第四层 网络层
1.网络层提供的服务：
虚电路服务（面向连接）和数据报服务（无连接）
虚电路服务：类似通话网服务，通信期间长期占用此链接（链路必须负责可靠性传输）
数据报服务：通信期间不需要建立完整的长期链接（链路不负责可靠性传输，目的端和源端负责，比如差错性检验的循环冗余校验）
2.虚电路服务相关介绍：
1.网络上的报文一般都比较短，使用数据报服务的话即迅速又经济，使用虚电路的话又慢又贵（因为短报文需要多次连通虚电路，连通时间又不长）
2.使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息，而虚电路只需要编号标志
3.虚电路服务时，虚电路负责差错控制和流量控制，而使用数据报时，主机承担端到端的差错控制和流量控制
4.虚电路时，某个结点发生故障，后续分组可以另选路由，而使用虚电路时，某个结点发生故障，则需要重新建立另一条虚电路
虚电路服务代表：X25网
链路编号：虚电路号
X25规定经常通信的两端，该虚电路永久建立
特点：贵，兼容性不好
3.数据报服务相关介绍：
数据报服务代表协议：IP协议族
1.ARP地址解析协议（向下兼容）
2.RARP逆向地址解析协议（已废，向下兼容）
3.ICMP网际控制报文协议（向上提供服务）
4.IGMP网际组管理协议（向上提供服务）
虚拟的互联网需要解决的问题：
1. 不同的寻址方案
2. 不同的最大分组长度
3. 不同的网络接入机制（10M，100M，1G，带宽）
4. 不同超时控制
5. 不同的差错恢复方法
6. 不同的状态报告方法（收到确认信号）
7. 不同的路由选择技术（选择质量高的，还是速度快的，还是兼具的）
8. 不同的用户接入控制（WIFI接入，拨号接入）
9. 不同的服务（仍有部分虚电路服务在提供）
中间设备的分类：
1. 物理层使用的中间设备：转发器
2. 数据链路层使用的中间设备：网桥
3. 网络层使用的中间设备：路由器
4. 网络层以上使用的中间设备：网关（链接两个不兼容的系统，需要在高层进行协议的转换）
4.IP地址的相关介绍
IP地址大小：32位，局域网和广域网IP可以重叠
IP地址的编址方式：
第一种：分类IP地址：网络号+主机号
A类：前8位为网络号（为A类的标志：开始第一位为：0）
B类：前16位为网络号（为B类的标志，前2位为：10）
C类：前24位为网络号为C类地址的标志，前3位为：110）
D类：D类地址的标志：前4位为：1110
E类：E类地址的标志：前5位为：11110（E类还没有用过）
ps：路由转发的时候先查找网络号，这样直接发到一个网络中，然后由网络中的路由器转发到对应的机器，这样路由的转发表会比较小
分类IP地址的具体分析：
A：（1/2）
网络号全0：表示我整个内网
网络号全1：广播网（回旋报文）
B，C类不具体分析
特殊的IP地址：
IP地址的一些重要特点：
1. 分等级的结构地址：好处有两点：1.IP管理机构只用管理网络号，主机号有该网络号单位自己分配，减轻了IP管理机构的压力，2。路由器只根据网络号来转发数据，不考虑主机号，这样就减轻了路由表的储存查找压力（先找到网络号对应的网络，然后又该网络号的单位查找对应的主机号然后发送）
2. 路由至少又两个IP地址（因为路由就是来链接不同的以太网的，所以至少有两个网络号，网络号的单位又给它各自分配了一个主机号，所以路由器至少两个IP地址）
3. 用转法器或者网桥链接起来的局域网具有相同的网络号，所以他们是同一个以太网
MAC地址是在某个以太网内部来找主机的，而IP地址中的网络号是找网络的！！
5.地址解析协议：
每一个主机都又一个APR，里面又所在以太网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表
APR是解决同一个以太网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题
比如A发送数据给B，就要知道B的IP地址和MAC地址，先在A的以太网上查找有没有B对应的IP地址和MAC地址对应的映射，没有的话，路由器会做响应，从而在其他以太网内查
每个路由管一部分IP地址的主机，所以找的是以太网内特定的路由器
6.IP数据报的格式：
首部和数据
首部中保存一些固定部分
我们主要了解固定部分
IP数据报首部分析：（20个字节，20*8位）
1. 版本（4位）：IPV4，IPV6
