网络层的任务：

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。网络层的传输单位是数据报。

功能一：路由选择和分组转发

功能二：异构网络互联

功能三：拥塞控制

数据交换方式：

为什么要进行数据交换？在每两台计算机之间架设连接不现实，通信距离过长也可能出现问题，如下：

数据交换方式有三种：

1.电路交换 2.报文交换 3.分组交换

电路交换：

电路交换的阶段：建立连接——通信——释放连接

特点：独占资源

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：

报文：源应用发送的信息整体。

优点：1.无需建立连接 2.存储转发，动态分配线路 3.线路可靠性高 4.线路利用率较高 5.多目标服务（可以发到多个端）

缺点：1.有存储转发时延 2.报文大小不定，需要网络节点具有较大的缓存空间

分组交换：

分组：把大的数据分割成小的数据块。

优点：和报文交换一样，但相比于报文交换，存储管理更为容易

缺点：1.有存储转发时延 2.需要传输额外的信息量 3.乱序到达目的主机时，要对分组进行排序重组

分组交换的两种方式：

数据报（因特网在用）：

为网络层提供无连接服务

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

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。

2.虚电路方式：为网络层提供连接服务

连接服务：首先为分组的传输确定传输路径，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。

虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点。

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虚电路的信息。

路由算法及路由协议

路由算法：

在特定情况下找到比较合理的路由选择。

分类：

静态路由算法（非自适应路由算法）：管理员手工配置路由信息，适用于负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果很好。

动态路由算法（自适应路由算法）：路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项，适用于大型网络。

动态路由算法：

全局性：链路状态路由算法OSPF，所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息。

分散性：距离向量路由算法RIP，路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用。

分层次的路由选择协议：

由来：因特网规模很大，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间的路由。一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个AS的所有路由器在本AS内都必须连通。

IP数据报格式（重点）：

各种协议的纵览:

可以看到，网络层的协议有4个，ARP、IP、ICMP、IGMP，位置靠下的为位置靠上的服务。

IP数据报格式：

IP数据报分片：

首先了解一个概念，最大传送单元MTU，即链路层数据帧可以封装数据的上限。以太网的MTU是1500字节。

如果传送的数据报长度超过MTU，就要进行分片。

分片就要用到IP数据报首部的标识、标志和片偏移。

标识：同一数据报的分片使用同一标识，便于到达接收端后拼接。

标志：有3位，只有2位有意义，其中中间位DF（Don’t Fragment）若为1，则禁止分片，若为0，则可以分片；最低位MF（More Fragment）为1，代表后面还有分片若为0则代表此分片是最后一片。

片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置，以8B为单位。

IPv4地址：

IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。

IP地址={网络号 + 主机号}

可以看到，上图中每个路由器都有多个IP地址，因为每个端口都要一个地址。

分类的IP地址：

IP地址分为A、B、C、D、E五大类，用地址开头的几位来区分，如下：

当然，世界上也有一些特殊的IP地址，不能随便使用，如下：

另外还有一些私有的IP地址：

这些私有IP地址，也可以与外部网络进行连接，就是通过网络地址转换NAT（network address translation），在专用网连接到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。

子网划分与子网掩码：

有些机构申请了A类 IP地址，但没有那么多主机，因此会造成IP地址资源的浪费，这种情况便可以使用子网划分。

当公网的一个信息来到一个子网时，路由器转发分组的算法如下：

无分类编址CIDR：

消除了传统的A类、B类和C类以及划分子网的概念。

以128.14.32.0/20为例，20代表总的32位中前20位为网络前缀，后面的12位为主机号。

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。

方法：将网络前缀缩短。

ARP协议：

发送数据的过程：

ARP协议的功能：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地址为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。

DHCP协议（动态主机配置协议）：

主机如何获得IP地址？

静态配置：管理员静态按序地分配了地址。

动态配置：由DHCP服务器给主机分配地址。

DHCP协议是应用层协议，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提供即插即用的联网机制，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。

ICMP协议：

ICMP协议支持主机或路由器：差错（或异常）报告、网络探询

ICMP分为两种：差错报告报文、询问报文

ICMP差错报告报文有5种：

ICMP询问报文有2种：

IPV6：

为什么有IPV6？从根本上解决地址耗尽的问题。

IPV6具有更为灵活的首部形式，基本首部只有40字节，如果有更多信息，可以防止扩展首部中。IPV6数据报格式如下：

相比于IPV4，IPV6更为高效，拥有更大的地址空间，具体区别如下：

IPV6地址表示形式：

冒号十六进制记法：每四位写成一个16进制，共8组。

RIP协议与距离向量算法：

RIP协议是一个内部网关协议。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自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录。

距离：通常称为“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。RIP允许一条路最多只能包含15个路由器，因此距离为16表示不可达。

RIP中一个路由器的表项是如何更新的呢？

简单来说，就是路由器只与自己身边的“人”交流，并不断更新表项，直到所有路由器都知道到达网络内任意一个路由器的距离。具体如下：

OSPF协议与链路状态算法：

OSPF协议（开放最短路径优先协议），它最大的特征就是使用分布式的链路状态协议。

BGP协议：

BGP协议是一个外部网关协议。其是AS间BGP发言人交换信息的协议。

既然BGP协议是外部网关协议，则它就是为了用来找到到达其他网络需要经过的AS。

RIP、OSPF、BGP三种协议的比较：

IP组播：

一、IP数据报的三种传输方式

ICMP协议与组播路由选择协议：

ICMP协议的作用是让路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出了某个组播组。

移动IP：

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。

相关术语：

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“居所”就是归属网络，在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体就叫做归属代理。

外部代理（外地代理）：在外部网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体就叫做归属代理。

永久地址：移动站点在归属网络中的原始地址

转交地址：移动站点在外部网络临时使用的地址

网络层设备：

路由器：