第4章网络层

4.1网络层的功能

1.异网互联:使用路由器连接数据链路层和物理层均不同的网络。【路由器连接的设备物理层，数据链路层和网络层可以不同】
2.转发:从一个端口输入保存后选择另一个端口转发【微观】
3.路由选择:选择合适的路由线路【宏观】
4.SDN的基本概念:
- 数据平面:
  - 时间短,用硬件实现
  - 路由器内部实现
  - 具体处理转发过程
- 控制平面
  - 控制和管理网络协议的运行
  - 时间长,用软件实现
  - OSPF,RIP,BGP协议路由选择过程

传统方式	SDN方式
`路由选择`和`转发`都在`路由器`中	`路由选择`在SDN控制器中,`转发`在`路由器`中

SDN优点:①控制更灵活②成本更低
SDN的问题:①安全风险②瓶颈问题

5.拥塞控制:
- 原因:接收方来不及接收,只能丢弃
- 判断依据:网络负载增加吞吐量却下将。
- 方法:
  - 1.开环控制【静态】
  - 2.闭环控制【动态】

4.2 IPv4

4.2.1 IPv4分组

IP数据报过长需要切割成多个分组

1.IPv4分组格式

版本	首部长度 (Header Length)	区分服务 (Differentiated Services)	总长度 (Total Length)
4位,`判断是IPv4还是IPv6`	4位,单位是`4字节`	8位,`决定路由器发送的优先级`	16位,单位是`1B`

标识 (Identification)	标志 (Flags)	片偏移 (Fragment Offset)
16位,`表明来自哪个原始分组`	3位,`第一位无效,第二位为0表示允许分片,第三位为1表示后面还有分组`	13位,`单位是8B`

生存时间 (Time to Live)	协议 (Protocol)	头部校验和 (Header Checksum)
8位,`每经过一个路由器减一,为0时丢弃,并返回ICMP`	8位,`表明传输层协议,6代表TCP,17代表UDP`	16位,`只校验首部是否正确`

源 IP 地址 (Source IP Address)
32 bits

目标 IP 地址 (Destination IP Address)
32 bits

选项 (Options)	填充(Fill)
可变长度,`支持数据部分排错`	可变长度 ,`用于填充首部为8字节的整数倍`

数据部分
TCP或UDP

单位记忆:一种【总长单位】八片【片偏移量单位】的首饰【首部长度单位】

2. IP数据报分片

如果IP分组过长,且标志位的第二位为0（代表不允许分片）路由器会丢弃分组,并返回ICMP差错报告。
标识代表来自原来的哪一个IP分组。
标志: 第一位无效,第二位【DF】为0标识允许分片,第三位【MF】为1标识后面还有分组

4.3.2 IPv4地址与NAT

1.IPv4地址:
在这里插入图片描述
主机号全为0::网络本身
主机号全为1::广播地址

网络号	主机号	是否可作为源地址	是否可作为目标地址	目的
全0	全0	可以	不可以	在本网络中代表主机,路由器使用代表默认路由
全0	特定值	可以	不可以	本网络的目的主机
全1	全1	不可以	可以	本网络广播
特定值	全0	不可以	不可以	本网络的网络地址
特定值	全1	不可以	可以	特定网络进行广播
127	非0非1的有效范围	可以	可以	用于本地测试

私有地址:

A类:10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
B类:172.16.0.0~172.31.0.0
C类:192.168.0.0~192.168.255.0

2.网络地址转换NAT
不使用NAT技术,IP分组头部源地址不变。
使用NAT技术,路由器在转发前会将源主机的IP转换成路由器的IP。
路由器无法处理私有IP地址。

使用NAT技术:
- 发送数据:路由器将源主机IP地址修改为路由器IP地址
- 接收数据:路由器根据目的地址的端口号修改目的地址IP【局域网内部IP】 和端口号。若没有匹配的表项,直接丢弃。

4.3.3 子网划分与子网掩码,CIDR

1.子网划分

从主机号取部分作为子网号,构成三级IP地址
主机号不能全0全1
使用CIDR技术子网号可以全1
外部网络不知道内部子网划分，

划分子网后路由器的表项由【目的网络地址,网络子网掩码,下一跳地址】
划分子网:网络地址由少变多
聚合子网:网络地址由多变少

2.子网掩码
子网掩码与IP地址相与获取主机的网络地址。

3.无分类编址CIDR
消除传统A,B,C,D,E类网络划分,在IP地址后面的数字表明使用多少个IP二进制值作为网络地址。

网络前缀相同的是同一CIDR地址快

在路由转发表项匹配都不符合,使用0.0.0.0默认路由,交付给其他路由器处理。

4.网络层转发分组过程
1.提取IP地址
2.使用子网掩码与IP地址相与然后和路由器连接的网络的网络号做对比
3.有相同就直接发送,都不符合检查特定地址。
4.检测到无路径就对比路由表。有就发送
5.如果没有就使用0.0.0.0默认路由发给其他路由器重复上述操作
6.在IP的生存周期内没有找到目的主机,丢弃IP分组并发出CIMP差错报文

4.3.4 ARP,DHCP,ICMP

每个主机和路由器都有ARP高速缓存

地址解析协议ARP
- 请求使用广播ARP根据IP地址请求获取对应的MAC地址
- 响应使用单播发送发送自己的MAC地址
- ARP协议格式

自己的IP地址	需查询的IP地址	自己的MAC地址	FF-FF-FF-FF-FF-FF`(广播MAC地址)`

发送IP分组:
- 1.ARP高速缓存有就直接写入目的MAC地址
- 2.没有就用FF-FF-FF-FF-FF-FF帧广播ARP请求
- 3.局域网内所有主机都能收到
- 4.然后单播响应ARP请求,写入高速缓存
动态主机配置协议DHCP

