计算机网络（四）——网络层

目录

一、功能

二、IP数据报分片

三、DHCP动态主机配置协议

四、网络地址转换（NAT）技术

五、无分类编址CIDR

六、ARP地址解析协议

七、ICMP网际控制报文协议

八、IPv4和IPv6的区别

九、IPv4向IPv6的两种过渡技术——双栈协议和隧道技术

十、路由算法

       1.RIP协议 

       2.OSPF协议

       3.BGP协议

       4.RIP、OSPF、BGP对比

 十一、IP组播

十二、移动IP技术

十三、网络层转发设备——路由器

十四、拥塞控制与流量控制

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一、功能

       主要任务是选择合适的路由将分组从源端传到目的端。功能包括：路由选择、拥塞控制、异构网络互联等。当所有节点都来不及接收分组被迫丢弃大量分组时，网络就会处于拥塞状态。异构网络互联是指实现不同网络之间的通信。

二、IP数据报分片

       网络层会先将传输层的报文封装成IP数据报，但由于数据链路层限制了最长帧长，所以需要将IP数据报进行分片，也就是分成一个个分组，这也是网络层的传输单位为什么是分组的原因。

       在IP数据报或分组中，首部有三个和分片相关的字段：标识、标志、片偏移量。标识用来标明这个分组是哪个IP数据报的，一个数据报的所有分组的标识部分都是相同的。标志部分有两个标志位，分别是DF和MF；DF表示该分组或IP数据报是否允许分片，DF=0表示允许分片，DF=1表示禁止分片；MF表示当前分组是否是最后一个分组，MF=1表示后面还有其他分组，MF=0表示这是最后一个分组或者这个IP数据报没有进行分片。片偏移量表示该分组在原IP数据报中的相对位置。

三、DHCP动态主机配置协议

       IP地址通过手动配置工作量很大，并且不灵活；当设备从一个网络进入到另一个网络时，也需要手动为其更换一个新的IP地址。这就需要让网络能够自动分配和管理IP地址，便产生了DHCP协议。

       DHCP协议是应用层的协议，用于自动给本网主机或新入网的设备分配IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称及IP地址，允许地址重用和在用地址续租。DHCP提供即插即用联网的机制，采用客户/服务器方式，双方使用广播的方式交互，是基于UDP的。

       地址重用是指当设备不再使用分配的IP地址时，这个IP地址就会回收以给其他需要分配IP地址的主机使用；在用地址续租是指DHCP服务器分配的IP地址是有时限的，如果时限过后主机仍想继续使用这个IP地址，可以申请更长的使用时限。

       DHCP协议减少了手动配置的工作，提高了IP地址的利用率，支持设备自动获取网络配置，提升了网络管理效率。

       一台设备向DHCP服务器申请动态IP地址的步骤：

       首先设备会广播DHCP发现报文，来寻找DHCP服务器。

       当DHCP服务器收到发现报文时会通过广播的方式回应一个DHCP提供报文，这个报文中包含了本DHCP服务器拟给这台设备分配的IP地址及其他配置信息。

       由于一个网络中可能有多个DHCP服务器，所以这台设备可能收到不止一个DHCP提供报文，那么就会根据先到先得的原则，先收到哪个DHCP服务器的提供报文就用哪个，这台设备会广播DHCP请求报文告诉那个提供报文最先到的DHCP服务器说我要使用你分配的IP地址，并告诉其他DHCP服务器说我已经选择了其他服务器。

       随后这个DHCP服务器会广播DHCP确认报文，正式将IP地址及其他配置信息分配给这个设备。

四、网络地址转换（NAT）技术

       在局域网内部使用的IP地址是私有IP地址，这些IP地址只能用于局域网内部的通信，不能直接访问互联网。但公有IP地址是全球唯一的，也是可以直接在互联网中通信的。私有IP地址要想访问互联网就需要用到NAT技术，将私有IP地址转换为公有IP地址。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软件的路由器称为NAT路由器，它至少有一个全球有效的公有IP地址。

五、无分类编址CIDR

       CIDR消除了传统将IP地址划分为A、B、C类地址的概念，采用网络前缀+主机号的形式来表示IP地址，表示方法是：IP地址/网络前缀的位数。比如128.14.32.3/20表示前20位都是网络号，剩下的12位都是主机号。CIDR将网络前缀都相同的所有IP地址组成一个CIDR地址块（可以理解为同一个网络），由网络前缀加上一连串的0组成的IP地址就是CIDR地址块的IP地址。

