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1. 网络层服务
在从发送主机向接收主机传送数据段（segment）的过程中，发送主机的网络层取得传输层的报文段，将报文段封装到数据报（datagram）中，然后向相邻的路由器发送数据报。接收主机的网络层接收来自相邻路由器的数据报，提取传输层报文段，向传输层交付。
? 每个主机和路由器都运行网络层协议
? 路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域，问题为决策如何处理IP数据报。路由器不允许应用与传输层协议，只有网络层以下的部分。
路由与转发
转发(forwarding): 将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口，是路由器本地动作，时间很短。
路由(routing): 确定分组从源到目的经过的路径，需要路由算法 （routing algorithms）。是网络范围的处理过程，时间相对较长。
转发表：路由器检查到达分组的一个或多个字段值，使用这些值在转发表中索引，进而转发分组。
路由算法(协议)确定通过网络的端到端路径，转发表确定在本路由器如何转发分组
网络层核心功能-连接建立
数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接，由网络设备（如路由器）参与连接的建立。
传输与网络的对比
网络层连接: 两个主机之间 (?路径上的路由器等网络设备参与其中)
传输层连接: 两个应用进程之间（对中间网络设备透明）
网络层服务模型
?无连接服务(connection-less service)，典型：数据报网络(datagram network )
? 不事先为系列分组的传输确定传输路径
? 每个分组独立确定传输路径
? 不同分组可能传输路径不同
?连接服务(connection service)，典型：虚电路网络(virtual-circuit network )
? 首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径 (建立连接)
? 然后沿该路径（连接）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
2. 虚电路网络与数据报网络
虚电路网络
虚电路：一条从源主机到目的主机，类似于电路的路径(逻辑连接) ，采用分组交换的方式。每个分组的传输利用链路的全部带宽。源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能
通信过程： 呼叫建立(call setup)→数据传输 →拆除呼叫
每个分组携带虚电路标识(VCID)，而不是目的主机地址。虚电路经过的每个网络设备 （如路由器）都维护每条经过它的虚电路连接状态。链路、网络设备资源(如带宽 、缓存等)可以面向VC进行预分配。预分配资源=可预期服务性能，如ATM的电路仿真（CBR）
与电路的区别：1. 不进行电路的资源分配。 2. 都需要建立路径 3. 有时会进行网络资源预留，达到电路级的性能。
虚电路包括: 1. 从源主机到目的主机的一条路径 2. 虚电路号（VCID）， 沿路每段链路一个编号 3. 沿路每个网络层设备（如路由器），利用转发表记录经过的每条虚电路
VC实现：沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址。同一条VC ，在每段链路上的VCID通常不同，路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号
虚电路网络在连接建立时也需要解决路由选择问题，同时也需要进行虚电路的维护管理。
?虚电路信令协议：用于VC的建立、维护与拆除，应用于虚电路网络中。
数据报网络
网络层无连接，每个分组携带目的地址。路由表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，在分组到达时检索转发表。每个分组独立选路。
路由算法(协议)确定通过网络的端到端路径，转发表确定在本路由器如何转发分组
在转发表中，满足最长前缀匹配优先。在检索转发表时，优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口（entry）。
数据报网络与虚电路网络的区别：
Internet (数据报网络)
? 计算机之间的数据交换。是“弹性”服务，没有严格时间需求
? 链路类型众多。特点、性能各异，但统一服务困难
? “智能”端系统 (计算机) ，可以自适应、性能控制、差错恢复
? 简化网络， 复杂“边缘”
ATM (VC网络)
