实习生笔记-复习计算机网络网络层部分知识

前言

温故而知新，可以为师矣。复习bilibili上湖科大教书匠关于计算机网络中网络层的一部分知识，所做笔记。

1 IPv4

1.1?分类编址的IPv4地址

A类地址：0开头，网络号8位；主机号24位。

B类地址：10开头，网络号16位；主机号16位。

C类地址：110开头，网络号24位，主机号8位。

D类地址：1110开头，多播地址。

E类地址：1111开头，保留为今后使用。

注意事项：

• 只有A类、B类和C类地址可分配给网络中的主机或路由器的各接口

• 主机号为“全0”的地址是网络地址，不能分配给主机或路由器的各接口

• 主机号为“全1”的地址是广播地址，不能分配给主机或路由器的各几口

网络类别	第一个可指派的网络号	最后一个可指派的网络号	最大可指派的网络数量	每个网络中的最大主机数量	不能指派的网络号	占总地址空间
A	1	126	2的（8-1）次方减2?=?126	2的24次方减2	0和127	1/2?=?2的（31-1）次方除以2的32次方
B	128.0	191.255	2的（16-2）次方	2的16次方减2	无	1/4?=?2的（32-2）次方除以2的32次方
C	192.0.0	223.255.255	2的（24-3）次方	2的8次方减2	无	2的（32-3）次方减2的32次方

网络类别	作用	第一个地址	最后一个地址	地址数量	占总地址空间
D	多播地址	224.0.0.0	239.255.255.255	2的28次方	16分之1??=?2的（32-4）次方除以2的32次方
E	保留为今后使用	240.0.0.0	255.255.255.255	2的28次方	16分之1

一般不使用的特殊IP地址

网络号	主机号	作为源地址	作为目的地址	代表的意思
0	0	可以	不可	在本网络的本主机（DHCP协议）
0	host-id	可以	不可	在本网络上的某台主机host-id
全1	全1	不可	可以	只在本网络上进行广播
net-id	全1	不可	可以	对net-id上的所有主机进行广播
127	非全0或全1	可以	可以	用于本地软件环回测试

1.2 划分子网的IPv4地址

为新增网络申请新的网络号会带来以下弊端：

• 需要等待时间和花费更多的费用

• 会增加其他路由器中路由表记录的数量

• 浪费原有网络号中剩余的大量IP地址

可以从主机号部分借用一部分比特作为子网号

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

• 子网掩码使用连续的比特1来对应网络号和子网号

• 子网掩码使用连续的比特0来对应主机号

• 将划分子网的IPv4地址与其相应的子网掩码进行逻辑与运算就可得到IPv4地址所在子网的网络地址

给定一个分类的IP地址和其相应的子网掩码，就可知道子网划分的细节

• 划分出的子网数量

• 每个子网可分配的IP地址数量

• 每个子网的网络地址和广播地址（网络地址子网部分不变，其他全1可以计算出）

• 每个子网可分配的最小和最大地址

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

A类：255.0.0.0 B类：255.255.0.0 C类：255.255.255.0

1.3无分类编址的IPv4地址

（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。

为此，因特网工程任务组IETF又提出了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以解决IP地址耗尽的问题

（2）1993年，IETF发布了无分类域间路由选择CIDR(Classless Inter-Domain Routing)的RFC文档：RFC 1517~1519和1520

• 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。

• 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持续增长

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

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”

（3）我们只要知道CIDR地址块中的任何一个地址，就可以知道该地址的全部细节（重点）

• 地址块的最小地址

• 地址块的最大地址

• 地址块中地址数量

• 地址块聚合某类网络（A类、B类、C类）的数量

• 地址掩码（也可继续称为子网掩码）

路由聚合（构造超网）的方法是找共同前缀（重点）

网络前缀越长，地址块越小，路由越具体

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。

1.4?IPv4的地址的应用规划

定长的子网掩码FLSM（Fixed Length Subnet Mask）	变长的子网掩码VLSM（Variable Length Subnet Mask）
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^n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

