第四章 网络层

4.1 网络层的功能

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。

4.1.1 数据交换方式

电路交换：独占资源的特点。优点：1、通信时延小；2、有序传输；3、没有冲突；4、实时性强。缺点：1、建立连接时间长；2、线路独占，使用效率低；3、灵活性差；4、无差错控制能力。

报文交换：优点：1、无需建立连接；2、存储转发，动态分配线路；3、线路可靠性较高；4、线路利用率较高；5、多目标服务。缺点：1、有存储转发时延；2、报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间。

分组交换：优点：无需建立连接；2、存储转发，动态分配线路；3、线路可靠性较高；4、线路利用率较高；5、相对于报文交换，存储管理更容易。缺点：1、有存储转发时延；2、需要传输额外的信息量；3、乱序到目的的主机时，要对分组排序重组。

无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确实传输路径，不同分组传输路径可能不同。

连接服务：首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。

数据报：无连接，每个分组携带源和目的地址，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；每个分组独立选路）。

虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。

4.1.2 功能

1、路由选择与分组转发

2、异构网络互联

3、拥塞控制

4.2 路由算法及路由协议

4.2.1 路由算法

最佳路由：“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。

4.2.2 路由算法的分类

4.2.3 分层次的路由选择协议

1、因特网规模很大

2、许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网。

自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

4.3 RIP协议及距离向量算法

4.3.1 RIP协议

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到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录。

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。

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。

路由器刚开始工作时，只知道直接连接的网络的距离，接着每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址，即“收敛”。

4.3.2 距离向量算法

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”字段中的地址修改为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

4.3.3 RIP协议的报文格式

RIP的特点：当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器，“慢收敛”

4.4 OSPF协议及链路状态算法

4.4.1 OSPF协议

开放最短路径优先OSPF协议：“开放”标明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的；“最短路径优先”时因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF。

OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议。

4.4.2 链路状态路由算法

1、每个路由器发现它的相邻结点（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；如果有没有的或者时更新的，则发送LSR链路状态请求分组，请求自己没有发和比自己更新的信息。只要一个路由器的链路状态发送变化：

5、收到邻站的LSR分组后，发送LSU链路状态更新分组进行跟新

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

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

4.4.3 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。

4.4.4 OSPF分组

4.4.5 OSPF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路由器发送信息，而每一个相邻路由器再次将此信息发往其所有的相邻路由器——广播。

2、发送的信息就是与本路由器的所有路由器的链路状态（本路由器和哪些路由器相邻，以及该链路的度量/代价——费用、距离、时延、带宽等）

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。

4、所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图。

5、每隔30min，要刷新一次数据库中的链路状态

6、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。因此当互联网很大时，OSPF协议要比距离向量协议RIP好得多。

7、OSPF不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快。

4.5 BGP协议

4.5.1 BGP协议

与其他AS的邻站BGP发言人交换信息。

交换的网络可读性的信息，即要到达某个网络所要经过的一系列AS。

发生变化时更新有变化的部分。

4.5.2 BGP协议交换信息的过程

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。

4.5.3 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，利用BGP会话交换路由信息。

4.5.4 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。

4.5.5 BGP-4的四种报文

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。

UPDATE（更新）报文：通告新路径或撤销原路径。

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。

NOTIFICATION（通知）报文：报文先前报文的差错；也被用于关闭连接。

4.5.6 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，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。

4.6 IPv4

4.6.1 IPv4分组

TCP/IP协议栈

最大传送单元MTU：链路层数据帧可封装数据的上限。以太网的MTU是1500字节。

IP数据报格式

总长度单位是1B，片偏移单位是8B，首部长度单位是4B。

4.6.2 IPv4地址

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。

IP地址：{<网络号>,<主机号>}

分类的IP地址

特殊IP地址

私有IP地址

4.6.3 NAT

网络地址转换NAT（Network Address Translation）：在专用网连接dao

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。

4.6.4 子网划分与子网掩码

子网掩码

使用子网时分组的转发

4.6.5 CIDR

无分类域间路由选择CIDR：1、消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念；2、融合了子网地址与子网掩码，方便子网划分。

CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”

CIDR记法：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数。

构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网或路由聚合。

最长前缀匹配

使用CIDR时，查找路由表可能到几个匹配结果，应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。

4.6.6 ARP

ARP协议：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。

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地址位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

4.6.7 DHCP

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

4.6.8 ICMP

网际控制报文协议ICMP

ICMP差错报告报文

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、源站抑制: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g哎数据报外，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）

ICMP差错报告报文的数据字段

不发送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（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。

3、掩码地址请求和回答报文

4、路由器询问和通告报文

4.7 IPv6

IPv6能快速处理/转发数据报、支持QoS。

QoS（Quality of

Service，服务质量）:指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。

4.7.1 IPv6数据报格式

4.7.2 IPv6和IPv4

4.7.3 IPv6地址表示形式

一般形式：冒号十六进制记法

压缩形式：零可以压缩

零压缩：一连串连续的0可以被一对冒号取代。

4.7.4 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：一对多中的一个通信，可做目的地址

4.7.5 IPv6向IPv4过渡的策略

双栈协议

双栈协议技术就是指在一台设备上同时启用IPv4协议栈和IPv6协议栈。

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。

4.8 IP组播

4.8.1 IP数据报的三种传输方式

单播：单播用于发送数据包到单个目的地，且每发送一份单播报文都使用一个单播IP地址作为目的地址。是一种点对点传输方式。

广播：广播是指发送数据包到同一广播域或子网内的所有设备的一种数据传输方式，是一种点对多点传输方式。

组播（多播）：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。

4.8.2 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，属于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

4.8.3 硬件组播

组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余下的6个十六进制是根据IP组播组地址的最后23位转换得到的。

TCP/IP协议使用的以太网多播地址的范围是：

从01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF

4.8.4 IGMP协议与组播路由选择协议

IGMP协议让路由器知道本局域网上是否有主机（的进程）参加或退出了某个组播组

组播路由选择协议目的是找出以源主机为节点的组播分发树。

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。

4.9 移动IP

4.9.1 移动IP相关术语

移动IP技术是移动结点（计算机/服务器等）以固定的网络IP地址实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。

移动结点：具有永久IP地址的移动设备

归属代理（本地代理）：一个移动结点拥有的就“居所”称为归属网络，在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理

外部代理（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称为外部代理

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

转交地址（辅地址）：移动站点在外部网络使用的临时地址

4.9.2 移动IP通信过程