       CIDR有地址掩码，将网络前缀都替换为1，主机号部分都替换为0就是这个CIDR地址块对应的地址掩码。

六、ARP地址解析协议

      网络层是使用IP地址进行通信的，但发送的数据需要经过数据链路层，而数据链路层是根据MAC地址来通信的，所以在进行两个不同主机之间的通信时不仅要知道对方的IP地址，也要知道对方的MAC地址。在首次通信时，双方的网络层都只知道对方的IP地址，但不知道对方的MAC地址，这就要用到ARP地址解析协议来获取对方的MAC地址。ARP协议的主要任务是实现IP地址到MAC地址的映射。

       本网段内的主机进行通信时：

       每台主机都有一个ARP高速缓存用于存储不同主机的IP地址与MAC地址的映射。当源主机要发送数据时，会先检查自己的ARP高速缓存中有无对方的MAC地址，如果有则可以直接发送数据；如果没有就会先广播发送ARP请求分组，包括源主机IP地址、源主机MAC地址、目的主机IP地址。由于是广播发送的，在本网段内的所有主机都会收到这个ARP请求分组，但只有目的IP地址对应的主机才会接收这个分组，其他的主机则会直接丢弃。

       目的主机在接收之后先将源主机的IP地址和MAC地址的映射加入到自己的ARP高速缓存中，然后再向源主机发送ARP响应分组，包括自己的IP地址和MAC地址以及对方的IP地址和MAC地址。源主机在接收到这个ARP响应分组后就会将目的主机的IP地址和MAC地址的映射加入到自己的ARP高速缓存中，再正式开始通信。

       ARP高速缓存会定期更新。

       不同网段的主机进行通信时：

       因为ARP请求分组只能在本局域网内广播，所以ARP高速缓存不会存储不同网络主机的IP地址和目的地址的映射关系。此时源主机会向本网络与互联网连接的路由器发送数据，由路由器转发到另一个网络的路由器，再转发至目的主机。

       在首次通信时源主机只知道本网络与互联网连接的路由器的IP地址，即默认网关，所以会先广播ARP请求分组获取默认网关的MAC地址。然后向默认网关发送数据，包括源主机的IP地址和MAC地址、目的主机的IP地址、默认网关的MAC地址，数据链路层会根据MAC地址将数据传输到默认网关，然后由路由器转发到另一网络的路由器。随后另一网络的路由器广播ARP请求分组以获取目的主机的MAC地址，再将数据传输给目的主机。

 七、ICMP网际控制报文协议

ICMP网际控制报文协议用于网络设备之间传递控制和状态信息，包括ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。

        ICMP差错报告报文的种类：

       1.终点不可达报文：当无法找到能到达目的地址的有效路由或者防火墙阻止数据包进入目标网络时，会因数据报无法传输到目的地址而给源主机发送终点不可达报文。

        2.时间超过报文：每个分组都有自己的生存时间TTL用来表示自己最多能经过多少个路由器，每经过一个路由器TTL就会减一；当TTL=0时意味着该IP数据报不能再经过路由器。如果某个路由器收到了一个TTL=0的分组就会将其丢弃，并向源主机发送时间超过报文。如果目的主机在规定时间没有收到一个完整的IP数据报，就会将收到的所有分组全部丢弃，并向源主机发送时间超过报文。

        3.参数问题报文：当路由器或主机收到的分组的首部有某个字段的值不正确时，会将改分组丢弃并向源主机发送参数问题报文。

        4.改变路由报文：如果有更好的路由且该路由器并不在这条路由上，该路由器就会给源主机发送改变路由报文，告诉源主机下一次发送数据时选用更好的路由，并将分组发送给这条路由上的路由器。

         ICMP请求报文的种类：

        1.回送请求和回答报文：主机或路由器向特定主机发送回送请求报文，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送回答报文。通常用于Ping工具检测目的站是否可达、网络的连通性。

        2.时间戳请求与应答报文：时间戳请求报文用于请求另一主机提供当前时间，接收方用时间戳应答报文回应。通常用于网络时延测量及时间同步。

八、IPv4和IPv6的区别

        1.IPv6数据报的地址字段为128位，而IPv4数据报的地址字段为32位，IPv6拥有更大的地址空间。正因为IPv6的地址空间非常大，所以IPv6不需要NAT技术，简化了网络架构。

        2.IPv6数据报的首部进行了简化，比如相比于IPv4移除了校验和字段，并将IPv4的可选字段变成扩展首部放到了有效载荷部分等。路由器在存储转发时只会检验首部而不会检查有效载荷部分，减少了路由器的处理时间。