? 电话网络演化而来
? 核心业务是实时对话： ? 严格的时间、可靠性需求 ? 需要有保障的服务
? “哑(dumb)” 端系统（非智能） ? 电话机 ? 传真机
? 简化“边缘”， 复杂网络
3. 路由器体系结构
两个核心功能：1. 运行路由算法/协议? 2. 将数据报从入口到输出端口
分为：
1. 输入端口： 终结入物理层链路的物理层功能；与位于入链路层远端的数据链路层交互来执行链路层功能。执行查找功能，通过查询转发表决定路由器的输出端口
2. 交换结构：交换结构将路由器的输入端口连接到输出端口。
3. 输出端口：存储交换结构接收的分组，执行必要的链路层和物理成功能在输出链路上出书分组。
4. 路由选择处理器：执行控制平面功能。在传统路由器中执行路由协议，维护路由选择表与关联链路状态。
4. IP协议
网络层功能：
?IP数据报格式
? 版本号：占4位，IP协议的版本号有?4→IPv4，6 → IPv6
? 首部长度：占4位，以4个字节为单位，如果为5，意味着首部长度为20(5×4)字节
? 服务类型(TOS)：字段占8位，指示期望获得哪种类型的服务。只有在网络提供区分服务(DiffServ)时使用，通常IP分组的该字段(第2字节)的值为00H
? 总长度：占16位，为IP分组的总字节数。最大IP分组的总长度：65535B，最小的IP分组首部：20B。IP分组可以封装的最大数据：65535-20=65515B
? 生存时间（TTL）：占8位，是IP分组在网络中可以通过的路由器数。每次转发这个分组，TTL减一，如果TTL为0，丢弃分组。
? 协议：占8位，指示IP分组封装的数据包的协议。实现复用分用，6为TCP，表示封装的为TCP段；17为UDP，表示封装的是UDP数据报。
? 首部校验和：占16位，实现IP分组的差错检测。计算时，将此字段置0，计算其他字段之和。采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段。
? 源IP地址、目的IP地址：占32位，标识发送分组的源主机/路由器(网络接口)和接收分组的目的主机/路由器 （网络接口）的IP地址
? 选项字段：长度可变，在1-40B之间，携带安全、源选路径、时间戳和路由记录等内容，实际很少使用。
? 填充：长度可变，范围在0-3B之间，目的在不一起首部，符合32位对其，保障首部长度是4字节的整数倍。
IP分片与重组
MTU（最大传输单元）：链路层数据帧可封装数据的上限，不同链路的MTU不同。
大IP分组向较小MTU链路转发时，可以被“分片”，分成多个IP分组，IP分片到达目的主机后进行“重组”。IP首部的相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序
? 标识字段：占16位，标识一个IP分组。IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识
? 标志位：占3位，由保留位，DF (Don't Fragment) 和MF (More Fragment) 组成。
DF =1：禁止分片；
DF =0：允许分片
MF =1：非最后一片；
MF =0：最后一片(或未分片)
? 片偏移：占13位，一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量 ，以8字节为单位进行计算
IP分片过程
假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M。若L>M，且DF=0，则可以分片。分片时每个分片的标识复制原IP分组的标识。通常分片时，除最后一个分片，其他分片均分为MTU允许的最大分片。一个最大分片可封装的数据应该是8的倍数，因此，一个最大分片可封装的数据为：
需要分片数量：
每片的块偏移：
每片的总字段长度：
每片的MF标志位：
IP编址
接口(interface): 主机/路由器与物理链路的连接，实现网络层功能。路由器通常有多个接口，主机通常只有一个或两个接口 (e.g.，有线的以太网接口，无线的802.11接口)
IP地址为32比特(IPv4)编号标识主机、路由器的接口。IP地址与每个接口关联，编址即为接口分配IP地址。IP地址采用以下形式：网络号(NetID) – 高位比特，主机号(HostID) –CID特
IP子网：IP地址具有相同网络号的设备接口，不跨越路由器（第三及以上层网络设备）可以彼此物理联通的接口。
?其中每个标蓝的地方都是一个IP子网，路由器之间的链路为特殊的IP子网，一共6个IP子网。
?“有类”编址
特殊IP地址
子网划分
IP地址:由以下部分组成：网络号(NetID) – 高位比特，子网号(SubID) – 原网络主机号部分比特，主机号(HostID) – 低位比特?
?
