[网络协议] 【学习笔记】计算机网络第四章网络层

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[网络协议]【学习笔记】计算机网络第四章网络层

以下内容为参考课件和《计算机网络》（第7版，谢希仁编著）的个人整理，若有错误欢迎指出

第四章网络层

文章目录

- 第四章网络层

数据链路层完成了帧的转发（一跳hop），网络层需要实现包的转发（由路由完成），而且可能Multi-hop。网络层负责任意两端间的传输，但是先不管出错，而是追求best effect。

一、网络层提供的两种服务

网络层应该为传输层提供什么样的服务一直有争议，下面两种是当时的观点，目前主要是第二种

1、面向连接的服务——虚电路

双方在数据传输之前先由网络建立连接（逻辑连接）

2、无连接服务——数据报

发送数据不需要建立连接，每一个分组（packet）在网络中独立传送

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数据报并不管出错（由传输层处理），只提供检测。这使得路由可以硬软件都相对简单

二、网络协议IP

1、IP（Internet Protocol）简介

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与 IP 协议配套使用的还有四个协议：

地址解析协议ARP(Address Resolutio Protocol)
逆地址解析协议RARP(Reverse Address Resolution Protocol)

配套ARP使用的，目前已被淘汰
网际控制报文协议ICMP (Internet Control Message Protocol)
网际组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)

在上图中的上下关系是因为IP要使用ARP，而ICMP、IGMP要使用IP

2、分类的IP地址

（1）IP地址定义

是分配给主机或路由器的标识符，目前使用的IPv4为32位IP地址，由ICANN分配。

（2）编址方法的三个发展阶段

分类的IP地址
子网划分
构成超网

（3）分类的IP地址

IP地址=网络号+主机号，不同类别是网络号、主机号长度不同
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A、B、C类地址的网络号字段分别是1-3字节，最前面的类别位分别是1-3位。
表示方法：点分十进制，即每8位用十进制表示
全0表示本网络，全1表示广播

3、IP地址与硬件地址

IP地址是网络层及其上层使用的，是逻辑地址；物理地址是数据链路层及物理层使用

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4、ARP与RARP协议

解决的是IP地址和物理地址相互转换

（1）ARP：IP转物理

高速缓存（ARP cache）

存有本地局域网上各主机和路由器的IP与硬件地址的映射表
具体流程
- 先查缓存，若无进行下一步
- 发送广播帧（含本机地址+待求解的IP），寻求IP地址对应的物理地址；对应主机收到后发送应答（非广播帧）
  
  这可以解释为什么会有广播风暴
注意：ARP解决的是同一局域网内的

因为若目的主机不在同一局域网，需要路由转发，因此不需要知道目的主机的物理地址，只需要知道路由器的物理地址

（2）RARP：物理转IP

5、IP数据报格式

分为头部和数据两部分。下面主要讲解头部 header

（1）头部的总体结构

20字节的固定字段+0到多个可选字段

下面的图表示各字段，因为总长度较大，故一般表示为每32bit一行，从上往下排开

请添加图片描述
（2）各字段介绍

Version字段：4bit，IP协议的版本，目前的IP协议版本号为4 (即 IPv4)
IHL：4bit，IP包头长度，最小5，最大15，单位为word(32bit)。因此 IP包头最长60 字节
Type of service：1字节，服务类型，目前很多路由器忽略该字段
Total Length：2字节，IP包总长度(含头部和数据)，单位为字节。因此IP包的最大长度为65535( $2^{16}$ )字节

因为数据较多的包要分片传输（数据链路层帧长度限制），因此需要有以下相关的四个字段。实际应用中一般会限制包长度尽量减少分片。

Identification：2字节，标识，，表示这些片是一个包的
DF：1bit，DF=0表示允许分片
MF：1bit，MF=1表示后面还有分片，0表示这是最后一个分片
Fragment offset：13bit，片偏移，以8字节为单位
Time to Live(TTL)：1字节，生存时间，指IP包在网络中可通过的路由器个数的最大值
- 相当于一个倒计时，每经过一个路由器（one hop）就-1，至0就丢弃并向源主机发送告警包
- 防止有包在网络中由于错误而无休止游荡
- 最大值为255，由源主机设置
Protocol：8bit，协议字段，表示上层协议类型（如TCP、UTP）
Header checksum：2字节，包头校验和
- 对IP包头每16位求反（校验和这段置为全0），循环相加（进位加在末尾），和再求反
- 检验时同样操作，结果为0就保留
- 因为TTL一直在变，所以实际上校验和每一跳都要变
Source address：4字节，源IP地址
Destination address：4字节，目的IP地址
选项字段：以4字节为单位，最长40字节，实际网路中很少使用