2. 首部长度（4位）：单位4字节，比如首部长度为3，表示首部有3*4个字节
3. 服务类型（8位）：现在没有使用
4. 总长度（16位）：头部加数据部分形成的数据报的总长度
5. 标识（16位）：一个数据，分成好几个报文，然后一个报文继续分组（同一个报文在发送的时候被分成好几个分组，不然发送不了，太大了），同一个报文的不同分组标识的相同的，标识属于哪个报文（往上的，对应传输层）
6. 标志（3位，只有后两位有用）：中间一位表示允不允许分MAC帧，最后一位标识我是不是最后一个MAC帧，标识该帧是不是结束帧
7. 片偏移：一个报文要分成好几个MAC帧发送。该帧属于第几帧
8. 生成时间：单位是跳，经过一个路由转发是一跳
9. 协议：向上兼容传输层的协议，该数据报是来自于传输层那个协议的报文
10. 首部检验和：校正首部的准确性（采用反码和的方式）
11. 源地址：来自哪里
12. 目的地址：去哪里
7.MAC帧部分及其介绍：
一个IP报文分成好几个MAC帧
一个数据报组成：首部+数据
一个数据报分成好几个MAC帧
MAC帧组成：首部+数据
所以多个首部，注意理解
ps：反码校验和算法：
8.路由和交换机的区别：
1. 路由用来链接不同的以太网，而交换机只负责一个特定网络中的工作
2. 路由用来转发分组，而交换机可链接主机（路由面向以太网，交换机面向主机）
3. 路由使用同一的IP协议，而交换机使用所在以太网的特定协议
9.第二种IP地址的编址方式：划分子网
原因：为了弥补分类地址的缺陷
分类地址的缺陷：
1. IP地址空间的利用率有时很低（小型的独占一个网络，利用率低，学校网利用率高（pc机多）
2. 给每个网络分配一个网络号使路由表性能变坏（虽然路由只储存网络号，不存储主机号，但是架不住网络号多啊）
3. 两级IP地址不够灵活（待思考）
划分子网的操作：两级IP地址变成3级IP地址
3级：网络号+子网号+主机号
2级：网络号+主机号
从2级主机号借用一段用做子网号
Ps：划分子网纯属一个网络内部的事情！！！
一个以太网内，把该以太网内部的主机分成一组一组，一组就是一个子网，所以划分子网是我这个以太网内部的事情
划分子网后网络发送数据的具体流程：
1. 根据IP数据报的目的网络号找到连接该网络的路由器
2. 路由收到该IP数据报
3. 路由先按照子网号找到对应的子网
4. 路由再按照子网内的主机号找到对应主机
特殊点：路由会按照子网号先找到对应的子网，找到对应子网之后再在子网内部按照主机号找到对应主机，没有子网号的时候，该网络的路由是直接甩锅，按照主机号找对应主机的工作是交给集线器和交换机的
子网划分示意图：
局域网是数据链路层概念
子网是网络层概念
子网由单位内部自己决定
子网掩码：帮助路由找出IP数据报中的子网号
先根据三级IP地址找到子网掩码，然后根据子网掩码找到目的子网，然后更加子网找到子网地址，最后找到的就是IP地址对应的主机
网络地址：划分成一个个子网的地址，通过三级IP地址和子网掩码做and操作得到
A类地址的子网掩码：255.0.0.0
B类地址的子网掩码：255.255.0.0
C类地址的子网掩码：255.255.255.0
因为划分了子网，所以路由记录的是网络号和子网号
第三种IP地址的编址方式：无分类编址（CIDR）：构成超网
IP编址问题改进的演变：
第一次：划分子网，子网号不同，IP不同
第二次：无分类编址（IP构成部分长度不固定，灵活）
第三次：CIDR：使用各种长度的网络前缀来代替分类地址中的网络号和子网号，不同以前的是网络号和子网号的长度不是固定的
采用CIDR的IP地址构成：网络前缀+主机号
CIDR将网络前缀相同的连续IP地址构成CIDR地址块，叫做一个超网
比如：128.12.32.0/20表示地址块共有2的12次方个地址（20表示网络前缀占前面的20位，IP地址总长规定是32位，所以32-20=12，所以该地址块有2的12次方个IP地址）
路由聚合：一个CIDR地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合通常称为路由聚合，它使得路由表一行可以表示很多个原来传统分类的地址路由
路由聚合页叫做构成超网
CIDR虽然不使用子网，但仍然使用掩码这个概念（前缀全1，主机号全0）
用转法器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有相同的网络号
