计算机网络-网络层

计算机网络-网络层

以下笔记整理为哔哩哔哩湖科大教书匠的《计算机网络微课堂》的教学视频。
链接：计算机网络微课堂

1. 网络层概述

1.1 网络层的主要任务是实现网络互联，进而实现数据包在各网络之间的传输。

1.2 要实现网络层任务，需要解决以下主要问题：

? 1.2.1 网络层向运输层提供怎样的服务（“可靠传输” 还是 “不可靠传输”）

? 1.2.2 网络层寻址问题

? 1.2.3 路由选择问题

1.3 因特网是目前全世界用户数量最多的互联网，它使用TCP/IP协议栈。

1.4 由于TCP/IP协议栈的网络层使用网际协议IP，它是整个协议栈的核心协议，因此在TCP/IP协议栈中网络层常称为网际层。

1.5 综上所述，我们通过学习TCP/IP协议栈的网际层来学习网络层的理论知识和实践技术。

2. 网络层提供的两种服务

2.1 虚电路服务与数据报服务的比较：

对比方面	虚电路服务	数据报服务
思路	可靠通信应当由网络来保证	可靠通信应当由用户主机来保证
连接的建立	必须建立网络层连接	不需要建立网络层连接
终点地址	仅在连接建立阶段使用	每个分组都有终点的完整地址
分组的转发	属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发	每个分组可走不同的路由
当结点出故障时	所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作	出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化
分组的顺序	总是按发送顺序到达终点	到达终点时不一定按发送顺序
服务质量保证	可以将通信资源提前分配给每一个虚电路，容易实现	很难实现

2.2 由于TCP/IP体系结构的因特网的网际层提供的是简单灵活、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务，因此本章主要围绕网际层如何传送IP数据报这个主题进行讨论。

3. IPv4地址概述

3.1 在TCP/IP体系中，IP地址是一个最基本的概念，我们必须把它弄清楚。

3.2 IPv4地址就是给因特网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内唯一的32比特的标识符。

3.3 IP地址由因特网名字和数字分配机构ICANN进行分配。

? 3.3.1 我国用户可向亚太网络信息中心APNIC申请IP地址，需要缴费，一般不接受个人用户申请。

? 3.3.2 2011年2月3日，互联网号码分配管理局IANA宣布，IPv4地址已经分配完毕。

? 3.3.3 我国在2014至2015年也逐步停止了向新用户和应用分配IPv4地址。同时全面开展商用部署IPv6。

3.4 IPv4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段：

? 1981年分类编址 --> 1985年划分子网 --> 1993年无分类编址

3.5 32比特的IPv4地址不方便阅读、记录以及输入等，因此IPv4地址采用点分十进制表示方法以方便用户使用。

4. 分类编址的IPv4地址

弄清楚ABC类地址的IPv4地址结构，知道怎么分配！

5. 划分子网的IPv4地址

5.1 为新增网络申请新的网络号会带来以下弊端：

? 5.1.1 需要等待时间和花费更多的费用

? 5.1.2 会增加其他路由器中路由表记录的数量

? 5.1.3 浪费原有网络号中剩余的大量IP地址

5.2 可以从主机号部分借用一部分比特作为子网号

5.3 32比特的子网掩码可以表明分类IP地址的主机号部分被借用了几个比特作为子网号

? 5.3.1 子网掩码使用连续的比特1来对应网络号和子网号

? 5.3.2 子网掩码使用连续的比特0来对应主机号

? 5.3.3 将划分子网的IPv4地址与其对应的子网掩码进行逻辑与(&)运算就可以得到IPv4地址所在子网的网络地址

5.4 给定一个分类的IP地址和其对应的子网掩码，就可以知道子网划分的细节：

? 重点掌握：

? 5.4.1 划分出的子网数量

? 5.4.2 每个子网可分配的IP地址数量

? 5.4.3 每个子网的网络地址和广播地址

? 5.4.4 每个子网可分配的最小和最大的地址

5.5 默认的子网掩码是指在未划分子网的情况下使用的子网掩码：

? 5.5.1 A类：255.0.0.0

? 5.5.2 B类：255.255.0.0

? 5.2.3 C类：255.255.255.0

6. 无分类编址的IPv4地址

6.1 划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难，但是数量巨大的C类网因为其地址空间太小并没有得到充分使用，而因特网的IP地址仍在加速消耗，整个IPv4地址空间面临全部耗尽的威胁。

6.2 为此，因特网工程任务组IETF又提出采用无分类编址的方法来解决IP地址紧张的问题，同时还专门成立IPv6工作组负责研究新版本IP以彻底解决IP地址耗尽问题。