基于UDP协议的应用层协议,使用C/S模式

使用广播发出DHCP请求，也使用广播响应请求

过程:
- 1.客户端使用以广播 【DHCP发现】 询问是否有DHCP服务器
- 2.DHCP服务器接收到 【DHCP发现】 消息,发送自己愿意分配的IP地址给源主机
- 3.如果主机收到多个 【DHCP】 响应,接受第一个响应的IP,并以广播回复接受使用IP地址。其他服务器收回预分配IP。
网际控制报文协议ICMP
种类：
- ICMP差错报告
  - 1.终点不可达
  - 2.原点抑制
  - 3.超过生命周期
  - 4.参数问题 【数据报首部不正确】
  - 5.改变路由 【选择更好的路由线路】
- ICMP询问报文
  - 1.回送请求和回答报文
  - 2.时间戳请求和回答报文
  - 3.地址掩码请求和回答报文
  - 4.路由器询问和通告报文
不发生ICMP差错报告报文情况:
- 1.对ICMP差错报告报文
- 2.第一个分片后的分片
- 3.所有组播地址的数据报
- 4.特殊地址如【127.0.0.0或127.0.0.0】

4.4 IPv6

解决IP耗尽措施:①采用无分类编址CIDR ②使用NAT转换 ③使用IPv6【根本方法】
IPv4和IPv6的主要区别:
- IPv4长度为32位,IPv6长度128位
- IPv6可选字段移出首部,变成扩展首部
- 自动配置IP地址,不需要DHCP服务器
- IPv6首部是8B的整数倍,IPv4首部是4B的整数倍
- IPv6仅可以在主机分片,IPv4可以在主机和路由器分片

注意:IPv6中只能有一个双冒号

IPv6支持单播【点对点】,多播【一对多】,任播【将数据发到一个组的任意一个主机中】通信。

$\begin{cases} 双栈协议:一台设备同时使用IPv4和IPv6地址\\ 隧道技术:将协议数据报重新封装 \end{cases}$

4.2 路由算法

静态路由算法:【非自适应路由算法】,由管理员手动配置路由信息,不适合大型网络,更新速度慢。
动态路由算法:【自适应路由算法】,路由器之间交换路由信息,根据算法优化。
层次路由使用原因:①因特网规模大 ②不让外界知道内部网络拓扑结构

$\begin{cases} 内部网关协议,在AS内部使用，RIP,OSPF\\ 外部网关协议,在AS之间使用，BGP \end{cases}$

4.5 路由协议

内部网关协议:RIP【小型网络,基于距离向量】,OSPF【大型网络,基于链路状态】

4.5.1 RIP协议【信息路由协议】

应用层协议,使用UDP传输数据,使用广播交换。
每个路由器需要维护到其他网络的唯一最佳路径。
一条路径最多只能有15个路由器，等于16时表示不可达,适合小型网络。

特点:
- 使用距离向量
- 仅和相邻路由器交换信息。
- 交换自己知道的所有信息
- 30秒交换一次
- 180秒内没交换,确认出现故障,跟新对应表项信息
- 好消息传得快,坏消息传得慢【跟新收敛慢】
算法:
- ①交换信息到达时,将下一跳地址改为发送方地址,且跳数加1
- ②若原来表中没有目的网络,直接加入路由表
- ③若有相同目的网络,且下一跳地址相同,直接覆盖
- ④若有相同目的网络,下一跳地址不同留下跳数少的

4.5.2 OSPF协议【开放最短路径优先协议】

使用网络层的IP协议。IP协议字段89。

特点:
- 给自治系统中所有路由器发送信息,使用洪泛法【类似广播】
- 发送的是本路由器与相邻路由器的链路状态。
- 只有链路发生变化时,才洪泛发出信息。
- 可以根据不同业务类型,计算出不同的路由。如果有多条代价相同的路径,则可以将通信量分配给这几条路径,负载均衡。
- 不会出现坏消息传得慢
- 使用迪杰斯特拉算法
- 规模大时OSPF比RIP好
过程:
- ①每隔10s给邻居发HELLO问候分组
- ②设置到邻居的度量metric
- ③构造链路分组,向邻居发送摘要
- ④摘要存在,不做处理,没有或更新了的发送链路状态请求分组
- ⑤收到相邻分组进行更新后返回确认信息。

外部网关协议

4.5.3 边界网关协议（BGP）

应用层协议,基于TCP【提高更可靠服务,减少路由选择】

过程:
- ①与邻站发言人交换信息
- ②交换网络可达性
- ③发生变化时跟新【包含完整路径】
特点:
- ①支持CIDR
- ②刚运行时交换整个路由表,之后仅在发生变化时更新变化部分。

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4.6 IP组播

4.6.1 组播的概念

单播: 发送数据包到一个目的地,使用单播地址,“点对点服务”
广播:发送到同一个局域网的所有设备,使用FF-FF-FF-FF-FF-FFMAC地址
组播:发送到同一个组播IP的主机。源主机仅仅发送一次,路由协议建立组播分发树,尽可能接近目的主机时开始复制和发送不同路线的主机。减少了网络负载和发送者的负担。

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