最长网络前缀匹配：在路由表中匹配的时候，可能有多个匹配结果，虽然都能到达目的地，但是网络前缀越长，主机数量越少，查起来就越方便
路由表的储存查找：使用二叉树，对路由表中的每一条ip地址转换为二进制表示，得到每一个ip地址的唯一前缀（路由表中的每一个唯一前缀都是不相同的）利用唯一前缀构造二叉树，查到二叉树的叶子结点就代表查找完成了（线索二叉树）
网际控制协议ICMP：为了提高IP数据报交付成功的机会
ICMP允许主机或者路由器报告差错情况，ICMP的报文作为IP层数据报的数据部分进行传输，ICMP属于IP协议族的一部分
ICMP的具体构成：
1.类型：什么类型的ICMP报文
2.代码：某种错误或者异常对应的代码
3.校验和：校验
4.ICMP的数据部分
注意ICMP报文作为IP报文分组的一部分在网络中传输
ICMP报文的种类：ICMP差错报告报文和ICMP询问报文
ICMP差错报文的5种：
1. 终点不可达
2. 源站抑制：源点不允许你向某终点发送数据
3. 时间超过
4. 参数问题：校验和不对
5. 改变路由（重定向）：可 以走一条新的路径
出问题的数据报文中取出首部和随后的8个字节组成ICMP差错报文的首部和随后的8个字节，然后ICMP差错报文作为一个新的IP数据报的数据部分重新在网络中传输
一个是出错的报文，一个是报告为什么出错的报文
不发送ICMP差错报文的四种情况：
1. 对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文：ICMP差错报告报文就算出错了也不再发送该ICMP差错报告报文的ICMP差错报告报文
2. 对第一个分片的数据报片的所有后续分片都不发送ICMP差错报告报文：多给码片只发送一个ICMP差错报告报文
3. 对具有多播地址的数据报不发生ICMP差错报告报文
4. 对具有特殊地址的IP报文不发送ICMP差错报告报文
路由的选择策略问题：
静态路由选择策略：即非自适应性的路由选择，其特定是简单和开销小，但不能及时感知网络状态的变化
动态路由选择策略：即自适应路由选择，其特定是能较好的适应网络状态的变化，但较为复杂，其开销也比较大
分层次的路由选择策略：划分自治域
原因：因为英特网的规模非常大，如果不划分的话，每个路由器需要存储的路由表实在太多了，划分自治域，一个自治域其实就是一个小的互联网，很多个自治域就构成了我们整个的以太网
自治系统有权自主的选择本系统内选择何种路由选择协议
自治域有两种路由选择协议：
1. 内部网关协议IGP：自治系统内部间的通信（RIP协议和OSPF协议）
2. 外部网关协议EGP：自治系统和自治系统间的通信（BGP协议）
内部网关协议RIP协议：分布式的基于距离向量的路由选择协议
距离定义：路由跳数（直接连接距离为1）
一条路径最多有15个路由（限制了自治系统的大小）
RIP协议的三要素：
1. 仅和相邻的路由器交换信息
2. 交换的信息是当前路由器知道的全部信息（即自己的整个路由表）
3. 按固定时间间隔交换路由信息
路由表构成：目的网络+掩码+下一条路由+距离向量
RIP的距离向量算法：
y收到相邻路由器x的一个RIP报文
1. 先修改此RIP报文中的所有项目，下一跳都改成x，所有距离向量都加1
2. 若RIP中的目的网络不在y自己的路由表中，则将此RIP中的该网络这一行都加入y的路由表中
3. 若RIP中的目的网络在y的路由表中的话，如果下一跳给出的路由地址和y的该网络给出的下一跳路由地址是同样的话，则将收到的项目替换y中的项目，否则的话，如果x中该项目的距离小于y中该项目的距离，则进行距离向量的更新
4. 如果3分钟还没有收到向量路由器的路由表，则将该路由器记为不可达（距离16）
RIP协议的位置：使用运输层的UDP用户数据报进行传输，RIP位置是在应用层，但IP数据报的过程是在网络层完成的，具体看下图：
路由表的构成：路由标记+网络地址+掩码+下一跳路由器地址+距离
RIP报文=首部+路由部分
UDP用户数据报=UDP首部+RIP报文
IP报文=IP报文首部+UDP用户数据报
RIP路由选择协议的优点：
1. 实现简单，开销小
RIP路由选择协议的缺点：
1. 有可能跳数少的路径拥堵，跳数多的路径虽然条数多，但是不拥挤带宽高，速度反而快
