网络层

概述

功能

• 功能特性

  • 向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务，所传送的分组可能出错，丢失重复，失序或者超时

• 功能

  • 连接【异构】网络

    • 异构网络的定义

      • 所谓网络的异构性是指数据传输介质、数据编方式【物理层】、链路控制协议以及不同的数据单元格式和转发机制【数据链路层】

  • 拥塞控制

    • 开环控制

      • 事先考虑完全，工作时不考虑当前的网络情况

    • 闭环控制

      • 事先不考虑，工作时监测获取信息，动态优化系统运行

网络层的关键设备：路由器

• 功能

  • 路由选择
  • 分组转发

• 【SDN】路由技术

  • 控制层面

    • 集中控制：统一由远程控制器进行路由表的更新维护

  • 转发层面

• 路由算法

  • 域内路由选择

    • 动态路由

      • 距离向量算法

        • 概述：【所有的相邻结点】相邻结点定期进行路由选择表的交换，并在以下的情况下进行当前路由表项的更改操作：1. 新的路由表项 2.代价【跳数】更小的路由路径

      • 链路状态算法

        • 概述：主动测试所有相邻节点的信息，定期将链路层状态传播给所有其他路由结点【注意是洪泛法】

    • 静态路由

  • 域间路由选择

    • BGP

IPV4

功能-概述：定义数据基本传输单元，指明分组处理方式，错误控制，非可靠投递思路，分组路由选择思想

IPV4分组的格式

• 首部

  • 版本

  • 首部总长度

  • 总长度

  • 标识

    • 具体来说：片分过程是在源主机或者中间路由器上进行的，由于数据链路层的MTU【就是MAC帧的数据部分小于IP数据报报文长度】，在目的主机上进行重组【不一定是按序到达的】

  • 标志

    • 标志最低位MF【more fragment】=1:表示后面还有分组，中间一位DF[Don’t fragment]：表示不允许分组

  • 片偏移

    • 记录分片后各片的数据部分属于原来的位置

  • 生存时间【TTL】

    • 占八位【255】

  • 协议

    • 用于指出分组携带的数据采用何种协议：即是分组应该交付给那个协议进行处理

  • 首部校验和

    • 拥有校验首部的分组不校验数据部分

  • 源地址字段

    • 标识发送方的IP地址

  • 目的地址字段

    • 接受方的IP地址

  • 可变字段

  • 填充字段

• 数据报文部分

IP数据报的分片

• 概述一下：IP数据报的分片是由于相应的一个链路层数据所能承载的最大数据量【MTU】

IPV4地址

• 组成结构

  • 网络号

    • 环回自检：127.X.X.X
    • 全为零表示相应的本网络

  • 主机号

    • 全为1：表示这是一个广播地址
    • 全为零表示相应的本网络上的主机【DHCP中主机动态获得相应的IP,其IP请求IP数据报封装的即是该0.0.0.0地址】

• 传统分类IP地址

  • A类

    • A(1~126):其中网络号八位【注意第一位固定为0】

  • B类

    • A(128~191):其中网络号16位【注意第一位第二位为10】

  • C类

    • C(192~223)：其中前三位固定固定的110

  • D类

    • D(224~239):其中前4位为1110

  • E类

    • E(240~255):其中前四位为1111

• IP的作用

  • IP是标志一台主机（或路由器）和一条链路的接口，每个IP地址的网络号必须要与相应的所在网络的网络号相同

• 子网划分

  • 子网掩码

    • 一串1与跟随的一串0组成，当子网掩码与IP地址逐位相与的时候，就得到了相应的子网的网络地址
    • 路由表项中：除了要有相应的源IP地址，目的IP地址还需要源的，目的的子网掩码，当子网掩码为0.0.0.0表示默认路由选择

  • CIDR【无分类编址】

    • 其中路由选择：采取最长网络前缀的方式进行，这样得到的路由更加具体【CIDR缩小路由表项，所带来的后续后果】
    • 格式：x.x.x.x/x

NAT技术

• 概念：通过将专用网络地址转换为共用地址，从而对外隐藏内部管理的IP地址，大大节省了IP地址的消耗，降低了网络被攻击的风险

• 至少需要一个有效的全球IP地址

• 端口号到底是个什么东西，他具体的物理实体是什么，作用是什么？？？？？？

• 工作层次

  • 普通路由器只工作在网络层：不会涉及到源IP地址与目的IP地址之间的转换关系
  • NAT路由器工作：涉及到源IP地址与目的IP地址之间的转换关系，而且需要查看转换传输层的端口号【工作在网络层以及传输层】

• NAT技术会把IP数据报中的源IP地址修改后再发送的【详情见：P154】

网络层转发分组的过程

• 1. 从收到IP分组首部提取目的IP地址D
• 2. 若查找到特定主机路由，按照这条路由的下一跳进行转发，否则【按照前缀长度】，查看下一条路由表项，执行3
• 3. 将这一行的IP地址与相应的子网掩码进行按位与运算，若运行结果与本行前缀匹配，查找结束，按照下一跳进行处理（要么交付主机，要么交付路由），否则若转发表还有下一行，对下一行进行检查，重新执行3，否则转到4
• 4. 如果有默认路由【0.0.0.0/0】则将分组交付给默认路由，否则报告分组出错

