计算机网络
第四章 网络层
12. 路由选择算法
13. IPv4分组
版本： 指IP的版本，目前广泛的使用版本号为4.
首部长度： 单位是4B，最小为5。最大为15。以32位为单位，最大值为60B，最常用的首部长度为20B，此时不带任何选项(即可选字段)。
区分服务： 指示期望获得哪种类型的服务。
总长度： 首部+数据，单位是1B。因此数据报的最大长度为216-1 = 65535B。以太网的最大传输单元（MTU）为1500B，因此当一个IP数据报封装成帧时，数据报的总长度(首部加数据)一定不能超过数据链路层的MTU值。
标识： 占16位。它是一个计数器，每产生一个数据报就加1，并赋值给标识字段。但它并不是“序号”（因为IP无连接服务）。当一个数据报的长度超过网络的MTU时，必须分片，此时每个数据报片都复制一次标识号，以便能正确重装成原来的数据报。
标志： 占3位。标志字段的最低位为MF，MF=1表示后面还有分片，MF=0表示最后一个分片。标志字段中间的一位为DF，只有当DF=0时才允许分片。
片偏移： 占13位。它指出较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。片偏移以8个字节为偏移单位，即每个分片的长度一定是8B（64位）的整数倍。
生存时间（TTL）： 占8位。数据报在网络中可通过的路由器数的最大值，标识分组在网络中的寿命，以确保分组不会永远在网络中循环。路由器在转发前，先将TTL-1。若TTL被减为0，则该分组必须丢弃。
协议： 占8位。指出此分组携带的数据使用何种协议，即分组的数据部分应当交给哪个传输层协议，如TCP、UDP等。其中值为6表示TCP，值为17表示UDP。
首部校验和： 占16位。IP数据报的首部校验和只校验分组的首部，而不校验数据部分。
源地址字段： 占4B，标识发送方的IP地址。
目的源地址字段： 占4B，标识接收方的IP地址。
14. IPv4 地址与 NAT
分类的IP地址：
特殊IP地址：
私有IP地址：
网络地址转换NAT：
15. 子网掩码&子网划分
子网划分
分类的IP地址的弱点：
1.IP地址空间的利用率有时很低。
2.两级IP地址不够灵活。
子网掩码
16. CIDR&路由聚合
无分类域间路由选择（CIDR）
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。
使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果（跟网络掩码按位相与），应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。
17. ARP 协议、DHCP 协议与 ICMP 协议
ICMP差错报告报文（5种）
1.终点不可达： 当路由器或主机不能交付数据报时就向源点发送终点不可达报文。无法交付
2.源点抑制： 当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。值得更好的路由
3.时间超过： 当路由器收到生存时间TTL=0的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。TTL=0
4.参数问题： 当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。首部字段有问题
5.改变路由（重定向）： 路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器（可通过更好的路由）。值得更好的路由
不应发送ICMP差错报文的情况
1.对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文。
2.对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文。
3.对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文。
4.对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报不发送ICMP差错报告报文。
ICMP询问报文：
1.回送请求和回答报文： 主机或路由器向特定目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。测试目的站是否可达以及了解其相关状态。
2.时间戳请求和回答报文： 请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。用来进行时钟同步和测量时间。
3.掩码地址请求和回答报文
4.路由器询问和通告报文
ICMP的应用：
PING 测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文。
Traceroute 跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文。
18. IPv6
解决“IP地址耗尽”的问题的措施有以下三种：
1）采用无类别编址CIDR，使用IP地址的分配更加合理；
2）采用网络地址转换（NAT）方法以节省全球IP地址；
3）采用具有更大地址空间的新版本的IPv6。
其中前两种方法只是延迟了IPv4地址分配完毕的时间，只有第三种方法从根本上解决了IP地址耗尽问题。
IPv6和IPv4
1.IPv6将地址从32位（4B）扩大到128位（16B），更大的地址空间。
2.IPv6将IPv4的校验和字段彻底移除，以减少每跳的处理时间。
3.IPv6将IPv4的可选字段移出首部，变成了扩展首部，成为灵活的首部格式，路由器通常不对扩展首部进行检查，大大提高了路由器的处理效率。
4.IPv6支持即插即用（即自动配置），不需要DHCP协议。
5.IPv6首部长度必须是8B的整数倍，IPv4首部是4B的整数倍。
6.IPv6只能在主机处分片，IPv4可以在路由器和主机处分片。
7.ICMPv6：附加报文类型“分组过大”。
8.IPv6支持资源的预分配，支持实时视像等要求，保证一定的带宽和时延的应用。
9.IPv6取消了协议字段，改成下一个首部字段。
10.IPv6取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段。
11.IPv6取消了服务类型字段。
IPv6地址表示形式：
冒号十六进制记法： 一般形式 4BF5:AA12:0216:FEBC:BA5F:039A:BE9A:2170
压缩形式4BF5:0000:0000:0000:BA5F:039A:000A:2176 点分十进制
4BF5:0:0:0:BA5F:39A:A:2176。
零压缩：一连串连续的0可以被一对冒号取代。
FF05:0:0:0:0:0:0:B3
FF05::B3
双冒号表示法在一个地址中仅可出现一次。
IPv6地址
IPv6向IPv4过渡的策略
双栈协议: 双协议栈技术就是指在一台设备上同时启用IPv4协议栈和IPv6协议栈。这样的话，这台设备既能和IPv4网络通信，又能和IPv6网络通信。如果这台设备是一个路由器，那么这台路由器的不同接口上，分别配置了IPv4地址和IPv6地址，并很可能分别连接了IPv4网络和IPv6网络。如果这台设备是一个计算机，那么它将同时拥有IPv4地址和IPv6地址，并具备同时处理这两个协议地址的功能。
