[网络协议]计算机网络——第四章

网络层：
主要任务是把分组从源端传送到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
传输单位是数据报。
功能：
1.路由选择与分组转发；
2.异构网络互联；
3.拥塞控制。若所有节点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。解决方法：（1）开环控制，静态；（2）闭环控制，动态。

数据交换方式：
1.电路交换。（例如：电话网络）
阶段：
建立连接->通信->释放连接
特点：
独占资源
优点：
a.通信时延小
b.有序传播
c.没有冲突
d.实时性强
缺点：
a.建立连接时间长
b.线路独占，使用效率低
c.灵活性差
d.无差错控制能力
2.报文交换
优点：
a.无需建立连接
b.存储转发，动态分配线路
c.线路可靠性较高
d.线路利用率较高
e.多目标服务
缺点：
a.有存储转发时延
b.报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间
3.分组交换
优点：
a.无需建立连接
b.存储转发，动态分配线路
c.线路可靠性较高
d.线路利用率较高
e.相对于报文交换，存储管理更容易
缺点：
a.有存储转发时延
b.需要传输额外的信息量
c.乱序到目的主机时，要对分组排序重组
分类：
（1）数据报方式
为网络层提供无连接服务——不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同。
（2）虚电路方式
为网络层提供连接服务——首先为分组传输确定传输路径（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。

总结：
1.报文交换和分组交换都采用存储转发。
2.传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时间时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
3.从信道利用率看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换时延更小。

IP数据报格式：

版本：　IPv4/IPv6
**首部字段：**单位是4B，最小为5
**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1B
**标识：**同一数据报的分片使用同一标识。
**标志：**只有两位有意义ｘ＿＿
中间位DF（Don’t　Fragment）：
DF＝１，禁止分片
DF＝０，允许分片
最低为MF（More　Fragment）：
MF＝１，后面还有分片
MF＝０，代表最后一片／没有分片
**片偏移：**指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置，以８B为单位。除了最后一位，其他每片长度都必须是８B的整数倍，最后一片可能是整数倍也可能不是。
生存时间（TTL）：　IP分组的保质期。经过一个路由器－１，变成０则丢弃。
**协议：**数据部分的协议。
TCP字段值为６，UDP字段值为１７。
**首部检验和：**只检验首部。
**源IP地址和目的IP地址：**３２位
**可选字段：**０～４０B，用来支持排错、测量以及安全等措施。
**填充：**全０，把首部补成４B的整数倍。

例题：

路由算法：
最佳路由：“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。
分类：
１.静态路由算法（非自适应路由算法）：管理员手工配置路由信息
优点：
简便、可靠，在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果很好，广泛用于高度安全性的军事网络和较小的商业网络。
缺点：
路由更新慢，不适用于大型网络。
２.动态路由算法（自适应路由算法）：路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。
优点：
路由更新快，适用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化。
缺点：
算法复杂，增加网络负担。
分类：
（１）全局性。链路状态路由算法　OSPF
所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息。
（２）分散性。距离向量路由算法　RIP
路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用。

为什么要使用分层次的路由选择协议：
（１）因特网规模很大
（２）许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网。

自治系统AS：
在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。
一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。

路由选择协议分为：
１.内部网关协议IGP。一个AS内使用的。RIP、OSPF
２.外部网关协议EGP。AS间使用的。BGP

RIP协议：（只适用于小互联网）
一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个网络的唯一最佳距离记录。
1.仅和相邻路由器交换信息
2.路由器交换的信息是自己的路由表
3.每30秒交换一次路由信息，然后路由表根据新信息更新路由表。若超过180s没收到邻居路由器的通告，则判定邻居没了。并更新自己的路由表。
**特点：**当网络出现故障时，要经过比较长的时间，才能将此信息送到所有的路由器，“慢收敛”。
距离：
通常为“跳数”，即从源端口到目的端口所经过的路由器个数，经过一个路由器跳数+1。特别的，从一路由器到直接连接的网络距离为1，RIP允许一条路由最多只能包含15个路由器。因此距离为16表示网络不可达。

RIP协议的报文格式：

距离向量算法：

1.修改相邻路由器发来的RIP报文中的所有表项。对地址为X的相邻路由器由路由器发来的RIP报文，修改此报文中的所有项目：把下一跳字段中的地址改为X，并把所有距离字段+1。（R1：Net3，3，X）
2.对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤：
1）R1路由表中若没有Net3，则把该项目填入R1路由表。（R1：Net3，3，X）
2）R1路由表中若有Net3，则查看下一跳路由器地址：
若下一跳是X，则用收到的项目替换源路由表中的项目，不管距离是不是增大（若之前：R1：Net3，2，X，则变为：R1：Net3，3，X；若之前：R1：Net3，4，X，也变为：R1：Net3，3，X；）
若下一跳不是X，原来距离比从X走距离远则更新，否则不做处理。（若之前：R1：Net3，2，R5，则不变；若之前：R1：Net3，4，R5，也变为：R1：Net3，3，X；）
3.若180s还没收到相邻路由器X的更新路由表，则把X标记为不可达的路由器，即把距离设置为16
4.返回

