1.网络层概述

在计算机网络领域，网络层应该向运输层提供怎样的服务（“面向连接”还是“无连接”）曾引起了长期的争论。争论焦点的实质就是：在计算机通信中，可靠交付应当由谁来负责？是网络还是端系统？

电信网的虚电路网络

• 通信过程：呼叫建立——数据传输——拆除呼叫
• 每个分组携带虚电路标识，而不是目的主机地址
• 虚电路经过的每个网络设备，维护每条经过它的虚电路连接状态

每条虚电路包括：

从源主机到目的主机的一条路径

2. 虚电路号（VCID），沿路每段链路一个编号
3. 沿路每一个网络层设备，利用转发表记录经过的每条虚电路，所以分组携带的是VCID，而不是目的主机地址

网络层核心功能—转发与路由：

转发：将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口，其需要维护一个转发表来确定转发路径

路由：确定分组从源到目的经过的路径，需要路由算法来确定

网络层核心功能—建立连接：

数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接，

网络层连接是两个主机之间的连接，而传输层连接是两个应用进程间连接（对中间网络设备透明），

网络层服务模型：

连接服务：

• 不事先为系统分组的传输确定传输路径
• 每个分组独立确定传输路径
• 不同分组可能传输路径不同
• 代表性网络：数据报网络

无连接服务：

• 首先为系统分组的传输确定传输路径（建立连接）
• 然后沿该路径传输系统分组
  • 传输结束后拆除连接
• 代表性网络：虚电路网络

3 数据报（分组）网络

网络层收到传输层的segment，封装为数据报文，进行转发

• 网络层无连接
• 每个分组携带目的地址
• 路由器根据分组的目的地址转发分组
  • 基于路由协议/算法构建转发表
  • 检索转发表

路由转发的最长前缀匹配优先：在检索转发表时，优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口

4 IP协议

网络层实现功能：

• 路由协议
  • 路径选择，常见路由协议有RIP、OSPF等
• 确认路径后存入转发表
• 通过IP协议进行分组转发
  • 寻址规约
  • 数据报（分组）格式
  • 分组处理规约
• ICMP协议（可看做IP协议的附属协议）
  • 差错报告
  • 路由器“信令”

4.1 IP数据报格式

4.2 IP数据报分片

由于IP数据分组需要封装到链路层的数据帧中，而网络链路存在$MTU（最大传输单元）$，而不同链路的MTU是不同的。当大IP分组向较小MTU链路转法时，IP分组可以被“分片”，如果IP分组不允许被分片，则扔掉，并向源主机传送ICMP报文。

IP分组在目的主机重组，由于分组可能乱序达到，IP数据报首部必须有表示分组顺序的标志位，见上图

4.3 IP分片过程

• 假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M

• 若L > M，且DF = 0，则可以/需要分片

• 分片时每个分片的标识复制原IP分组的标识

• 通常分片时，除最后一个分片外，其他分片均为MTU允许的最大分片

4.4 IP编址

将主机用IP地址标识，同一区域内的主机IP属于一个IP子网

IP地址：

• 网络号 — 高比特位
• 主机号 — 低比特位

IP子网：

• IP地址具有相同网络号的设备接口
• 不跨越路由器（第三及以上层网络设备）

有类编制：（二分法）

私有IP地址：结合NAT技术，在IPV4耗尽的情况下internet仍能正常运行

4.5 子网划分

为什么要划分子网：

• 减少网络流量：子网定义了一个网络最大的广播空间（受限广播），可以减少网络流量
• 提高IP地址利用率：IP地址分为网络号和主机号，C类地址某网络下主机有255台，如果不划分的话，则可能出现很大的IP地址浪费
• 提高网络性能：如果不划分，大量主机造成寻址变慢甚至是广播风暴

IP地址：网络号（高位比特）+ 子网号（原网络主机号部分比特） + 主机号（低位比特）

如何确定是否划分了子网？利用多少位划分子网？

查看子网掩码，其形式如下：网络号和子网号全取1，主机号全取0。子网地址+子网掩码确定子网大小

怎么提取子网地址：

将IP分组的目的IP地址与子网掩码进行按位与运算，提取子网地址

4.6 CIDR与路由聚合

CIDR无类域间路由：

• 消除传统的A类、B类和C类地址界限，将网络号+子网号视为前缀
• 融合子网地址和子网掩码，方便子网划分
  • 无类地址格式：a.b.c.d/x，其中x为前缀长度，如200.23.16.0/23（看起来是c类地址，网络号长24，但这里只用了23位，与传统C类地址不同）
• 提高了IPV4地址空间分配效率
• 提高路由效率（路由聚合）

路由聚合：

路由表中存在目的网络-接口的映射，当存在相同路径的子网且能够聚合成一个较大子网时，路由表通过路由聚合极大得减小了路由表的大小

黑洞现象：路由聚合后，可能将未其他区域的子网聚合到一起，此时可以增加一条更小的CIDR地址，通过最长前缀匹配优先，能够避免黑洞现象。

+++

5. DHCP协议

计算机可以通过静态配置获取IP地址，也能够通过DHCP协议动态获取IP地址

• 从服务器动态获取：IP地址、子网掩码、默认网关地址、DNS服务器名称与IP地址
• 即插即用
• 允许地址重用
• 允许在用地址续租
• 支持移动用户加入网络

DHCP工作流程：

• 主机广播“DHCP discover” （发现报文）
• DHCP服务器利用 “DHCP offer” （提供报文）进行响应
• 主机请求IP地址“DHCP request” （请求报文）
• DHCP服务器分配IP地址：“DHCP ack” （确认报文）