子网掩码：NetID、SubID位全取1，HostID位全取0，由子网地址加子网掩码确认子网大小。
应用：将IP分组的目的IP地址与子网掩码按位与运算，提取子网地址
CIDR
无类域间路由(CIDR: Classless InterDomain Routing)
融合子网地址与子网掩码，方便子网划分。采用无类地址格式：a.b.c.d/x，其中x为前缀长度
路由聚合
采用CIDR可以提高IPv4 地址空间分配效率和高路由效率。将多个子网聚合为一个较大的子网，构造超网（supernetting）。
层次编址可以使得路由信息通告更加高效。采用最长前缀匹配优先原则。
5. DHCP协议——动态主机配置协议
主机获得IP地址的方式：
1. 硬编码——静态配置
?2. 动态主机配置协议——DHCP
DHCP允许主机主动获取一个IP地址。主机从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关地址 、DNS服务器名称与IP地址。由于DHCP具有将主句连接进入一个网络的网络相关的自动能力，故被称为“即插即用”协议（零配置协议）。DHCP允许地址重用，支持在用地址续租，支持移动用户加入网络。
DHCP是一个客户——服务器协议。客户为新到达的主机，需要获得自身使用的IP地址和相关网络配置信息。每个子网都应该有一个DHCP服务器，如果没有，需要一个DHCP中继代理（路由器），代理需要知道用于该网络的DHCP服务器地址。
对于新到达的主机，有4个步骤
1. DHCP服务器发现。新到达的主机需要发现与之交互的DHCP，使用DHCP发现报文。客户生成的IP数据报使用广播地址进行广播，向端口67发送报文。
2. DHCP服务器提供。DHCP服务器收到发现报文后，用DHCP提供报文进行响应。仍然使用广播地址（主机此时还没IP地址），提供的报文包括发现报文的事务ID、推荐的IP地址、网络掩码和IP地址租用期（IP地址有效时间量）。
3. DHCP请求。新的主机从一个或多个服务器的提供中选一个，并向选择的服务器提供DHCP请求报文进行响应，表示选择这个IP地址，将所有参数传回。
4. DHCP ACK。服务器使用DHCP ACK报文，对主机的请求报文进行响应，表示主机被分配上了这个IP地址，并在报文中证实这些参数。
DHCP协议在应用层 实现，请求报文封装到 UDP数据报中。一直采用IP广播的方式，或链路层广播 (e.g. 以太网广播)
DHCP服务器构造 ACK报文 ? 包括分配给客户的IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器地址?
6. NAT——网络地址转换
动机
? 只需/能从ISP申请一个IP地址，可能出现IPv4地址耗尽
? 本地网络设备IP地址的变更，无需通告外界网络
? 变更ISP时，无需修改内部网络设备IP地址
? 内部网络设备对外界网络不可见，即不可直接寻址(安全)
NAT的实现
利用(NAT IP地址,新端口号)替换每个外出IP数据报的(源IP地址,源端口号)。将每对(NAT IP地址, 新端口号) 与(源IP地址, 源端口号)的替换信息存储到NAT转换表中。根据NAT转换表，利用(源IP地址, 源端口号)替换每个进入内网IP数据报的(目的IP地址,目的端口号)，即(NAT IP地址, 新端口号)。
NAT争议
? 路由器应该只处理第3层功能
? 违背端到端通信原则，应用开发者必须考虑到NAT的存在，e.g., P2P应用
? 地址短缺问题应该由IPv6来解决
NAT穿透
问题：客户期望连接内网地址为 10.0.0.1的服务器，但客户不能直接利用地址 10.0.0.1直接访问服务器。对外唯一可见的地址是NAT 地址: 138.76.29.7
解决方案1: 静态配置NAT ，将特定端口的连接请求转发给服务器，比如?(138.76.29.7, 2500) 总是转发给(10.0.0.1, 25000)。
解决方案2: 利用UPnP (Universal Plug and Play) 互联网网关设备协议 (IGD-Internet Gateway Device ) 自动配置: 学习到NAT公共IP地址 (138.76.29.7) 。在NAT转换表中，增删端口映射
解决方案3: 中继(如Skype) 。NAT内部的客户与中继服务器建立连接，外部客户也与中继服务器建立连接。中继服务器桥接两个连接的分组
7. ICMP协议——互联网控制报文协议
ICMP协议被主机和路由器用来彼此沟通网络层的信息。典型用途为差错报告和网络探询。
ICMP通常被认为是IP的一部分，但体系结构中位于IP之上，因为ICMP报文承载在IP分组中。
两类ICMP报文
（1）差错报告报文(5种)
? 目的不可达
? 源抑制(Source Quench)
? 超时/超期
? 参数问题
? 重定向 (Redirect)
（2）网络探询报文(2组)
? 回声(Echo)请求与应答报文(Reply)
? 时间戳请求与应答报文
不发送ICMP差错报文的特殊情况