习题

OSPF协议：（开放最短路径优先OSPF协议）
“开放”标明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Dijkstra提出的最短路径算法SPF。
特点：
1.每隔30min，要数爱心一次数据库中的链路状态
2.由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的联通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时，OSPF协议要比距离向量协议RIP好得多；
3.OSPF不存在坏消息传得慢的问题，它的收敛速度很快。
最主要特征就是使用分布式的链路状态协议。
1.使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送信息，即路由器通过输出端口向所有相邻的路由器发送信息，而每一个相邻路由器又再次将此信息发往其所有相邻路由器；
2.发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态（本路由器和哪些路由器相邻，以及该链路的度量/代价——费用、距离、时延、带宽等）【在RIP中只有下一跳，即距离】
3.只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器洪泛发送此信息。

所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图。

OSPF分组：

链路状态路由算法：
1.每个路由器发现它的邻居节点【HELLO问候分组】，并了解邻居节点的网络地址；
2.设置到它的每个邻居的成本度量metric；
3.构造【DD数据库的描述分组】，向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息；
4.如果DD分组中的摘要自己都有，则邻站不做处理；如果没有或是更新的，则发送【LSR链路状态请求分组】；
5.收到邻站的LSR分组后，发送【LSU链路状态更新分组】进行更新；
6.更新完毕后，邻站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认；
只要一个路由器的链路状态发生变化：
洪泛发送【LSU链路状态更新分组】进行更新；
更新完毕后，其他站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认；
使用Dijkstra根据自己的链路状态数据库构造到其他节点间的最短路径。

BGP协议：
与其他AS的邻站BGP发言人交换信息；
交换的网络可达性的信息，即要到达某个网络要经过的一系列AS（是一个路径）；
发生变化时更新有变化的部分。
特点：
1.支持CIDR，因此BGP的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。
2.在BGP刚刚运行时，BGP的邻站是交换整个的BGP路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销都有好处。

BGP报文格式：

BGP-4的四种报文：
1.OPEN（打开）报文，用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，并认证发送方
2.UPDATE（更新）报文，通告新路径或撤销原路径
3.KEEPALIVE（保活）报文，在无UPDATE时，周期性证实邻站的连通性，也作为OPEN的确认
4.NOTFICATION（通知）报文，报告先前报文的差错，也被用于关闭连接

IP地址：
全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。
IP地址：：=＜网络号＞＜主机号＞｝

三种路由协议比较：

分类的IP地址：

特殊IP地址：

私有IP地址：

网络地址转换NAT：
在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

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：
主机部分都是0，其余都是1。对于两级IP地址的子网掩码，它的网络号都为1，子网号+主机号都是0。对于三级IP地址的子网掩码，它的网络号+子网号都是1，主机号都是0。

习题

无分类编址CIDR（无分类域间路由选择）： 允许子网号为全0和全1
1.消除了传统的A类，B类，C类地址以及划分子网的概念。
网络前缀+主机号
CIDR记法：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀的位数（e.g.128.14.32.0/20，网络前缀有20位）
2.融合子网地址与子网掩码，方便子网划分。
CIDR地址块：网络前缀都相同的连续的IP地址
例：128.14.35.7/20是某个CIDR地址快中的一个地址。
二进制：10000000 00001110 00100011 00000111
最小地址：10000000 00001110 00100000 00000000
最大地址：10000000 00001110 00101111 11111111
地址块：128.14.32.0/20，也记作：/20地址块

构成超网：
将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或叫路由聚合。

最长前缀匹配：
使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果，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。

习题

ARP协议： 自动进行，主机不知道
完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。解决下一跳走哪的问题。
使用过程：
检查ARP高速缓存，有对应表项则写入MAC帧，没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组，同一局域网中所有主机都能收到该请求。目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP相应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存（10min~20min更新一次）。
四种典型情况：
1.主机A发给本网络上的主机B：用ARP找到主机B的硬件地址；
2.主机A发给另一网络上的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器（网关）的硬件地址；
3.路由器发给本网络的主机A：用ARP找到主机A的硬件地址；
4.路由器发给另一网络的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。

DHCP协议：
动态主机配置协议DHCP是应用层协议，使用客户/服务器方式，客户端和服务器端通过广播方式进行交互，基于UDP。
提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址，允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。
工作流程：
1.主机广播DHCP发现报文。试图找到网络中的服务器，服务器获得一个IP地址。
2.DHCP服务器广播DHCP提供报文。服务器拟分配给主机一个IP地址及相关配置，先到先得。
3.主机广播DHCP请求报文。主机向服务器请求提供IP地址。
4.DHCP服务器广播DHCP确认报文。正式将IP地址分配给主机。