DHCP协议实际在应用层，通过应用进程实现的，采用的是典型的客户服务器方式。其将DHCP报文封装在UDP段，再封装到IP数据报进行广播，再在链路层封装成数据帧进行广播。

+++

6. 网络地址转换NAT

NAT的优点：

• 只需从ISP申请一个IP地址
• 本地网络设备IP地址的变更，无需通告外界网络
• 变更ISP时，无需修改内部网络设备IP地址
• 内部网络设备对外界网络不可见，增加了内部网络安全性

6.1 NAT的实现

**替换：**利用(NAT IP地址，新端口号) 替换每个外出IP数据报的（源ip地址，源端口号）

记录：将替换过程记录下来

替换：根据NAT转换表，利用（源 ip地址，源端口号）替换（NAT ip地址，新端口号）

端口号有16-bits字段，因此可以同时支持65535个并行连接。

6.2 NAT穿透问题

外网期望连接内网主机的解决方案：

• 静态配置NAT，将特定端口的连接请求转发给特定服务器
• 利用UPnP互联网网关设备协议自动配置
• 中继：NAT内部的客户与中继服务器建立连接，中继服务器起到桥梁作用

+++

7. 互联网控制报文协议ICMP

主要功能：

• 差错（或异常）报告
• 网络探寻

两类ICMP报文：

• 差错报文（5种）：目的不可达、源抑制、超时、参数问题、重定向
• 网络探寻（2种）：回声请求与应答报文（如ping命令）、时间戳请求与应答报文

+++

8. IPv6协议

IPv6数据报格式：

• 固定长度为40字节的基本首部，还有扩展首部（路由器不处理扩展首部，因此可能快速处理和转发数据报）
• 不允许分片（数据报分片/重组由源主机/目的主机完成，路由器不参与）

IPv6 VS IPv4：

• 检验和：彻底移除，以减少每条数据报的处理时间
• 选项：允许，但是从基本首部移出，通过下一个首部指示
• MTU：如果数据报分片大于MTU，则丢弃，向源主机发送新版ICMP差错控制报文（too big）

IPv6地址表示形式：

IPv6向IPv4逐渐过渡：

隧道技术：将IPv6数据报封装到IPv4的载荷中，利用IPv4网络传输，再解封

+++

9. 路由

9.1 路由算法

静态路由：

• 手工配置
• 路由更新慢
• 优先级高

动态路由：

• 路由更新快：定期更新，及时响应链路费用或网络拓扑变化

全局信息：所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息，如链路状态路由算法

分散信息：路由器只掌握物理相邻的邻居及链路费用，邻居间通过信息交换、运算更新状态，如距离向量路由算法

9.2 链路状态路由算法 - Dijkstra算法

9.3 距离向量路由算法 - Bellman-Ford方程（动态规划）

核心思想：

• 每个结点不定时地将其自身的DV估计（DV：从结点x到结点y的最小费用）发送给其邻居
• 当邻居收到其邻居发送的DV后，根据此DV更新自身的DV
• 更新完成后，将DV发送给邻居

距离向量路由算法是异步迭代的，引发迭代可能是局部链路费用的改变，也可能是来自邻居的DV更新

**无穷计数问题：**如果多个节点之间存在链路费用信息差时，容易产生无穷计数问题，如下图。

毒性逆转：如果一个结点1达到某目的节点3的最小费用路径是通过某个邻居2，则更新DV之后将通告邻居2节点1到达目的节点3距离为无穷大。

定义最大度量：定义一个最大的有效费用值，如15跳步，则16跳步表示正无穷。

+++

10. 层次路由

• 聚合路由器为一个区域：自治系统AS（autonomous systems）
• 同一AS内的路由器运行相同的路由协议（算法）
• 不同自治系统AS通过网关路由器连接，其处于自治系统的边缘

11. 路由协议

• internet采用层次路由
• AS内部路由协议也称为内部网络协议IGP
• 最常见的AS内部路由协议：
  • 路由信息协议：RIP协议
  • 开放最短路径协议：OSPF协议

11.1 RIP协议

利用距离向量路由算法，计算内部网络到达其他目的子网的最短距离

• 距离度量：跳步数（max = 15hops），每条链路1个跳步
• 每隔30s，邻居间交换一次DV，称为通告
• 每次通告：最多25个目的子网

链路失效/恢复：

如果180s没有收到某邻居通告，则认为邻居/链路失效，重新计算路由并通告给其他邻居。

RIP路由表的处理：

RIP路由表是利用一个称为route-d的应用层进程进行管理，通告报文周期性通过UDP数据报发送。

虽然RIP协议实现是在应用层，但还是划分到网络层协议，划分根据是作用功能在哪层，而不是具体实现在哪层

11.2 OSPF协议

• 开放：公众可用

• 采用链路状态路由算法

  • LS分组扩展（通告）
  • 每个路由器构造完整的网络AS拓扑图
  • 利用Dijkstra算法计算路由

• OSPF通告中每个入口对应一个邻居

• OSPF通告直接封装到IP数据报中，并在整个AS范围内广播

OSPF协议的优点：

• 安全：所有OSPF报文可以被认证
• 允许使用多条相同费用的路径（RIP只能选一条）

OSPF协议还可以分层，也就是成主干区和局部区（相对来说），区内路由只掌握所在区的详细拓扑，区边界路由器负责汇总所在区域内网络的距离，通告给其他区边界路由器，主干区同理。