三、划分子网和构造超网

1、划分子网

（1）分类IP地址的缺点

每一类的主机数很多，都放一个网效率太差；（随着规模变大）如果每个物理网络分配一个网络号会使路由表变得很大

（2）解决方法

形成三级IP地址，增加子网字段（就是主机号分出一部分表示子网字段）比如：
请添加图片描述

2、子网掩码

方便算出子网划分信息（就是包括子网在内的网络号），会使用子网掩码。

子网掩码就是表示主机号的全0，其他全1，然后与目的地址按位与就能算出所属的网络号。

3、使用子网掩码的分组转发过程

路由器路由表项包含目的网络地址、子网掩码、下一跳地址

路由表如何建立：见五、路由算法及协议
路由器的流程：
- 收到的分组首部提取目的IP地址D
- 与该路由器直接相连网络的子网掩码按位与，若与相应的网络地址匹配，则交付该网络，否则进行下一步
- 若路由表有目的地址为D的特定主机路由，则将分组传送给指明的下一跳路由器，否则执行下一步
- D与路由表的子网掩码按位与，看是否与相应的网络地址匹配，则交付给指明的下一跳路由器，否则进行下一步
- 发送给默认路由器（目的网络、掩码为全0），若失败则报告转发分组出错
主机发包时会先根据自身判断目的地址是否在本地网络（目的地址 & 子网掩码 == 主机地址 & 子网掩码），若不是才发给网关。

若是，则进行子网内直接交付：

查看ARP缓存看是否有对应的MAC地址，若有就将IP数据包封装成帧，发送；否则先在子网内广播发送ARP请求。

4、无分类编址CIDR

使用各种长度的网络前缀来代替分类地址中的网络号和子网号。网络前缀相同的连续的IP地址组成CIDR地址块。
IP：网络前缀+主机号
斜杠记法：IP地址后加一个斜杠，后面是网络前缀所占的位数，如128.14.35.7/20
子网掩码：/x就是前面是x个1
意义：路由聚合
- 原本路由表中的项可能很庞大
- 一个CIDR地址块可以表示多个地址（对应原来的多个子网），因此在路由表项中一个项可以表示若干个传统分类地址的路由，从而减少了很多表项
- 路由聚合也称为构成超网
网络前缀匹配（路由表查询）时遵循最长匹配原则

前缀越长地址块越小，就越具体

四、网际控制报文协议ICMP

前面主要讲传递IP数据包，但是也需要控制信息

1、简介

ICMP 即Internet Control Message Protocol，主要用于报告出错和测试等控制信息。此类报文的类型protocol字段为1。

2、9种ICMP报文

差错报告
- Destination unreachable：终点不可达
- Source quench：源点抑制，拥塞时让源主机放慢发送速度
- Time exceeded：超时，即路由器收到TTL字段为0的报文时向源主机发送
- Parameter problem：参数问题，即头部有非法字段
- Redirect：重定向，向主机发送此报告知路由改变，主机下次发送数据报给另外的路由器
询问报文
- Echo request/reply：回声探测，测试网络连通性
- Timestamp request/reply：请求时间，可用于时间同步

3、常用ICMP协议

ping
- 测试两个主机间的连通性
- 采用Echo request/reply报文
traceroute/tracert
- 测试到另一台主机所经过的路由信息
- 采用超时报告报文：逐个发送UDP报文，TTL分别设置为1，2，3.……直到到达目的主机。路径上的路由器会返回超时报文，从而得知路由器IP

五、路由算法及协议

路由协议就是用来生成路由信息（生成路由表）的，但不是转发分组的。路由算法时路由协议的基础和核心

1、分类

静态路由
- 人为设定不再改变
动态路由
- 自适应网络变化
- 两类典型算法：距离向量路由算法、链路状态路由算法

在自治系统背景下，Internet路由协议可以分为内部网关协议（自治系统内部）和外部网关协议（自治系统之间）两类。

2、距离向量路由

距离向量路由也称为Bellman-Ford路由算法和Ford-Fulkerson算法，最初用于ARPANET，被RIP协议采用

（1）基本思想

每个路由器维护一张表，记录到每个目的地已知的最佳距离和路线（下一跳）
周期性向相邻路由器发送距离表，同时也接受邻居节点发送来的距离表
更新自己的路由表：若邻居x距离i为 $x_i$ ，自己到x的距离为m，更新到i的距离为 $min(x_i+m, 原始值)$ 。