ICMP协议：
支持主机或路由器进行差错（或异常）报告、网络探询。
分类：
1.ICMP差错报告报文
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。
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。
3）时间超过：当路由器收到生存时间TTL=0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。
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。
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）

不发送ICMP差错报文的情况：
a.对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文；
b.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；
c.对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文；
d.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。
2.ICMP询问报文
1）回送请求和回答报文
2）时间戳地址请求和回答报文
3）掩码地址请求和回答报文（不再使用）
4）路由器询问和通告报文（不再使用）

IPv6数据报格式：

• 版本：指明了协议版本，总是6
• 优先级：区分数据报的类别和优先级
• 流标签：“流”是指互联网上从特定源点到特定终点的一系列数据报。所有属于同一个流的数据报都具有相同的流标签
• 下一个首部：表示下一个扩展首部或上层协议首部
• 跳数限制：相当于IPv4的TTL。

IPV6和IPV4的区别：
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.ICMIPv6：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：
一般形式：冒号十六进制记法 4BF5:AA12:0216:FEBC:BA5F:039A:BE9A:2170
压缩形式：4BF5:0000:0000:0000:BA5F:039A:000A:2176->4BF5:0:0:0:0:0:0:BA5F:039A:000A: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基本地址类型：
1.单播：一对一通信，可做源地址+目的地址
2.多播：一对多通信，可做目的地址
3.任播：一对多中的一个通信，通常是离得最近的那一个，可做目的地址

IPv6和IPv4过渡的策略：
**1.双栈协议：**双栈协议技术就是指在一台设备上同时启动IPv4协议栈和IPv6协议栈。这样的话，这台设备既能和IPv4网络通道，又能和IPv6网络通道。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，并同时具备处理这两个协议地址的功能。
**2.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。隧道协议将其他协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送。

IP数据报的三种传输方式：
1.单播，单播用于发送数据报到单个目的地，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。是一种点对点传播方式。
2.广播，广播是指发送数据包到同一个广播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。
3.组播（多播），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发给一组设备。属于多组播的设备将被分配一个组播组IP地址。
组播地址范围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。只能用作分组的目的地址。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。

硬件组播：
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：01-00-5E-00-00-00~01-00-5E-7F-FF-FF
映射的时候，就是48位以太网地址的前几位写成01-00-5E，然后剩下的直接照搬照抄D类IP地址相应的数据即可。

IGMP协议：
让路由器知道本局域网中是否有主机（的进程）参加或退出了某个组播组。

组播路由选择协议：
目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。
常使用的三种算法：
1.基于链路状态的路由选择；
2.基于距离向量的路由选择；
3.协议无关的组播（稀疏/密集）。

移动IP：
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。
**移动结点：**具有永久IP地址的移动设备
**归属代理（本地代理）：**一个移动结点拥有的“居所”成为归属代理。在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体叫做归属代理。
**外部代理（外地代理）：**在外部网络中帮助移动结点完成移动管理功能的实体成为外部代理。
**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）：**移动站点在外部网络中使用的临时地址。

移动IP通信过程：
刚进入外部网络时：
1.在外部代理处登记获得一个转交地址，离开时注销；
2.外地代理向本地代理登记转交地址。
别的计算机要给该计算机发送数据报时：
1.发现不在本地局域网，本地代理截获数据报；
2.本地代理再封装数据报，新的数据报目的地址是转交地址，发送给外部代理（隧道）；
3.外部代理拆封数据报并发送给A。
该计算机发送给别的计算机数据报时：
该计算机用自己的主地址作为数据报源地址，用要发送给的计算机的IP地址作为数据报的目的地址。
该计算机移动到了下一个网络：
1.在新外部代理登记注册一个转交地址；
2.新外部地址给本地代理发送一个新的转交地址（覆盖旧的）；
3.通信
该计算机回到了归属网络：
1.该计算机向本地代理注销转交地址；
2.按原始方式通信，在别人给他=它发送数据报时，直接收，不需要经过本地代理。

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。

• 路由选择：
  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。
• 交换结构：根据转发表（路由表得来）对分组进行转发。若收到RIP/OSPF分组等，则把分组送往路由选择处理机；若收到数据分组，则查找转发表并输出。

路由器： 可以互联两个不同网络层协议的网段
网桥： 可以互联两个物理层和链路层不同的网段
集线器： 不能互联两个物理层不同的网段

**路由表：**根据路由选择算法得出的，主要用途是路由选择，总用软件来实现。
**转发表：**由路由表得来，可以用软件实现，也可以用特殊的硬件来实现。转发表必须包含完成转发功能所必需的信息，在转发表的每一行必须包含从要到达的目的网络到输出端口和某些MAC地址信息的映射。

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