2. 某个网络出现故障的话，需要很长的时间才能将信息传送到该自治系统的所有路由器（好消息传播得快，坏消息传播得慢！！！！）
3. 网络规模扩大，传送的路由表信息的开销也加大（不能算是很大的缺点吧）
内部网关协议OSPF
交换的不是整个路由表，而是相邻的链路的状态
链路状态就是说明本路由器和哪些路由器相邻，以及该链路的度量
只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此消息
就是说链路状态变化时间，相邻路由器向所有路由器发送所有链路状态改变的消息
度量是根据自己的需求去确定的
由于各路由器之间频繁的交换链路状态信息，因此所有的路由器最终都能建立一共链路状态数据库
对自制系统继续进行划分，划分为区域，因为网络过大的话，链路状态数据库需要存储的信息太多了（存的是边），32位的区域标识符
内部网关协议OSPF的特点：
1. OSPF不用封装城UDP数据报，而是直接用IP数据报传送，可见OSPF的位置在网络层
2. OSPF的数据报很短（只有在链路状态发生变化的时候发送自己的路由信息，洪泛法）
3. 度量可以多样化，可以根据业务需求自己设置
4. OSPF路由器之间交换的分组有鉴别功能（每个链路的状态都有一个32位的序号，序号越大状态就越新）
5. 每隔一段数据刷新一次数据库中的链路状态
6. 当互联网规模大时OSPF协议比RIP距离向量协议号很多（因为一个路由器的链路状态只和相邻的路由器有关，而RIP记录了全自治系统路由器的链路信息，所以OSPF没有限制自治系统的大小）
7. 没有坏消息传播得慢的问题
内部网关协议OSPF的组成图：
版本：协议版本
类型：（5种类型，见下文）
分组长度：数据的长度（因为数据量小，所有不分片）
路由器标识符：记录链接在路由器我的哪个端口上
区域标识符：在自治系统的哪个区域
检验和：校验首部对错
鉴别类型：相当于加密操作，要鉴别的话有鉴别码（扩展知识）
鉴别：鉴别码
OSPF分组：OSPF分组首部+数据部分（之所以不叫报文叫分组是因为数据量小，一次可以全部发过去，不用分片）
OSPF分组封装在IP数据报的数据部分
IP数据报=IP数据报首部+IP数据报的数据部分
OSPF：可靠洪泛法
OSPF的5种分组类型：
1. 问候分组：确定我们之间的链路有没有问题
2. 数据库描述分组：和我相邻的路由器的链路的一些状态（路由表）
3. 链路状态请求分组：请求你的路由表
4. 链路状态更新分组：链路状态请求的返回分组（用洪泛法对全网更新链路状态）
5. 链路状态确认分组：成功接收与否的状态，可靠算法的保证
OSPF使用的可靠洪泛法：我收到这条链路状态更新分组之后，给发送方发一个确认分组（保证可靠），然后向与我相连的路由器发送收到的链路更新分组
指定路由：管理该区域的路由，外面区域的信息传进来的时候，传给指定路由，由指定路由去完成接下来的工作
OSPF内部网关协议支持的三种网络连接：
1. 两个路由器之间的点对点连接
2. 具有广播功能的局域网
3. 无广播功能的广域网（一个自治系统是一个广域网）
网络拓扑的表现形式：有向图形式，树形式
外部网关协议之BGP协议（BGP4版）
使用背景：因特网规模太大，在自治系统之间选择一条最佳的路径是不现实的，因为边界网关协议BGP只是力求寻找一条可以到达目的网络且比较好的路由，而不是要寻找一条最佳路由
一个自治系统内部有一个BGP发言人，辅助交自治系统和自治系统之间的路由信息
BGP交换路由信息的过程：先建立TCP连接，然后在此连接上交换BGP报文以建立BGP会话，利用BGP会话交换BGP发言人间的路由信息（因为TCP的可靠的）
一个BGP发言人只和自己相邻的BGP发言人交换路由信息
其实BGP外部网关协议类似RIP内部网关协议
主干网自治系统管理地区自治系统，地区自治系统管理本地自治系统（看图):
层次网络管理，主干网管理地区ISP，地区ISP管理本地ISP
（就是你到达你的目的地，可以经过X，X，X.....)
一个自治系统一般1个或者2个发言人
BGP协议要记录整个路径（不仅记录下一跳，还要记录下一跳的下一跳）
BGP协议的4种报文：
1. 打开报文：用来与相邻的另一发言人建立关系（类似OSPF的问候分组）
2. 更新报文：更新交互链路信息报文
3. 保活报文：证实和邻站的关系（断了吗）
4. 通知报文：保活报文的回复，告诉你我之间的状态
IP多播（目的地址有多个，不是多个单播）：明显减少网络资源的消耗