计算机网络复习-网络层

章节主要内容

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虚拟互连网络

实际的计算机网络是错综复杂的
物理设备通过使用ip协议，屏蔽了物理网络之间的差异
当网络中的主机使用ip协议连接时，则无需关注网络细节

IP协议

ip协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互连的网络
ip协议使得网络层可以屏蔽细节而专注网络层的数据转发
ip协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题
mac地址是固定不变的，就算换了计算机它的硬件地址是固定的
ip地址是可变的，比如换一个wifi的话IP地址就会发生变化，受网络环境影响
IP地址长度为32位，常分为4个8位
IP地址尝试用点分十进制来表示

头部信息

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版本：占4位，指的是IP协议的版本，通信双方的版本必须是一致的，当前主流版本是4，即ipv4，也有ipv6
首部位长度:占4位，最大数值为15，表示的是IP首部长度单位是“32位字”(4个字节)，也即是IP首部最大长度为60字节
总长度:占16位，最大数值为65535，表示的是IP数据报总长度(IP首部+IP数据)
TTL:占8位，表明IP数据报文在网络中的寿命，每经过一个设备，TTL减1，当TTL=0时网络设备必须丢弃该报文
协议:占8位，表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的(如:TCP、UDP等)
首部校验和:占16位，校验IP首部是否有出错

IP协议的转发流程

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第一种

A发出目的地为C的IP数据报，查询路由表发现下一跳为E
A将数据报发送给E
E查询路由表发现下一跳为F，将数据报发送给F
F查询路由表发现目的地C直接连接，将数据报发送给C

第二种

A发出目的地为C的IP数据报，查询路由表发现下一跳为E
A将IP数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址是E
数据链路层填充源MAC地址A和目的MAC地址E
数据链路层通过物理层将数据发送给E
E的数据链路层接收到数据帧，把帧数据交给网络层
E查询路由表，发现下一跳为F
E把数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址为F
E的数据链路层封装数据帧并发送
F的数据链路层接收到数据帧，把帧数据交给网络层
F查询路由表，发现下一跳为C
F把数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址为C
F的数据链路层封装数据帧并发送
其中：
- 数据帧每一跳的MAC地址都在变化
- IP数据报每一跳的IP地址始终不变

ARP协议与RARP协议

ARP协议

ARP协议的作用，就像是一个"黄页电话簿"或者"地址查询服务"。当你知道某个人（设备）的身份证号码（IP地址），但是不知道他们实际住在哪里（MAC地址），就可以使用ARP协议来获取他们的实际居住地址。
ARP协议是地址解析协议
ARP缓存表，就是一个IP地址的映射
ARP缓存表有两种情况：
第一种是ARP缓存表有IP地址和MAC地址的映射关系
-如果有映射关系的话就可以使用网络层的ip地址找到数据链路层的mac地址
第二种是ARP缓存表没有IP地址和MAC地址的映射关系
-如果没有映射关系的话ARP会广播一个ip的信息，所以设备收到信息会回应一个包，表示说是不是这个IP地址，如果是就会记录IP地址和MAC地址。
ARP缓存表是ARP协议和RARP协议运行的关键
ARP缓存表缓存了IP地址到硬件地址之间的映射关系
ARP缓存表中的记录并不是永久有效的，有一定的期限，因为IP地址会变化

RARP协议

RARP协议，逆地址解析协议

ARP总结

®ARP协议是TCP/IP协议栈里面基础的协议
ARP和RARP的操作对程序员是透明的
理解®ARP协议有助于理解网络分层的细节

IP地址的子网划分

IP地址长度为32位，常分为4个8位
IP地址常用点分十进制来表示(0 ~ 255,0 ~ 255, 0 ~ 255, 0 ~ 255)

