计算机网络【第四章-网络层】
目录
一、转发
1、数据平面&控制平面
1、数据平面
2、控制平面
2、IP数据报
3、三个协议
1、ARP协议
2、DHCP协议（动态主机配置协议）
3、ICMP协议（网际控制报文协议）
4、IPv4分组
1、IP地址
2、分类的IP地址
3、特殊IP地址
4、私有IP地址
5、网络层编址
1、子网划分和子网掩码
2、无分类编址CIDR
6、网络地址转换NAT
7、IPv6
1、IPV6地址表示形式
2、IPV6基本地址类型
3、IPV6向IPv4过渡的策略
8、移动IP
二、路由选择
1、路由选择算法
2、路由选择协议（层次路由）
1、内部网关协议IGP
1、RIP协议
2、OSPF协议（开放最短路径优先协议）
2、外部网关协议EGP
BGP协议
3、IP组播
一、转发
1、数据平面&控制平面
1、数据平面
路由器执行转发动作的部分，根据转发表进行转发
2、控制平面
路由器构建转发表的部分
①每路由器法：路由选择算法运行在每台路由器中
②SDN法：远程控制器计算和分发转发表供每台路由器使用
💡路由选择处理器：
每路由器法中执行控制平面功能
SDN法中负责与远程控制器通信
2、IP数据报
①版本：IPv4 or IPv6
②首部长度：单位是4字节，最小为5
③区分服务：期望获得哪种类型的服务
④总长度：单位是1字节
⑤标识：同一数据报的分片使用同一标识
⑥标志：只有2位有意义
中间位DF（Don't Fragment）DF=1禁止分片
最低位MF（More Fragment）MF=1代表后面还有分片
⑦片偏移：某分片在原分组中的相对位置，单位为8字节
⑧生存时间：IP分组的保质期，经过一个路由器减一，变0则丢弃
⑨协议：数据部分的协议（TCP字段值：6、UDP字段值：17）
⑩首部检验和：用于检验首部
⑪可选字段：用来排错测量
⑫填充：全0，把首部补成4字节的整数倍
3、三个协议
1、ARP协议
- 背景：在实际网络链路上传送数据时，必须使用MAC地址（物理地址）
- 概述：ARP协议解决IP地址到MAC地址的映射
- 过程：检查ARP高速缓存，有对应MAC地址则写入MAC帧，没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求，目的主机收到请求后向源主机单播ARP响应，源主机收到后将此映射写入ARP缓存
2、DHCP协议（动态主机配置协议）
- 作用：动态分配IP地址
- 概述：应用层协议，使用客户、服务器方式，客户端和服务端通过广播交互，基于UDP
- 过程：
- 主机广播DHCP发现报文（有吗？）
- 服务器广播DHCP提供报文（有）
- 主机广播DHCP请求报文（给我吧）
- DHCP服务器广播DHCP确认报文（好的）
3、ICMP协议（网际控制报文协议）
- 作用：检测网络连通性、传输错误，发送特定ICMP报文
- 分类：
- ICMP差错报文
- 终点不可达：不能交付数据报时，向源点发送报文
- 时间超过：路由器收到生存时间为零的数据报时，丢弃，向源点发送报文，终点在规定时间内不能收到全部数据报片时，把已收到的丢弃，向源点发送报文
- 参数问题：当数据报的首部出错时，丢弃，向源点发送报文
- 改变路由（重定向）：路由器把改变路由报文发送给主机
- ICMP询问报文
- 回送请求和回答报文：测试目的站是否可达（应用：PING）
- 时间戳请求和回答报文：进行时钟同步和测量时间
4、IPv4分组
1、IP地址
定义：唯一的32位/4字节标识，标识路由器主机的接口
构成：网络号+主机号
💡点分十进制：把一字节的二进制数转为十进制，并用“.”分隔，IP地址转换为“x.x.x.x”
2、分类的IP地址
3、特殊IP地址
4、私有IP地址
5、网络层编址
1、子网划分和子网掩码
- 子网划分：将主机号的一部分划分为子网号
- 子网掩码：划分IP地址的网络部分（网络号和子网号，全1）和主机部分（全0）
- 用法：子网掩码与目的IP地址逐位相与，得到目的子网地址
2、无分类编址CIDR
- 编址方式：可变长网络前缀+主机号（网络前缀相同的地址组成地址块）
- 形式：“x.x.x.x/网络前缀位数”
- 构成超网：多个网络地址取交集
- 最长前缀匹配：目的地址和目的网络掩码按位与，正确且前缀最长的为下一跳
6、网络地址转换NAT
- 在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，它至少有一个外部全球IP地址
- 专用网中的所有主机公用NAT路由器的IP地址
7、IPv6
①流标签：用于区分不同流的数据报
②跳数限制：相当于IPv4的生存时间
💡v4与v6对比：
①v6是16字节，v4是4字节
②v6将可选字段移出首部变为扩展首部
③v6支持地址自动分配，不需要DHCP
④v6首部长度是8B的整数倍，v4首部是4B的整数倍
⑤v6只能在主机处分片，v4可以在路由器和主机处分片
1、IPV6地址表示形式
①一般形式（冒号十六进制记法）：4BF5:AA12:0216:FEBC:BA5F:039A:BE9A:2170
②压缩形式：
普通压缩：一组全零用一个零替代，一组以零开始，省略零
零压缩：连续的几组全零用一对冒号取代，在一个地址中仅可出现一次
2、IPV6基本地址类型
①单播：一对一通信，可做源/目的地址
②多播：一对多通信，可做目的地址
③任播：一对多中的一个通信，可做目的地址
3、IPV6向IPv4过渡的策略
①双栈协议：同时用IPv4和IPv6
②隧道技术：将其它协议的数据包重新封装后发送
8、移动IP
相关概念：
①定义：移动结点以固定的网络IP，实现跨越不同网段的漫游功能
②移动结点：具有永久IP地址的移动设备
③归属（本地）代理：在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体
④永久地址（归属地址/主地址）：移动站点在归属网络中的原始地址
⑤外部（外地）代理：在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体
⑥转交地址（辅地址）：外部代理的地址或动态配置的一个地址
二、路由选择
1、路由选择算法
2、路由选择协议（层次路由）
1、内部网关协议IGP
1、RIP协议
①要求每个路由器维护它自己到每个网络的唯一最佳距离记录
②距离通常为跳数，到目的网络路上的路由器+1、目的网络+1
③一条路最多有15个路由器，距离为16表示网络不可达
④只适用于小互联网
⑤每30秒和相邻路由器交换自己的路由表
💡通过广播UDP报文交换路由信息
2、OSPF协议（开放最短路径优先协议）
①链路状态变化时，和所有路由器交换自己与相邻的所有路由器的链路状态
②只适用于大互联网
③更新速度快
💡采用IP交换信息
2、外部网关协议EGP
BGP协议
①变化时，与相邻AS（自治系统）的BGP发言人交换网络可达性的信息（到达某网络要经过的一系列AS）
②后续发生变化时只更新有变化的部分
💡采用TCP交换信息
3、IP组播
组播定义：发送者发一次，数据到达距离用户尽可能近的节点后开始复制和分发