? 对ICMP差错报告报文不再发送 ICMP差错报告报文
? 除第1个IP数据报分片外，对所有后续分片均不发送ICMP差错报告报文
? 对所有多播IP数据报均不发送 ICMP差错报告报文
? 对具有特殊地址（如127.0.0.0 或 0.0.0.0）的IP数据报不发送 ICMP 差错报告报文
ICMP报文格式与承载方法
一个ICMP报文包括一个类型字段和一个编码字段，同时有检验和字段，接下来4个字节是ICMP的类型。到此处ICMP的前8个字节确定，之后的数据部分包含引起该ICMP报文首次生成的IP数据报的首部和前8个字节（便于发送方确定引发出错的数据报）。ICMP报文作为IP分组封装的数据承载在IP分组中。
类型和编码列表
（感觉不可能考）
应用举例：Traceroute
源主机向目的主机发送一系列UDP 数据报，第1组IP数据报TTL =1，第2组IP数据报TTL=2, 以此类推，但是设置的目的端口号是不可能使用的端口号。当TTL耗尽时，路由器丢弃数据报，向源主机发送ICMP报文 (type=11, code=0) 。ICMP报文携带路由器名称和IP地址信息。当ICMP报文返回到源主机时， 记录RTT。
停止准则：1. UDP数据报最终到达目的主机 2. 目的主机返回“目的端口不可达” ICMP报文 (type=3, code=3) 3. 源主机停止
8. IPv6
最初动机: 32位IPv4地址空间已分配殆尽
其他动机: 改进首部格式? 1. 快速处理/转发数据报 2. 支持QoS
IPv6数据报格式
固定40字节的基本首部，不允许分片。
优先级(priority): 标识数据报的优先级
流标签(flow Label): 标识同一“流”中的数据报
下一个首部(next header): 标识下一个选项首部或上层协议首部(如TCP首部)
与IPv4相比
彻底移除校验和(checksum)，以减少每跳处理时间。允许选项(options)字段，但是从基本首部移出，定义多个选项首部， 通过“下一个首部”字段指示。在ICMPv6这个新版ICMP中，附加报文类型，例如“Packet Too Big”，同时增加多播组管理功能。
表示形式（128位，采用8组4个16进制数的形式表示）
? 一般形式: 1080:0:FF:0:8:800:200C:417A
? 压缩形式: FF01:0:0:0:0:0:0:43 压缩→FF01::43
? IPv4-嵌入形式: 0:0:0:0:0:FFFF:13.1.68.3 或 ::FFFF:13.1.68.3
? 地址前缀: 2002:43c:476b::/48 (注: IPv6不再使用掩码!)
? URLs: http://[3FFE::1:800:200C:417A]:8000
IPv6基本地址类型
? 单播：一对一通信（相当于IPv4的主机与主机通信）
? 多播：一对多通信（相当于IPv4向子网发数据）
? 任意播：一对任意一组之一通信
IPv4向IPv6过渡——隧道
隧道: IPv6数据报作为IPv4数据报的载荷进行封装，穿越IPv4网络
9. 路由算法
网络抽象：图
路由算法：寻找最小路径的算法。
路由算法分类
静态路由： ? 手工配置 ? 路由更新慢 ? 优先级高
动态路由： ? 路由更新快（定期更新，及时响应链路费用或网络拓扑变化）
全局信息： ? 所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息 ? E.g. 链路状态(LS)路由算法
分散信息： ? 路由器只掌握物理相连的邻居以及链路费用 ? 邻居间信息交换、运算的迭代过程 ? E.g. 距离向量(DV)路由算法
链路状态(LS)路由算法
Dijkstra 算法
? 通过“链路状态广播”，所有结点(路由器)掌握网络拓扑和链路费用，所有结点拥有相同信息
? 通过获得该结点的转发表计算从一个结点(“源”) 到达所有其他结点的最短路径
? 迭代: k次迭代后，得到到达k个目的结点的最短路径
距离向量(DV)路由算法
Bellman-Ford方程(动态规划)
重点：结点获得最短路径的下一跳, 该信息用于转发表中！
结点x已知到达每个邻居的费用?c(x,v)和维护其所有邻居的距离向量Dv = [Dv (y): y ? N ]。其中Dx (y) = 从结点x到结点y的最小费用估计。
特点：
1. 异步迭代: 引发每次局部迭代的因素为局部链路费用改变或来自邻居的DV更新
2. 分布式: 每个结点只当DV变化时才通告给邻居，邻居在必要时（其DV更新后发生改变）再通告它们的邻居无穷计数问题
毒性逆转(poisoned reverse): 如果一个结点(Z)到达某目的(X)的最小费用路径是通过某个邻居(Y)，则通告给该邻居结点到达该目的的距离为无穷大。
定义最大度量(maximum metric): 定义一个最大的有效费用值，如15跳步为最大有效跳数，16跳步表示无穷
层次路由