2 IP数据报的发送和转发过程

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（网络号比特数量是否一致，网络号是否一致）

• 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

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路由器转发IP数据报

（1）检查IP数据包首部是否出错

• 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

（2）根据IP数据报的目的地址在路由表中查找匹配的条目（目的地址与路由条目中地址掩码做与运算，判断目的网络是否相同）

• 若找到匹配的条目，则转发给条目中指示的下一跳

• 若找不到，则丢弃该IP数据报并通告源主机

3 静态路由配置及其可能产生的路由环路问题

（1）静态路由配置是指用户或网络管理员使用路由器的相关命令给路由器人工配置路由表

• 这种人工配置方式简单、开销小。但不能及时适应网络状态（流量、拓扑等）的变化

• 一般只在小规模网络中使用

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（2）使用静态路由配置可能出现以下导致产生路由环路的错误

• 配置错误

• 聚合了不存在的网络

• 网络故障

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（3）路由条目的类型

• 直连网络

• 静态路由（人工配置）

• 动态路由（路由选择协议）

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（4）特殊的静态路由条目

• 默认路由（目的网络为0.0.0.0，地址掩码为0.0.0.0）

• 特定主机路由（目的网络为特定主机的IP地址，地址掩码为255.255.255.255）

• 黑洞路由（下一跳为null0）

4 路由选择协议

4.1 概述

静态路由选择	动态路由选择
由人工配置的网络路由、默认路由、特定主机路由、黑洞路由等都属于静态路由	路由器通过路由选择协议自动获取路由信息
这种人工配置方式简单、开销小，但不能及时适应网络状况（流量、拓扑等）的变化	比较复杂、开销比较大，能较好地适应网络状态的变化。
一般只在小规模网络中使用	适用于大规模网络

因特网采用分层次的路由选择协议，自治系统AS内使用内部网关协议IGP（例如：RIP、OSPF）,自治系统间使用外部网关协议EGP（例如：BGP）

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路由选择协议

1、内部网关协议

• 路由信息协议RIP

• 内部网关路由协议IGRP

以上两种基于距离向量；RIP在因特网上最早使用；IGRP是思科早期私有的协议，现在已经被EIGRP取代

• 增强型内部网关路由协议EIGRP。

思科特有，结合距离向量和链路状态

• 开放式最短路径优先OSPF

• 中间系统到中间系统IS-IS

上述两种是基于链路状态。前者在各种网络中广泛使用；集成化IS-IS是ISP骨干网上最常使用的IGP协议

2、外部网关协议

• 边界网关协议BGP

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路由器的结构分两大部分，一部分是路由选择处理机，它根据路由选择协议更新路由表；一部分是交换结构，由一组输入端口、分组处理、一组输出端口组成。

• 路由表一般仅包含从目的网络到下一跳的映射

• 路由表需要对网络拓扑变化的计算最优化

• 转发表是从路由表得出的

• 转发表的结构应当使查找过程最优化

4.2 路由信息协议RIP的基本工作原理

路由信息协议RIP（routing information protocol）是内部网关协议IGP中最先得到广泛使用的协议之一。

RIP要求自治系统AS内的每一个路由器都要维护从它自己到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”

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RIP使用跳数作为度量来衡量到达目的网络的距离

• 路由器到直连网络的距离定义为1

• 路由器到达非直连网络的距离定义为所经过的路由器数加1

• 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

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

当到达同一亩地网络有多条“距离相等”的路由时，可以进行等价负载均衡

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RIP包含以下三个要点：

• 和谁交换信息：仅和相邻路由交换信息

• 交换什么信息：自己的路由表

• 何时交换信息：周期性交换。例如每30秒

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RIP的基本工作过程

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周期性地交换并更新路由信息

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

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RIP的路由条目更新规则

• 发现了新的网络，添加

• 到达目的网络，相同下一跳，最新消息，更新

• 到达目的网络，不同下一跳，新路由优势，更新

• 到达目的网络，不同下一跳，新路由劣势，不更新

• 到达目的网络，不同下一跳，等价负载均衡

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RIP存在“坏消息传播得慢”的问题

“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，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