隧道技术: 通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式。使用隧道传递的数据（或负载）可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将其它协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送。
19. 路由协议
【2010全国联考】35.某自治系统内采用RIP协议，若该自治系统内的路由器R1收到其邻居路由器R2的距离矢
量，距离矢量中包含信息<net1, 16>，则能得出的结论是 。
A．R2可以经过R1到达net1，跳数为17
B．R2可以到达net1，跳数为16
C．R1可以经过R2到达net1，跳数为17
D．R1不能经过R2到达net1
20. IP 组播
IP数据报的三种传输方式：
单播用于发送数据包到单个目的地，且每发送一份单播报文都使用一个单播IP地址作为目的地址。是一种点对点传输方式。
广播是指发送数据包到同一广播域或子网内的所有设备的一种数据传输方式，是一种点对多点传输方式。
当网络中的某些用户需要特定数据时，组播数据发送者仅发送一次数据，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发，是一种点对多点传输方式。
IP 组播地址
IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址（一群共同需求主机的相同标识）。
组播地址范围为224.0.0.0～239.255.255.255（D类地址），一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。
1.组播数据报也是“尽最大努力交付”，不提供可靠交付，应用于UDP。
2.对组播数据报不产生ICMP差错报文。
3.并非所有D类地址都可以作为组播地址。
同单播地址一样，组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到的。
TCP/IP 协议使用的以太网多播地址的范围是：从01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF .
IGMP协议
ROUND 1：
某主机要加入组播组时，该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声明自己要称为该组的成员。本地组播路由器收到IGMP报文后，要利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器。
ROUND 2：
本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还是组播组的成员。只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的；如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。
组播路由选择协议
组播路由协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。构造树可以避免在路由器之间兜圈子。
对不同的多播组对应于不同的多播转发树；同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。
组播路由选择协议常使用的三种算法：
基于链路状态的路由选择；基于距离-向量的路由选择；协议无关的组播（稀疏/密集）
21. 移动 IP
移动 IP 的概念
移动IP（Mobile IP）又称为移动IP 协议，是由IETF 开发的一种技术，这种技术允许计算机移动到外地时，仍然保留其原来的IP 地址。移动IP 对现在流行的在移动中上网有着重要的意义。
移动IP 要解决的问题，就是要使用户的移动性对上层的网络应用是透明的。或者更加具体些说，就是若一个移动站在漫游时仍保持其IP 地址不变，就要想办法使己建立的TCP 连接与移动用户的漫游无关。此外，还要想办法让互联网中的其他主机能够找到这个移动站。
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。
移动节点： 具有永久IP地址的移动设备。
归属代理（本地代理） 一个移动结点的永久“居所”称为归属网络，在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理。
外部代理（外部地址） 在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体称为外部代理。
永久地址（归属地址/主地址） 移动站点在归属网络中的原始地址。
转交地址（辅地址） 可以是外部代理的地址或动态配置的一个地址。
移动 IP 的通信过程
22. 网络层设备
路由器的组成和功能
路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。从路由器某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地（即目的网络），把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。下一跳路由器也按照这种方法处理分组，直到该分组到达终点为止。路由器的转发分组正是网络层的主要工作。整个的路由器结构可划分为两大部分：路由选择部分和分组转发部分。路由选择部分也叫做控制部分，其核心构件是路由选择处理机。路由选择处理机的任务是根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期地和相邻路由器交换路由信息而不断地更新和维护路由表。
分组转发部分是本节所要讨论的问题，它由三部分组成：交换结构、一组输入端口和一组输出端口（请注意：这里的端口就是硬件接口）。
路由表与路由转发
“转发”（forwarding）就是路由器根据转发表将用户的IP 数据报从合适的端口转发出去。
“路由选择”（routing）则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由。
【2010全国联考】38.下列网络设备中，能够抑制广播风暴的是 。D
Ⅰ．中继器 Ⅱ．集线器 Ⅲ．网桥 Ⅳ．路由器
A．仅Ⅰ和Ⅱ B．仅Ⅲ C．仅Ⅲ和Ⅳ D．仅Ⅳ
【2012全国联考】37.下列关于IP路由器功能的描述中，正确的是 。
Ⅰ．运行路由协议，设置路由表
Ⅱ．监测到拥塞时，合理丢弃IP分组
Ⅲ．对收到的IP分组头进行差错校验，确保传输的IP分组不丢失
Ⅳ．根据收到的IP分组的目的IP地址，将其转发到合适的输出线路上
A．仅Ⅲ、Ⅳ B．仅Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
C．仅Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ D．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
新增 SDN基本概念
数据平面执行的主要功能是根据转发表进行转发，这是路由器的本地动作。
