由网络号和主机号组成
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* 网络号标志主机/路由器所连接到的网络
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* 主机号标志主机/路由器
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* 环回测试网络
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* 127.x.x.x是环回自检地址，不指派
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* 最小的环回地址：127.0.0.1
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* 最大的环回地址：127.255.255.254
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* 最大可用网络数
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* A类最大可用网络数 = $2^{网络号} - 2$
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* BC类最大可用网络数 = $2^{网络号}$
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* 网络号为0，不指派
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* 网络号为127，不指派
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* 最大可用主机数
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* 最大可用主机数 = $2^{主机号} - 2$
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* 主机号全为1的地址是广播地址【255.255.255.255只能作为目的地址使用】
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* 主机号全为0的地址是网络本身【0.0.0.0只能作为源地址使用】
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* DE地址
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* D类和E类地址没有主机号
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* 不可用于主机IP
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* D类常用于多播
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* E类是预留的分类，暂时未使用
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* IP分类的优点
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* 简单明了、选路（基于网络地址）简单
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* IP分类的缺点
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* 同一网络下没有地址层次，缺少地址层次的灵活性
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* C类地址254个太少了，B类地址65534个又太多了，不能很好地与显示网络匹配
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* 可用CIDR解决
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* 例题
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* 一般不适用的IP地址
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### 划分子网的IP地址
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* 划分子网原因
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* 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
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* 划分子网点的好处
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* 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
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* 不增加网络的数量
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* 子网划分
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* 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
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* 未做子网划分的ip地址：网络地址+主机地址
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* 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）
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* 如何得到网络地址
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* 将子网掩码和ip地址按位计算AND，就可以得到网络号
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* 默认子网掩码
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* A类：255.0.0.0
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* B类：255.255.0.0
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* C类：255.255.255.0
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* 如何进行子网划分
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* 假设对C类地址进行子网划分
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* 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
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* C类地址中前24位是网络号，最后8位是主机号
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* 根据子网掩码可知从8位主机号中借用2位作为子网号
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* 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
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* 划分后的4个子网如下图
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### 无分类编制的IPV4地址【CIDR】
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* 引入原因
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* 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
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* 作用
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* 一种归并技术，可以把小的网络汇聚成大的超网
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* 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
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* 细节
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* 路由聚合
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* 为了减少路由表的消耗，用路由聚合来聚合网络地址
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* 网络前缀越长，地址块越小，路由越具体
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* 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
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* 例题
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* 
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* 答案为C
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### IPV4的应用规划
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* 定长的子网掩码
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* 使用同一个子网掩码来划分子网
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* 子网划分方式不灵活，只能划分出$2^n$个子网
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* 每个子网所分配的IP地址数量相同，容易造成IP地址浪费
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* 
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* 变长的子网掩码
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* 使用不同的子网掩码来划分子网
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* 子网划分方式灵活，可以按需分配
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* 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
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* 
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### IP数据报的发送和转发过程
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* 主机发送IP数据报
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* 判断目的主机是否与自己在同一网络
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* 在同一网络则直接交付
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* 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
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* 路由器转发IP数据报
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* 检查IP数据报首部是否出错
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* 出错，直接丢弃该IP数据报并通告源主机
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* 没有出错，直接进行转发
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* 根据IP数据报的目的地址，在路由表中查找匹配的条目
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* 
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* 若找到匹配的条目，则转发给条目中指示的下一跳
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* 若找不到，则丢弃该IP数据报并通告源主机
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### 静态路由配置及其可能产生的路由环路问题
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* 静态路由配置
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* 特定主机路由（默认路由）
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* 
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* 静态路由配置错误导致路由环路
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* 
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* 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
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* IP数据报进入路由器后，TTL字段的值减1
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* 若TTL的值不等于0，则被路由器转发，否则被丢弃
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* 聚合不存在的网络而导致的路由环路
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* 
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* 用黑洞路由条目配置解决
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* 网络故障而导致的路由环路
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* 用黑洞路由条目配置解决该问题
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* 如果故障消失了，会暂时把黑洞路由条目设置为失效
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### IPV6
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* IPV6地址的标识方法
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* IPV6地址长度是128位，是以每16位作为一组
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* 每组用冒号[:]隔开
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* 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
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* 一个IP地址中只允许出现一次两个连续的信号
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* IPV6地址的结构