• 限制最大路径距离为15（16表示不可达）

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

• 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发送（即“水平分割”）

4.3 开放最短路径优先OSPF的基本工作原理

1. 开放最短路径优先OSPF（open shortest path first），是为克服RIP的缺点在1989年开发出来的。

   • “开放”表明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”是因为使用了迪杰特斯拉提出的最短路径算法SPF

2. OSPF是基于链路状态的。

3. OSPF采用SPF算法计算路由，从算法上保证了不会产生路由环路

4. OSPF不限制网络规模，更新效率高，收敛速度快

5. 链路状态是指本路由器都和哪些路由器相邻，以及相应链路的代价

   • 代价是用来表示费用、距离、时延、带宽等，这些都由网络管理人员来决定

6. 使用OSPF的每个路由器都会产生链路状态通告LSA。LSA包含了：直连网络的链路状态信息；邻居路由器的链路状态信息

7. LSA被封装在链路状态更新分组LSU中，采用洪泛法发送

8. 使用OSPF的每个路由器都有一个链路状态数据库LSDB，用于存储LSA。

9. 通过各路由器洪泛发送封装有自己LSA中的LSU分组，各路由器的LSDB最终达到一致。

10. 使用OSPF的各路由器基于LSDB进行最短路径优先SPF计算，构建出各自到达其他各路由器的最短路径，即构建各自的路由表。

11. OSPF有五种分组类型：问候分组、数据库描述分组、链路状态请求分组、链路状态更新分组

12. OSPF在多点接入网络中路由邻居关系的建立：链路状态确认分组、选举指定路由器DR和备用的指定路由器BDR、所有的DR/BDR只与DR/BDR建立邻居关系、非DR/BDR之间通过DR/BDR交换信息

13. 为了使得OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF把一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。

    划分区域的好处就是把利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个自治系统，这就减少了整个网络上的通信量。

4.4 边界网关协议BGP的基本工作原理

外部网关协议EGP（例如边界网关协议BGP）

• 在不同自治系统中，度量路由的“代价”（距离，宽带，费用等）可能不同。因此，对于自治系统之间的路由选择，使用“代价”作为度量来寻找最佳路由是不行的。

• 自治系统之间的路由选择必须考虑相关策略（政治、经济、安全等）

• BGP只能是力求寻找一条能够到达目的网络且较好的路由（不能兜圈子），而非寻找一条最佳路由

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在配置BGP时，每个自治系统的管理员至少要选择一个路由器作为该系统的“BGP发言人”

不同自治系统的BGP发言人要交换路由信息，首先必须建立TCP连接，端口号为179

• 在此TCP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（例如，增加新的路由，或撤销过时的路由，以及报告出错的情况等）

• 使用TCP连接交换路由信息的两个BGP发言人，彼此称为对方的邻站或对等站

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BGP发言人处理运行BGP外，还必须运行自己所在自治系统所使用的内部网关协议IGP，例如OSPF或RIP

BGP发言人交换网络可达性信息（要到达某个网络所要经过的一系列自治系统）

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到到达各自治系统的较好的路由，也就是构造出树形结构、不存在回路的自治系统连通图。

BGP适用于多级结构的因特网

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BGP-4有以下4中报文

• 打开报文：用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，使通信初始化

• 更新报文：用来通告某一路由的信息，以及列出要撤销的多余路由

• 保活报文：用来周期性地证实邻站的连通性

• 通知报文：用来发送检测到的差错

5 IPv4数据报的首部格式

6 网际控制报文协议ICMP

7 虚拟专用网VPN与网络地址转换NAT

结束语

希望多年后回首，能道然：一身转战三千里，一剑曾当百万师。