（2）缺陷

对好消息反应迅速，对坏消息反应迟钝（考虑shutdown，但是因为之前有的是可达的，会误发很多信息，造成的无穷计算，直至都超过阈值被认为不可达）

3、RIP（Routing Information Protocol）协议

基于距离向量路由协议
简单，适用于小规模网络
距离定义：路由器的跳数，直接连接为0，最长允许15，意味着超过15的表示无穷大
要点

仅和相邻路由交换全部信息，按固定时间间隔交换
RIP报文格式
收到相邻路由器X的RIP报文后的处理
- 修改RIP报文中的所有项目：下一跳都改为X，距离+1。因为报文原意为X到目标网络N的距离为d，那么本路由到目标网络的距离为d+1，是经过X去的。
- 对修改后的报文的每一个项目：
  - 若路由表没有目标网络N，则加上
  - 若已有，则查看原路由中到N的表项：
    - 若（原路由的）下一跳字段是X，则用收到的项目替换原路由表中的项目（获取最新状态）
    - 若不是（就是都是到达网络N，但下一跳路由不是X），则若收到的项目距离更短，就更新
- 若3分钟还没收到相邻路由的更新路由表，则标记为不可达（防止无穷计算）
优点：简单、开销小
缺点：网络出现故障，要较长时间才能把信息送到所有路由器（距离向量路由固有缺点）；支持网络规模有限，最大为15；交换的是全部信息，开销大

4、链路状态路由

（1）基本思想

发现邻居并学习其网络地址（发送HELLO包）
测量到各邻居节点的延迟或开销
构造分组，包含所有刚知道的信息，并把分组发送给其他所有路由器
计算到每一个其他路由的最短路径

（2）每个路由器都建立一个链路状态数据库——全网的拓扑结构图，一句dijkstra算法计算最佳路径

5、OSPF（Open Shortest Path First）协议

（1）属于链路状态路由协议

（2）优点

收敛速度快

链路状态发生变化时，以洪泛（flooding）方式（向除输入链路外的所有链路发送）告知所有网络节点。因此只需要在变化时更新路由表
适用于较大规模的网络

（3）为扩大规模，OSPF将一个自治系统再划分为若干个区域，将洪泛局限在一个区域，而一个区域内的路由器也仅知道本区域的完整网络拓扑

（4）OSPF分组结构

（不用UDP，直接用IP数据报）
5种类型的分组：

问候分组（Hello）：发现和维持邻站的可达性
数据库描述（Database Description）分组：给出自己数据库的所有链路状态的摘要信息
链路状态请求（Link State Request）分组：请求部分链路状态的详细信息
链路更新状态（Link State Update）分组：洪泛，仅有一个路由器链路状态发生变化时使用
链路状态确认（Link State Acknowledgment）分组：对链路更新分组的确认

后四种都是用于数据库同步的

为了减少发送所有信息的代价，一般是让数据库用数据库描述分组与相邻路由交换信息，请求分组去获取缺少的链路状态信息。

前面说的时自治系统内的（即内部网关路由协议）

6、外部网关路由协议BGP（Border Gateway Protocol）

（1）规模大，而且不同的路由选择需考虑不同的策略（比如有的考虑距离，有的涉及保密），因此难以找到最佳路由，BGP只是找到一条可达且就好的无环路由

（2）BGP发言人（speaker）

每个AS（自治系统）选择至少一个路由器作为 speaker，两个speaker通过共享网络连接
speaker一般是边界路由器，也可以不是
speaker之间先建立TCP连接，交换BGP报文，建立BGP会话，进而交换路由信息

（3）路径向量路由选择协议

BGP采用的时路径向量路由选择协议，与上文提到的两种都不同
路径向量是网络的可达性信息，即到达某个网络需要经过哪些AS
speaker交换可达性信息后，根据所采取的策略选择到达各AS较好的路由

（4）BGP-4的四种报文

OPEN报文：用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系
UPDATE报文：用来发送某一路由的信息，以及列出要撤消的多条路由
KEEPALIVE报文：用来确认打开报文和周期性地证实邻站关系
NOTIFICATION报文：用来发送检测到的差错

流程：

BGP发言人通过OPEN报文与另一发言人建立会话，对方如同意则回应KEEPALIVE报文
双方周期性交换KEEPALIVE报文，以确认会话未中断
路由信息变化时，发送UPDATE报文

（5）协议特点

交换路由信息的结点数量级与自治系统个数相当，大大少于这些自治系统中的网络数
每个自治系统中BGP发言人(或边界路由器)的数目很少，使得自治系统间的路由选择不致过分复杂
BGP支持CIDR，因此BGP路由表包括目的网络前缀、下一跳路由器，以及到达该目的网络要经过的各个自治系统序列
在BGP刚运行时，邻站交换完整的BGP路由表，以后只需要在发生变化时更新变动部分，有利于节省网络带宽和减少处理开销

7、路由器

（1）定义

具有多个输入/输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。

（2）组成

路由选择部分：按照路由选择协议，构建路由表
分组转发部分：
- 输入输出端口
  
  why需要排队：输入输出端口速率不匹配
  
  缓冲区溢出会丢包，而网络层不处理这个（传输层处理）
- 交换结构：根据转发表进行快速转发（需要更改TTL），转发表从路由表得到
  （3）设计关键之一：高速转发- 影响因素：输入输出端口的处理性能、交换机构的性能
线速（line speed）：分组的处理速率能够达到线路上分组的传输速率，即线速=传输速率/分组长度
衡量路由器性能的指标：pps（packet per second）