分类的IP地址

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特殊的主机号
-主机号为0表示当前网络段，不可分配为特定主机
-主机号为全1表示广播地址，向当前网络段所有主机发送消息，主机号不是网络号
特殊的网络号
-A类地址网络段全0(00000000)表示特殊网络
-A类地址网络段后7位全1(01111111:127)表示回环地址
-B类地址网络段(10000000.00000000:128.0)是不可使用的
-C类地址网络段(192.0.0)是不可使用的
回环地址
-127.0.0.1，通常被称为本地回环地址(Loopback Address)，不属于任何一个有类别地址类。它代表设备的本地虚拟接口，所以默认被看作是永远不会宕掉的接口。在Windows操作系统中也有相似的定义，所以通常在安装网卡前就可以ping通这个本地回环地址。一般都会用来检查本地网络协议、基本数据接口等是否正常的。

划分子网

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子网掩码
-子网掩码和IP地址是一样的，都是32位
-子网掩码由连续的1和0组成
-某一个子网的子网掩码具备网络号位数个连续的1

通过上面两个的与运算得出子网号

无分类编址CIDR

CIDR中没有A、B、C类网络号、和子网划分的概念
CIDR将网络前缀相同的IP地址称为一个“CIDR地址块
斜线记法
-193.10.10.129/25

网络地址转换NAT技术

网络地址转换NAT技术就是把内网地址和外网地址互转
IPv4最多只有40+亿个IP地址
早期IP地址的不合理规划导致IP号浪费

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三类内网地址
-10.0.0.0~10.255.255.255(支持千万数量级设备)
-172.16.0.0~172.31.255.255(支持百万数量级设备)
-192.168.0.0~192.168.255.255(支持万数量级设备)

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网络地址转换(网络地址转换)
NAT技术用于多个主机通过一个公有IP访问互联网的私有网络中
转换过程是在路由器中执行的

ICMP协议

双际控制报文协议(Internet ControlMessage Protocol)
ICMP协议可以报告错误信息或者异常情况
作用是辅助IP协议的传输

差错报告报文

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询问报文

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ICMP应用

Ping应用

ping实际上就是使用了ICMP的询问报文

Traceroute应用

Traceroute可以探测IP数据报在网络中走过的路径
就是使用TTL设置为1，2，3…一直到最终的设备接收到为止来获取各路的IP地址

网络层的路由概述

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每一顶点表示一个网络、路由器或计算机
每一条边表示一条网络路径
路由算法实际上是图论的算法
算法是正确的、完整的
算法在计算上应该尽可能的简单
算法可以适应网络中的变化
算法是稳定的和公平的

自治系统

-个自治系统(AS)是处于一个管理机构下的网络设备群
AS内部网络自行管理，AS对外提供一个或者多个出(入)口
自治系统内部路由的协议称为：内部网关协议（RIP, OSPF）
自治系统外部路由的协议称为:外部网关协议(BGP)

内部路由网关协议之RIP协议

距离矢量(DV)算法

每一个节点使用两个向量Di和Si
Di描述的是当前节点到别的节点的距离
Si描述的是当前节点到别的节点的下一节点
每一个节点与相邻的节点交换向量Di和Si的信息
每一个节点根据交换的信息更新自己的节点信息

RIP协议的过程

RIP(Routing Information Protocol)协议，路由信息协议
RIP协议是使用DV算法的一种路由协议
RIP协议把网络的跳数(hop)作为DV算法的距离
RIP协议每隔30s交换一次路由信息
RIP协议认为跳数>15的路由则为不可达路由
1.路由器初始化路由信息(两个向量D;和S;)
2.对相邻路由器X发过来的信息，对信息的内容进行修改(下一跳地址设置为X，所有距离加1)
i.检索本地路由，将信息中新的路由插入到路由表里面
ii.检索本地路由，对于下一跳为X的，更新为修改后的信息
iii. 检索本地路由，对比相同目的的距离，如果新信息的距离更小，则更新本地路由表
3.如果3分钟没有收到相邻的路由信息，则把相邻路由设置为不可达(16跳)
RIP协议:实现简单，开销很小
RIP协议:限制了网络的规模
RIP协议:“坏消息传的慢”，更新收敛时间过长