6.3 1993年IETF发布了无分类域间路由选择CIDR的RFC文档：

? 6.3.1 CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址，以及划分子网的概念；

? 6.3.2 CIDR可以更加有效地分配IPv4的地址空间，并且可以在新的IPv6使用之前允许因特网的规模继续增长。

6.4 CIDR使用==“斜线记法”，或称为CIDR记法。即在IPv4地址后面加上’/'，在斜线后面写上网络前缀所占的比特数量==。

6.5 CIDR实际上是将网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。

6.6 我们只要知道CIDR地址块中的任何一个地址，就可以知道该地址块的全部细节：

? 重点掌握：

? 6.6.1 地址块的最小地址

? 6.6.2 地址块的最大地址

? 6.6.3 地址块中的地址数量

? 6.6.4 地址块聚合某类网络（A类、B类、C类）的数量

? 6.6.5 地址掩码（也可继续称为子网掩码）

? 地址掩码就是网络号部分全部取1，主机号部分全部取0

6.7 路由聚合（构造超网）的方法就是找共同前缀

6.7 网络前缀越长，地址块越小，路由越具体

6.8 若路由器查表转发分组时发现有多条路由可选，则选择网络前缀最长的那条，这称为最长前缀匹配，因为这样的路由更具体。

7. IPv4地址的应用规划

定长的子网掩码FLSM	变长的子网掩码VLSM
使用同一个子网掩码来划分子网	使用不同的子网掩码来划分子网
子网划分方式不灵活：只能划分出2的n次方个子网（n是从主机号部分借用的用来作为子网号的比特数量）	子网划分方式灵活：可以按需分配
每个子网所分配的IP地址数量相同，容易造成IP地址浪费	每个子网所分配的IP地址数量可以不同，尽可能减少对IP地址的浪费

8. IP数据报的发送和转发过程

8.1 主机发送IP数据报

判断目的主机是否与自己在同一个网络：

判断方法：

① 将源主机的主机地址与源主机的子网掩码做逻辑与运算，得到源网络地址

② 将目的主机的主机地址与源主机的子网掩码做逻辑与运算，得到目的网络地址

③ 若源网络地址与目的网络地址相同，则表示在同一个网络

若在同一个网络，则属于直接交付；

若不在同一个网络，则属于间接交付，传输给主机所在网络的默认网关（路由器），由默认网关帮忙转发；

8.2 路由器转发IP数据报

? 8.2.1 检查IP数据报首部是否出错：

? 若出错，则直接丢弃该IP数据报并通告源主机；

? 若没有出错，则进行转发；

? 8.2.2 根据IP数据报的目的地址在路由器表中查找匹配的条目：

? 查找方法：

? 若找到匹配的条目，则转发给条目中指示的吓一跳；

? 若找不到，则丢弃该IP数据报并通告源主机；

9. 路由信息协议RIP的基本工作原理

9.1 路由信息协议RIP是内部网关协议IGP中最先得到广泛使用的协议之一，其相关标准文档为RFC1058 。

9.2 RIP要求自治系统AS内的每一个路由器都有维护从它自己到AS内其他每一个网络的距离记录。这是一组距离，称为“距离向量”。

9.3 RIP使用跳数作为度量来衡量到达目的网络的距离。

? 9.3.1 路由到直连网络的距离定义为1

? 9.3.2 路由器到非直连网络的距离定义为所经过的路由器数加1

? 9.3.3 允许一条路径最多只能包含15个路由器，距离等于16时相当于不可达。因此，RIP只适用于小型互联网。

9.4 RIP认为好的路由就是距离短的路由，也就是所通过路由器数量最少的路由。

9.5 当达到同一目的网络有多条距离相等的路由时，可以进行等价负载均衡。

9.6 RIP包含以下三个要点：

重点：

① 和谁交换信息：仅和相邻路由器交换信息

② 交换什么信息：交换自己的路由表

③ 何时交换信息：周期性交换（例如每30秒）

9.7 RIP的基本工作过程

重点：

① 路由器刚开始工作时，只知道自己到直连网络的距离为1

② 每个路由器仅和相邻路由器周期性地交换并更新路由信息

③ 若干次交换和更新后，每个路由器都知道到达本AS内各网络的最短距离和下一跳地址，称为收敛

9.8 RIP路由条目的更新规则

重点：

① 发现了新的网络，添加

② 相同下一跳，最新消息，更新

③ 不同下一跳，距离更短，更新

④ 不同下一跳，距离更大，不更新

⑤ 不同下一跳，等价负载均衡

9.9 RIP存在“坏消息传播得慢”的问题

9.10 坏消息传播得慢又称为路由环路或距离无穷计数问题，这是距离向量算法的一个固有问题。

9.11 可以采取多种措施减少出现该问题的概率或减小该问题带来的危害

① 限制最大路径距离为15（16表示不可达）

② 当路由表发生变化时就立即发送更新报文（即“触发更新”），而不仅是周期性发送

③ 让路由器记录收到某特定路由信息的接口，而不让同一路由信息再通过此接口向反方向传送（即“水平分割”）