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一、概述和功能

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
网络层传输单位是数据报

功能一：路由选择与分组转发
功能二：异构网络互联
功能三：拥塞控制（方法一：开环控制 方法二：闭环控制）

TCP/IP协议栈

IP数据报格式

版本：指IP的版本
首部长度：占4位，以32位为单位，最大60B，常用首部20B
总长度：占16位，指首部和数据之和的长度，单位1B
标识：占16位,它是一个计数器，每产生一个数据包+1，并赋值给标识字段。当数据报的长度超过网络的MTU时，必须分片。
标志：占3位，标志字段最低位位MF，MF=1标识后面还有分片，MF=0标识最后一个分片。
片偏移：占13位，指较长的分组分片后，某片在分组的位置
首部检验和：占16位，IP数据报的首部检验和分组中的首部
生存周期（TTL）：占8位，数据报在网络中通过的路由器数的最大值，确保分组不会永远在网络中循环
协议：占8位，指出此分组携带的哪种协议。
源地址字段：占4B，发送方的ip地址
目的地址字段，4B，接收方的ip地址

IP数据报分片

以太网的MTU是1500字节。超过需要进行分片。

二、ipv4

IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。
IP地址={<网络号>,<主机号>}

特殊IP地址:

私有IP地址:

分类的IP地址

网络地址转换（NAT）

网络地址转换NAT（Network Address Translation）：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

子网划分

分类的IP地址的弱点：
1.IP地址空间的利用率有时很低。
2.两级IP地址不够灵活

子网掩码

已知IP地址是141.14.72.24，子网掩码是255.255.192.0，求网络地址。如果子网掩码是255.255.224.0，求网络地址

77的二进制：01001011
子网掩码：11111100
广播要全为1，选C

路由器转发分组的算法：
1)从收到的分组的首部提取目的IP地址，记为D.
2)先判断是否为直接交付。对路由器直接相连的网络逐个进行检查:用各网络的子网掩码
和D逐位相“与”，看结果是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付，否
则间接交付，执行步骤3)。
3)若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则将分组传送给路由表中所指明的下一-跳
路由器;否则，执行4)。
4)对路由表中的每一行(目的网络地址、子网掩码、下一跳地址)中的子网掩码和D逐位
相“与”，其结果为N。若N与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下
跳路由器; 否则，执行步骤5)。
5)若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器:否则，执
行步骤6)。
6)报告转发分组出错。

ARP协议（地址解析协议）

由于在实际网络的链路上传送数据帧时，最终必须使用MAC地址。

ARP协议使用过程：
检查ARP高速缓存，有对应表项则写入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请求分组，同一局域网中所有主机都能收到该请求。目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP响应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存（10-20min更新一次）。

ARP协议4种典型情况：
1.主机A发给本网络上的主机B：用ARP找到主机B的硬件地址；
2.主机A发给另一网络上的主机B：用ARP找到本网络上一个路由器（网关）的硬件地址；
3.路由器发给本网络的主机A：用ARP找到主机A的硬件地址；
4.路由器发给另一网络的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。

DHCP协议

动态主机配置协议DHCP是应用层协议，使用客户/服务器方式，客户端和服务端通过广播方式进行交互，基于UDP。

DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址，允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。

1.主机广播DHCP发现报文
2.DHCP服务器广播DHCP提供报文
3.主机广播DHCP请求报文
4.DHCP服务器广播DHCP确认报文

ICMP协议

ICMP差错报告报文（5种）：
1.终点不可达：当路由器或主机不能交付数据报时就向源点发送终点不可达报文。
2.源点抑制：当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。
3.时间超过：当路由器收到生存时间TTL=0的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。
4.参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。
5.改变路由（重定向）：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器（可通过更好的路由）。

不应发送ICMP差错报文的情况：
1.对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文。
2.对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文。
3.对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文。
4.对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报不发送ICMP差错报告报文。

ICMP询问报文：
1.回送请求和回答报文：主机或路由器向特定目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。测试目的站是否可达以及了解其相关状态。

2.时间戳请求和回答报文：请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。用来进行时钟同步和测量时间。

二、ipv6

ipv4和ipv6的区别

1.IPv6将地址从32位（4B）扩大到128位（16B），更大的地址空间。
2.IPv6将IPv4的校验和字段彻底移除，以减少每跳的处理时间。
3.IPv6将IPv4的可选字段移出首部，变成了扩展首部，成为灵活的首部格式，路由器通常不对扩展首部进行检查，
大大提高了路由器的处理效率。
4.IPv6支持即插即用（即自动配置），不需要DHCP协议。
5.IPv6首部长度必须是8B的整数倍，IPv4首部是4B的整数倍。
6.IPv6只能在主机处分片，IPv4可以在路由器和主机处分片。
7.ICMPv6：附加报文类型“分组过大”。
8. IPv6支持资源的预分配， 支持实时视像等要求，保证一定的带宽和时延的应用。
9.IPv6取消了协议字段，改成下一个首部字段。
10.IPv6取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段。
11.IPv6取消了服务类型字段

IPv6基本地址类型

单播：一对一通信，可做源地址+目的地址
多播：一对多通信，可做目的地址
任播：一对多的一个通信，可做目的地址

IPv6向IPv4过渡的策略

双栈协议：双协议栈技术就是指在一台设备上同时启用IPv4协议栈和IPv6协议栈。这样的话，这台设备既能和IPv4网络通信，又能和IPv6网络通信。如果这台设备是一个路由器，那么这台路由器的不同接口上，分别配置了IPv4地址和IPv6地址，并很可能分别连接了IPv4网络和IPv6网络。如果这台设备是一个计算机，那么它将同时拥有IPv4地址和IPv6地址，并具备同时处理这两个协议地址的功能。