聚合路由器为一个区域： 自治系统AS (autonomous systems) 。同一AS内的路由器运行相同的路由协议(算法)，即自治系统内部路由协议 (“intra-AS” routing protocol) 。不同自治系统内的路由器可 以运行不同的AS内部路由协议。网关路由器(gateway router)位于AS“边缘” ，通过链路连接其他AS的网关路由器。
转发表由AS内部路由算法与 AS间路由算法共同配置。AS内部路由算法设置AS内部目的网络路由入口 (entries)。AS内部路由算法与AS间路由算法共同设置AS外部目的网络路由入口。
10. 路由协议
?Internet采用层次路由
?AS内部路由协议也称为内部网络协议IGP (interior gateway protocols)
?最常见的AS内部路由协议:
? 路由信息协议：RIP(Routing Information Protocol)
? 开放最短路径优先：OSPF(Open Shortest Path First)
? 内部网关路由协议：IGRP(Interior Gateway Routing Protocol)
RIP
距离向量路由算法
? 距离度量：跳步数 (max = 15 hops), 每条链路1个跳步
? 每隔30秒，邻居之间交换一次DV，成为通告(advertisement)
? 每次通告：最多25个目的子网(IP地址形式)
链路失效与恢复：如果180秒没有收到通告，代表邻居/链路失效，即经过该邻居的路由不可用，需要重新计算路由。向邻居发送新的通告，如果转发表改变，邻居再依次向外发送通告。链路失效信息在快速传播到全网的过程中，可能发生无穷计数问题。毒性逆转技术用于预防乒乓(ping-pong)环路 (另外：无穷大距离 = 16 hops)
RIP路由表是利用一个称作route-d (daemon)的应用层进程进行管理，使用应用进程实现，通告报文周期性地通过UDP数据报发送。
OSPF
open意味着“开放”，即公众可用。采用链路状态路由算法（LS分组扩散（通告），每个路由器构造完整的网络(AS)拓扑图，利用Dijkstra算法计算路由）。OSPF通告中每个入口对应一个邻居。OSPF报文直接封装到IP数据报中，然后OSPF通告在整个AS范围泛洪。与OSPF极其相似的一个路由协议IS-IS路由协议。
OSPF的优点
?安全(security): 所有OSPF报文可以被认证 (预防恶意入侵)
?允许使用多条相同费用的路径 (RIP只能选一条)
?对于每条链路，可以针对不同的TOS设置多个不同的费用度量 (e.g., 卫星链路可以针对“尽力” (best effort) ToS设置“低”费用；针对实时ToS 设置“高”费用)
?集成单播路由与多播路由: ? 多播OSPF协议(MOSPF) 与OSPF利用相同的网络拓扑数据 ?OSPF支持对大规模AS分层(hierarchical)
区边界路由器(Area Border Routers): “汇总” 到达所在区网络的距离, 通告给其他区边界路由器
主干路由器(Backbone Routers): 在主干区内运行OSPF路由算法.
AS边界路由器(AS boundary routers): 连接其他AS.
BGP
? 边界网关协议BGP (Border Gateway Protocol): 事实上的标准域间路由协议
? 将Internet “粘合”为一个整体的关键
? BGP为每个AS提供了一种手段:
? eBGP: 从邻居AS获取子网可达性信息.
? iBGP: 向所有AS内部路由器传播子网可达性信息.
? 基于可达性信息与策略，确定到达其他网络的 “好” 路径
?BGP会话(session): 两个BGP路由器 (“Peers”) 交换BGP报文:
? 通告去往不同目的前缀（prefix）的路径 (“路径向量 (path vector)”协议)
? 报文交换基于半永久的TCP连接
?BGP报文:
? OPEN: 与peer建立TCP连接，并认证发送方
? UPDATE: 通告新路径 (或撤销原路径)
? KEEPALIVE: 在无UPDATE时，保活连接；也用于对 OPEN请求的确认
? NOTIFICATION: 报告先前报文的差错；也被用于关闭连接
? 通告的前缀信息包括BGP属性
? 前缀+属性= “路由”
? 两个重要属性:
? AS-PATH(AS路径): 包含前缀通告所经过的AS序列: e.g., AS 67, AS 17
? NEXT-HOP(下一跳): 开始一个AS-PATH的路由器接口，指向下一跳AS.
? 可能从当前AS到下一跳AS存在多条链路
? 通告的前缀信息包括BGP属性
? 前缀+属性= “路由” ? 两个重要属性:
? AS-PATH(AS路径): 包含前缀通告所经过的AS序列: e.g., AS 67, AS 17
? NEXT-HOP(下一跳): 开始一个AS-PATH的路由器接口，指向下一跳AS.
? 可能从当前AS到下一跳AS存在多条链路、
OSPF和BGP之间的区别
OSPF是AS内部的路由选择，是运行在单一ISP的网络中的路由选择算法。
BGP是一个AS间路由选择协议，是ISP之间的路由选择，称为边界网关协议。