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* 单播地址，用于一对一的通信
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* 组播地址，用于一对多的通信
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* 任播地址，用于通信最近的节点，最近的节点由协议决定
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* IPV6的亮点
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* IPV6可自动配置【即插即用】
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* IPV6首部长度采用固定的值40字节，去掉了校验
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* IPV6安全性提高了
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* IPV6相比IPV4的改进
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* 取消了首部校验和字段
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* 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
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* 取消了分片/重新组装相关字段
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* 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
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* 取消选项字段
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* 选项字段不再是标准IP首部的一部分了
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* 但它并没有消失
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* 而是可能出现在IPV6首部中的下一个首部指出的位置上
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* 删除该选项字段使得IPV6的首部成为固定长度的40字节
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### IPV4首部
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* 首部内容
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* 首部长度，总长度，片偏移的基本单位分别为4B,1B,8B
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* IPV4分片
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* 以太网MTU【最大传输单元】不超过1500
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* 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
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* MF = 1，表示接受到的分片不是最后一个分片
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* 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】
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* 在目的主机中对分片后的数据报重组
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* 例题
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## 路由选择协议概述
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* 静态路由选择/动态路由选择
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* 路由协议的主要特点
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* 自适应-动态路由选择，能较好地适应网络状态的变化
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* 分布式-路由器之间交换路由信息
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* 分层次-将整个因特网划分为许多较小的自治系统
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* 分层次的路由选择协议
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* 路由选择协议
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### 三种路由协议比较
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||RIP|OSPF|BGP|
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|---|---|---|---|
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|类型|内部|内部|外部|
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|路由算法|距离-向量|链路状态|路径-向量|
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|传递协议|UDP，应用层协议|IP，网络层协议|TCP|应用层协议|
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|路径选择|跳数最少|代价最低|较好，非最佳|
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|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|
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|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<br>非首次，有变化的部分|
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### 路由信息协议RIP的工作原理
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* RIP基本概念
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* RIP工作原理
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* RIP基本工作过程
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* RIP路由条目更新规则
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* RIP坏消息传播得慢
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### 开放最短路径优先OSPF的基本工作原理
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* OSPF基本概念
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* 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
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* 主要在主干区域中的路由器都叫做主干路由器
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* 主干路由器可以兼做区域边界路由器
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* 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
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* 链路的代价
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* 交互问候分组
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* 计算最短路径的过程
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* 五种分组类型
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* OSPF的基本工作过程
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* DR和BDR
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* 区域
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* 总结
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### 边界网关协议BGP的工作原理
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* 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
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## IP协议相关技术
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### ICMP【互联网控制报文协议】
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* 概述
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* 五种差错报文
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* 
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* 
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* 
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* 不应该发送差错报文的情况
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* ICMP询问方式
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* ICMP应用
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### ARP协议【IP地址到MAC地址的映射】
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* ARP主要内容
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* ARP广播只在子网中传播
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* 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
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* 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
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* ARP请求是广播发送【不知道目标设备在哪里】
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* ARP响应式单播发送
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* ARP过程
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* 目的主机在本局域网
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* 先在ARP高速缓存中查看有无目的IP地址与MAC地址的映射
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* 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
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* 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
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* 目的主机不在本局域网
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* 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
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### DHCP协议【动态主机配置协议】
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* DHCP主要内容
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* DHCP过程
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### 虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT
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* 公有地址，私有地址
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* 虚拟专用网VPN
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* 
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* 网络地址转换NAT
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* 
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* NAT的表项需要由管理员来添加
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* NAT转换流程
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* 上图有两个客户端192.168.1.10和192.168.1.11
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* 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
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* 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
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* 于是，生成一个NAPT路由器的转换表
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* 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
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* 这种转换表在NAT路由器上自动生成
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* 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
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* 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 |