计算机网络 网络层
专有名词
-
IP internet protocol
-
ARP address resolution protocol 地址解析协议
-
ICMP internet control message protocol
-
IGMP internet group management protocol
-
RIP routine information protocol
-
OSPF open shortest path first
-
BGP border gateway protocol
-
IGP 内部网关协议
-
EGP 外部网关协议
-
NAT network address translation
-
CIDR classes inner domain routing
需要计算
- IP分组分片
- 网络划分
该层涉及的格式：
IP分组的格式
功能
寻址：选择合适的路由，把数据分组从源主机传送到目的机器。
核心网络提供尽力而为的IP分组传输服务。
无连接的、尽最大努力交付的。
不提供服务质量的承诺。
网络互联：路由器进行网络互联和路由选择。
IP协议
概述
- IP
- ARP
- ICMP
- IGMP
IP地址
标识连接在互联网上的主机
IPV4：32位标识符
基本编址方法
| 网络分类 | ||
|---|---|---|
| A | 1 | 127 |
| B | 128 | 191 |
| C | 192 |
特殊IP地址
| 网络号 | 主机号 | 源地址可用 | 目的地址可用 | 代表 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | √ | 本网络的本主机 | |
| 0 | 主机号 | √ | ||
| 全1 | 全1 | √ | ||
| 网络号 | 全1 | √ | ||
| 127 | 非全0或全1 | √ | √ | 本地软件环回测试 |
特殊IP地址
私网地址
说明
用集线器和交换机连接起来的若干个局域网仍为一个网络，具有同样的网络号net-id
- 多归属主机
- 路由器：至少连接在两个网络上
IP分组格式
首部的前一部分固定长度是20字节
数据部分又称有效载荷。
采用16位反码求和校验
IP分组分片
ARP
地址解析协议
通信的时候使用了两个地址：
- IP地址（网络层）
- MAC地址（数据链路层）
解决的问题
解决同一局域网内，IP地址和MAC地址的映射问题。
工作原理
A向B发IP分组，除了要写目的IP地址，还要在A的 ARP cache里查看是否有B的映射信息。
如果有，就将B的MAC地址写入帧目的物理地址，然后发送
如果没有，就广播ARP请求，询问B的MAC地址。收到B的ARP响应后，写入ARP cache。
如果目的主机和源主机不在同一个局域网上，就要通过ARP找到本局域网上的路由器MAC地址，把分组转发给路由器，让路由器把这个分组发给下一个网络。
查看ARP缓冲
arp -a
ARP缓冲存放最近获得的IP地址到MAC地址的绑定，减少广播的数量。
网络划分
子网掩码
功能
将一个大网络划分成多个小网络，或者是将多个小网络聚合成一个大网络。
组成
32位
前面是连续的1（对应网络号），后面是连续的0（对应主机号）
默认的子网掩码
| 网络类别 | 子网掩码 |
|---|---|
| A类 | 255.0.0.0 |
| B类 | 255.255.0.0 |
| C类 | 255.255.255.0 |
CIDR无类别域间路由选择✨✨
记法
10.0.0.0/10
表示掩码的前10位是1，也就是前10位是网络号
路由聚合
一个CIDR地址块包含多个地址，这中地址的聚合就叫做 路由聚合。
减少路由器之间的路由选择信息的交换
也称为 “构成超网”
路由器
路由器工作过程
根据网络号转发分组
路由表的每条路由包括：目的网络地址、子网掩码、下一跳
在划分子网的情况下，路由转发分组的算法
例：
已知互联网和路由器R1的路由表。主机H1向H2发送分组。试讨论R1收到H1向H2发送的分组后查找路由表的过程。
首先，H1检查H2是否连接在本网络上，如果是，则直接交付。否则，就送交给路由器R1。
然后，路由器R1逐项检查路由表。
主机H1如何判断目标主机H2是否和自己在一个网络上
用H2的IP和H1的子网掩码做“与”运算，看结果是不是跟H1的网络地址相同。
相同则是在一个网络上。
最长前缀匹配
路由表
| 目的网络地址 | 下一跳 |
|---|---|
| ... | ... |
| 206.0.68.0/22 | 略 |
| 206.0.71.128/25 | 略 |
| 0.0.0.0 | 略 |
AS
Autonomous system
自治系统
单一的技术管理下的一组路由器组成，这些路由器内部使用一种策略
路由表的动态计算（路由选择）
RIP
- 是一个内部网关协议IGP
- 基于分布式的
- 基于距离向量的
- 路由选择协议
距离向量算法
距离单位，最大15跳 hops
目标
动态构建路由表
工作原理
- 每一个路由器都要维护它自己到其他每一个目的网络的距离记录。
- 与相邻的路由器交换路由信息，更新自己的路由表，获得最短的路由
特点
好消息传得快，换消息传的慢。
存在问题
如果网络出现故障，会经过相当时间才会将这个信息传送到所有的路由器。
OSPF
克服RIP的缺点
采用分布式的链路状态协议 link state protocol
BGP
不同自治系统之间的路由选择协议
从路由算法的自适应性考虑
分两种
静态路由选择算法
非自适应的，不能适应网络的变化，实现简单，开销小
动态路由选择算法
自适应性的，能够适应网络的变化，实现复杂，开销大
- 内部网关协议IGP：RIP、OSPF
- 外部网关协议EGP：BGP
AS与IGP、EGP的关系
NAT
网络地址转换
NAT至少有一个有效的外部全球IP地址
内部主机和外部主机通信时，NAT路由器上发送了两次地址转换：
- 离开专用网：改源地址，内部->外部
- 进入专用网：改目的地址，外部->内部
例如，私有IP地址A，默认网关 外部IP地址B，外部主机IP地址C。如果A向C发送一个数据包～～
过程详细描述：
初始，
| 源IP | 目的IP |
|---|---|
| A | C |
数据包到达有NAT功能的默认网关，会将把所有向外传送的IP分组的源IP地址，改为自己对外的IP地址，同时生成“状态表”中的一项。
| 源IP | 目的IP |
|---|---|
| B | C |
“连接”---源IP（内部），目的IP（外），标识