隧道技术 ：通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式。使用隧道传递的数据（或负载）可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将其它协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送。

三、路由算法及路由协议

内部网关协议IGP

路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项
路由更新快，适用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化。算法复杂，增加网络负担。

RIP（距离向量路由算法）

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。
RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录（即一组距离）。
距离：通常为“跳数”，即从源端口到目的端口所经过的路由器个数，经过一个路由器跳数+1。特别的，从一路由器到直接连接的网络距离为1。RIP允许一条路由最多只能包含15个路由器，因此距离为16表示网络不可达。

RIP特点

1.仅和相邻路由器交换信息
2.路由器交换的信息是自己的路由表
3.每30秒交换一次路由信息，然后路由器根据新信息更新路由表。若超过180s没收到邻居路由器的通告，则判定邻居没了，并更新自己路由表

距离向量算法

对于每个相邻路由器发过来的RIP报文，具体步骤：
1.修改相邻路由器发来的RIP报文中所有表项，对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，修改此报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址改为X，并把所有的“距离”字段+1。

2.对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤：

• （1）R1路由表中若没有Net3，则把该项目填入R1路由表
• （2）R1路由表中若有Net3，则查看下一跳路由器地址：

若下一跳是X，则用收到的项目替换源路由表中的项目；
若下一跳不是X， 原来距离比从X走的距离远则更新，否则不作处理。

3.若180s还没收到相邻路由器X的更新路由表，则把X记为不可达的路由器，即把距离设置为16。
4.返回

例题：

已知路由器R6的路由表，现收到相邻路由器R4发来的路由更新信息，试更新路由器R1的路由表：

RIP协议是好消息传得快，坏消息穿得慢

假设网1发生故障，R1路由器更新路由表 1 16 _ 表示网1不可到达，R2要发消息给网1，R1接收到了R2发来得RIP报文，修改R2得RIP报文 1 3 R2,与自己的1 16 _比较发现，可以通过R2到达网1实际上不能的，最后双方不断发RIP报文更新到16，不可达。

OSPF协议

特点

1.使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送信息，即路由器通过输出端口向所有相邻的路由器发送信息，而每一个相邻路由器又再次将此信息发往其所有的相邻路由器
2.发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态
3.只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器洪泛发送此信息。
最后，所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图。

1.每隔30min，要刷新一次数据库中的链路状态。
2.由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时，OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。
3.OSPF不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快。

链路状态路由算法

1.每个路由器发现它的邻居结点【HELLO问候分组】，并了解邻居节点的网络地址。
2.设置到它的每个邻居的成本度量metric。
3.构造【DD数据库描述分组】，向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息。
4.如果DD分组中的摘要自己都有，则邻站不做处理；如果有没有的或者是更新的，则发送【LSR链路状态请求分组】
请求自己没有的和比自己更新的信息。
5.收到邻站的LSR分组后，发送【LSU链路状态更新分组】进行更新。
6.更新完毕后，邻站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认。
只要一个路由器的链路状态发生变化：
5.泛洪发送【LSU链路状态更新分组】进行更新。
6.更新完毕后，其他站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认。
7.使用Dijkstra根据自己的链路状态数据库构造到其他节点间的最短路径

OSPF的区域

为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。每一个区域都有一个 32 位的区域标识符（用点分十进制表示）。区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200 个

外部网关协议（EGP）

BGP协议

BGP 所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列 AS。当 BGP 发言人互相交换了网络可达性的信息后，各 BGP 发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各 AS 的较好路由。

BGP协议报文格式

一个 BGP 发言人与其他自治系统中的 BGP 发言人要交换路由信息，就要先建立 TCP 连接，即通过TCP传送，然后在此连接上交换 BGP 报文以建立 BGP 会话(session)，利用 BGP 会话交换路由信息。

BGP协议特点

BGP 支持 CIDR，因此 BGP 的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。
在 BGP 刚刚运行时，BGP 的邻站是交换整个的 BGP 路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销都有好处。

BGP-4的四种报文

1.OPEN（打开）报文：用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，并认证发送方。
2.UPDATE（更新）报文：通告新路径或撤销原路径。
3.KEEPALIVE（保活）报文：在无UPDATE时，周期性证实邻站的连通性；也作为OPEN的确认。
4.NOTIFICATION（通知）报文：报告先前报文的差错；也被用于关闭连接。

三种路由协议比较

RIP是一种分布式的基于距离向量的内部网关路由选择协议，通过广播UDP报文来交换路由信息。
OSPF是一个内部网关协议，要交换的信息量较大，应使报文的长度尽量短，所以不使用传输层协议（如UDP
或TCP），而是直接采用IP。
BGP是一个外部网关协议，在不同的自治系统之间交换路由信息，由于网络环境复杂，需要保证可靠传输，所
以采用TCP。

四、IP组播

当网络中的某些用户需要特定数据时，组播数据发送者仅发送一次数据，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发，是一种点对多点传输方式。

IP组播地址

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址（一群共同需求主机的相同标识）。
组播地址范围为224.0.0.0～239.255.255.255（D类地址），一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。
1.组播数据报也是“尽最大努力交付”，不提供可靠交付，应用于UDP。
2.对组播数据报不产生ICMP差错报文。
3.并非所有D类地址都可以作为组播地址。

硬件组播

同单播地址一样，组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到的

IGMP协议

1.某主机要加入组播组时，该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声明自己要称为该组的成员。本地组播路由器收到IGMP报文后，要利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器
2.本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还是组播组的成员。只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的；如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。

组播路由选择协议

组播路由协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。构造树可以避免在路由器之间兜圈子。对不同的多播组对应于不同的多播转发树；同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。