网络层

目录

• IP协议
  • IPv4
    • IPv4地址
    • IPv4数据报
  • IPv6
    • IPv4和IPv6的区别
    • 过渡技术
• 配套协议
  • ARP
  • ICMP
• 路由转发协议
  • 内部网关协议RIP
  • 开放最短路径OSPF
  • 边界网关协议BGP

一 IP协议

1.1IPv4

IPv4地址

IP 地址的编址方式经历了三个历史阶段：

（1）分类的IP地址

IP地址由两部分组成：网络号和主机号。不同分类具有不同且固定的网络号长度。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}

（2）划分子网

通过在主机号字段中拿一部分作为子网号，把两级 IP 地址划分为三级 IP 地址。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}

要使用子网，必须配置子网掩码。一个 B 类地址的默认子网掩码为 255.255.0.0，如果 B 类地址的子网号占两个比特，那么子网掩码为 11111111 11111111 11000000 00000000，也就是 255.255.192.0。

注意，外部网络看不到子网的存在。

（3）无分类 / 构成超网

无分类编址 CIDR的目的是按需分配。它消除了传统 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，使用网络前缀和主机号来对 IP 地址进行编码，IP地址从三级又回到了两级编址。

IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}

CIDR 的记法上采用在 IP 地址后面加上网络前缀长度的方法，例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位为网络前缀。CIDR 的地址掩码可以继续称为子网掩码，子网掩码首 1 长度为网络前缀的长度。

CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”，这种地址的聚合常称为路由聚合或构成超网。它使得路由表中的一个项目可以表示原来传统分类地址的很多个（例如上千个）路由。

在路由表中的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成，在查找时可能会得到不止一个匹配结果，应当采用最长前缀匹配来确定应该匹配哪一个。

Q：子网掩码的作用是什么？
为了方便路由器进行快速转发使用的。
子网掩码就是对网络进行标识，大大减少了路由表的路由项，提高转发速度。

IPv4数据报

1.2 IPv6

IPv4和IPv6的区别

Q：IPv4和IPv6的区别：

1. IP地址方面：

• 地址空间增加：v4地址是32位，v6地址是128位；
• 地址表示不同：v4是点分十进制，v6是冒分十六进制；
  如：192.168.0.1 和 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344

2. ip数据报格式方面：

v6的头部字段比v4精简了很多，这样可以使得网络数据传输更快。

过渡技术

1. 双协议栈：网络设备，服务器等支持两种协议栈
2. 隧道：通过隧道，IPv6分组被作为无结构无意义的纯数据封装在IPv4的数据报中。或者反过来，IPv4分组被作为春数据封装在IPv6的数据报中。
3. 地址转换：把IPv4地址转换到IPv6地址

二 配套协议

与 IP 协议配套使用的还有三个协议：

• 地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）
• 网际控制报文协议 ICMP（Internet Control Message Protocol）
• 网际组管理协议 IGMP（Internet Group Management Protocol）

ARP

网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。在通信过程中，IP 数据报的源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变。

ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。每个主机都有一个 ARP 高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址，但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射，此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组，主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址，随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。

ICMP

ICMP 是为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会。ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。

它封装在 IP 数据报中，作为其中的数据部分，但是不属于高层协议。

ICMP 报文分为差错报告报文和询问报文。

Ping：Ping 是 ICMP 的一个重要应用，主要用来测试两台主机之间的连通性。

Ping 的原理是通过向目的主机发送 ICMP Echo 请求报文，目的主机收到之后会发送 Echo 回答报文。Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率。

Traceroute：Traceroute 是 ICMP 的另一个应用，用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。

三 路由选择协议

路由选择可分为：

1. 静态路由选择/非自适应路由选择：由人工配置的路由。其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。适用于很简单的小网络。
2. 动态路由选择/自适应路由选择：能较好的适应网络状态的变化，但实现较为复杂，开销也比较大。适用于较复杂的大网络。

互联网采用的路由选择协议主要是自适应的，能随着网络通信量和拓扑结构的变化而自适应地进行调整。

互联网可以划分为许多较小的自治系统 AS，在AS内部和AS之间分别进行路由选择。比如一个大的ISP就是一个AS。这样，互联网就把路由选择协议划分为两大类：

1. 自治系统内部的路由选择：RIP 和 OSPF
2. 自治系统间的路由选择：BGP

内部网关协议RIP

RIP 是一种基于距离向量的路由选择协议。使用跳数作为距离度量，直接相连的路由器跳数为 1。跳数最多为 15，超过 15 表示不可达。

RIP的特点：（和那些路由器交换信息？交换什么信息？在什么时候交换信息？）

• 仅与相邻路由器交换信息。
• 路由器交换的信息是当前路由器所知道的全部信息，即自己现在的路由表。
• 按固定的时间间隔交换路由信息。

RIP 协议实现简单，开销小。但是 RIP 能使用的最大距离为 15，限制了网络的规模。并且当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此消息传送到所有路由器。

开放最短路径OSPF

开放最短路径优先 OSPF，基于Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF，使用链路状态作为距离度量。

链路状态包括与哪些路由器相连以及链路的度量/代价，代价用来表示费用、距离、时延、带宽等，这些由网络管理人员来决定。

OSPF 具有以下特点：（和那些路由器交换信息？交换什么信息？在什么时候交换信息？）

• 向本自治系统中的所有路由器发送信息，这种方法是洪泛法。
• 发送的信息就是与相邻路由器的链路状态，这只是自己知道的部分信息。
• 只有当链路状态发生变化时，路由器才会发送信息。

所有路由器都具有全网的拓扑结构图，并且是一致的。相比于 RIP，OSPF 的更新过程收敛的很快。

边界网关协议BGP

AS 之间的路由选择很困难，主要是由于：

• 互联网规模很大；
• 各个 AS 内部使用不同的路由选择协议，无法准确定义路径的度量；
• AS 之间的路由选择必须考虑有关的策略，比如政治、安全、经济等问题。

所以BGP 只能寻找一条比较好的路由，而不是最佳路由。

每个 AS 都必须配置 BGP 发言人，AS之间通过在两个相邻 BGP 发言人之间建立 TCP 连接来交换路由信息。

BGP所交换的网络可达行的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列AS。

BGP发言人根据所采用的策略，从收到的路由信息中找到到达各自AS的较好的路由。也就是构造连通树形结构。