ARP协议

• 概念：由于IP数据报要在链路上进行传播，也就是说其需要进行MAC帧的封装，也就是说我们需要源MAC，目的MAC，ARP(address resolution protocol)就是完成相应的IP地址到MAC地址的转换操作的

• 具体执行过程

  • 1. 主机A向主机B发送IP数据报，现在其ARP高速缓存中有无B的IP地址，如果有根据此可查出相应B的MAC地址写入MAC帧即可，如果没有执行2
  • 2. 使用目的MAC为FF-FF-FF-FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧来封装，并且广播ARP请求分组（使得同一个局域网内的所有主机都收到该ARP请求），主机B收到该ARP请求时，通过单播向A发出ARP响应分组，A收到改分组后，写入ARP缓存中，然后执行1

DHCP协议

• 常用于给网络动态的分配IP地址
• 交换过程：详见：P159

ICMP协议

• 作用：用于让主机或路由器报告差错和异常情况，ICMP报文作为IP数据报的数据部分，一起组成IP数据报发送出去

• 类型

  • 终点不可达：主机或者路由器无法交付数据报
  • 源点抑制：路由器或主机拥塞儿都是数据报
  • 时间超过：TTL字段为零，注意是丢弃所有已收到的数据报文
  • 参数问题：数据报首部中的字段值不正确，丢弃后
  • 改变路由：存在更好的路由时

• 类型

  • 回送请求、回答报文
  • 时间戳请求。回答报文
  • 地址掩码请求、回答报文
  • 路由器询问和通告报文

• 应用

  • PING:工作在应用层，直接使用网络层的ICMP，使用ICMP回送请求、回答报文
  • Tracerout:工作在网络层，使用ICMP的时间超过报文

IPv6

产生原因：从根本上解决IP地址耗尽的问题

主要特点

• 1. 更大的地址空间128bit表示
  • 我们采用4位4进制作为一个独立的单元来表示该地址具体来说就是:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx,一共八组
• 2. 扩展的地址结构
• 3. 灵活的首部格式
• 4. 改进的选项
• 5. 允许协议继续扩充
• 6. 支持即插即用
• 7. 支持资源自由分配
• 8. 不允许路由分片【仅支持相应的源主机分配】，如果路由过程中IP数据报过大直接丢弃，发送ICMP报文
• 9. 首部格式必须要是8B的倍数

• 10 .增大了安全性 ，身份验证和保密功能是IPv6的关键特征

• 11. 支持任播功能

IPv4-IPv6

• 过渡策略

  • 双协议栈
  • 隧道技术

路由协议

路由协议是自制系统之间的通信规定

分类

• 域内路由

  • 内部网关协议

    • 路由信息协议【RIP】

      • 路由算法：距离向量
      • 传递协议：UDP[应用层]
      • 路径选择跳数最少
      • 特点：坏消息传播慢
      • 交换结点：本结点相邻的结点
      • 交换内容：本路由器所知道的所有信息，即是自己的路由表

    • 开放最短路径协议【OSPF】

      • 路由算法：链路状态
      • 传递协议：IP
      • 路径选择：代价最低
      • 交换结点：网络中的所有结点【洪泛法】
      • 交换内容：本结点直接相链的所有路由器额链路状态——结果导致每个路由表都了解整个链路的拓扑结构信息
      • 特点：灵活，将网络划分为多个层次，区域

• 域 间路由

  • 外部网关协议

    • 边界网关协议【BGP】

      • 路由算法：路径向量
      • 传递协议：TCP
      • 较佳的路径【非重复路由】
      • 交换结点：本结点相邻的路由
      • 交换内容：各个自治系统之间的路径，首次是自治系统边界路由器的整个路由表，之后是只传输相应的变化部分

IP组播

产生的条件

• 由于为了支持上层应用中的多组转发机制：我们需要采用相应有效的组播转发机制【避免单播模拟带来的数据洪流现象】

协议

• IGMP协议【Internet group manage protcol】

  • 通知本地网络上的路由器关于接受组播愿望

• 具体内容

  • 目的IP使用D类地址

  • 传播时相应的组播IP地址与组播mac地址之间转换操作

    • 1. 提取组播IP地址的后23位
    • 2. 将MAC组播地址与1中的23位后拼接，形成映射得到的组播MAC地址

  • 特点

    • 尽最大努力交付
    • 组播地址只应用于目的地址
    • 组播数据报不产生ICMP报文
    • 并非所有的D类地址都可以作为组播IP

• 组播路由算法

  • 基于状态链路
  • 基于距离向量
  • PIM[协议无关组播]

移动IP

通信过程

• 移动结点处于本地网中

  • 1. 传统的TCP/IP通信方式

• 移动结点处于外地网中

  • 1. 向本地网中的代理注册当前位置地址【转交地址】2. 本地代理会建立一条通向转交地址的隧道，本地收到相应的IP分组后，通过隧道进行转交。3，转交处解封装，恢复IP数据报，送到移动结点。4.移动结点通过外网路由器发送IP数据报5.移动结点来到另一个外网时，只需要向本地的代理更新转交地址即可6.移动结点回到本地时，注销转交地址，回到1的方式进行通信

原文地址：http://www.cnblogs.com/xiesunsun/p/16878124.html