        3.IPv6支持自动配置，不需要DHCP协议；而IPv4需要DHCP协议动态配置。

        4.IPv6只能在主机处进行分片，而IPv4在主机和路由器内都可以进行分片。如果IPv6数据报长度过大，路由器会将其丢弃，并给源主机发送分组过大的ICMPv6差错报告报文。

        5.IPv6集成了IPsec（即IP安全协议）用于保障数据机密性、完整性，而IPv4需要额外配置。

        6.IPv4地址采用点分十进制表示，IPv6地址采用冒号十六进制表示。

九、IPv4向IPv6的两种过渡技术——双栈协议和隧道技术

       双栈协议：即在一台设备上同时支持IPv4协议栈和IPv6协议栈，这台设备就既能够和IPv4网络通信也能够和IPv6网络通信。如果这台设备是路由器，那么这个路由器的不同端口分别配置了IPv4和IPv6地址用来分别连接IPv4网络和IPv6网络。如果这台设备是一个终端，那么它将同时拥有IPv4和IPv6地址，并同时具备处理这两种地址的能力。

       隧道技术： 当IPv6数据报从IPv6网络进入到IPv4网络时，路由器会将IPv6数据报用IPv4数据报封装起来，即将IPv6数据报放入IPv4数据报的数据部分以伪装成IPv4数据报进行传输。到达下一个IPv6网络后会解封，使之变成原来的IPv6数据报。

十、路由算法

       按静态/动态路由算法分类：

       按内部/外部网关协议分类： 

       即在一个自治系统内部使用的路由算法为RIP、OSPF等，在不同自治系统之间使用的路由算法通常是BGP。 在一个自治系统AS中，所有网络被统一管理。

       1.RIP协议 

       RIP协议是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，最大优点是简单。RIP协议要求每个路由器都记录从它自己到其他网络的唯一最短路由。每个路由器都有一个路由表，包括目的网络、最短距离、下一跳路由器；下一跳路由器是指最短路由上的下一个路由器。如果该路由器直接和目的网络相连，那么最短距离就是1，下一跳记为直接交付；如果和目的网络不直接相连，那么在最短路由上每经过一个路由器距离就加1。RIP协议最多只允许经过15个路由器，当距离为16时表示该网络不可达，所以RIP协议只适用于小型网络。RIP协议采用UDP

       初始状态下每台路由器都只知道和它直接相连的网络的最短距离，也就是1。然后每隔30s该路由器就会和与之相邻的所有路由器交换各自的路由表中的全部信息，路由器根据这些信息来更新自己的路由表。

       当收到来自相邻路由器的路由表信息时，首先会将该路由表的最短距离都+1，下一跳都改为这个相邻的路由器，再开始用经过处理的路由表与本路由表进行比较。这是因为它发送的路由表信息是目的网络相对于它的最短路由，需要转换成目的网络相对于自己的最短路由。

       如果对方路由表中有关于某个目的网络的路由信息但自身没有，那么路由器会将这条信息填入到本路由表中。如果双方都有关于某个目的网络的路由信息，则先看下一跳地址。

        如果在本路由表中关于该目的网络的下一跳就是这个相邻的路由器，那么无论谁的距离最短都直接将对方路由表中关于该目的网络的路由信息替换掉自己原来的记录，因为对方发来的信息是最新的，记录的是目的网络到对方最新的最短距离。如果下一跳地址不是这个相邻的路由器，那么会将原来的最短距离和对方路由表上的最短距离进行比对，选择距离更短的留下。

       若经过180s后还收不到某个相邻路由器的信息就会认为该路由器出现了问题，于是会将自己路由表中下一跳是该相邻路由器的所有目的网络的最短距离都改为16，表示不可达。

       在经过若干次相邻路由器的路由表交换后，每个路由器都会知道自己到本自治系统中每个网络的最短距离以及下一跳地址。

        RIP协议采用UDP传送，是应用层协议。

       2.OSPF协议

       OSPF协议是一种分布式的链路状态协议。路由器会使用洪泛法，先向所有相邻的路由器发送信息，然后每一个相邻的路由器将这个信息备份后又再次将此信息发送给与它们相邻的所有路由器，最后自治系统内的所有路由器都会收到它发送的信息，所以OSPF形式上是发给相邻路由器，但实际上是给所有路由器发送信息。发送的信息就是该路由器与哪些路由器相邻以及它们之间链路的代价（即发送和相邻路由器的链路状态），比如所花费的费用、传播的时延、距离、带宽（最主要因素）等。只有当链路状态发生变化时路由器才会向所有路由器洪泛发送此信息。

       到最后，每个路由器都能建立一个链路状态数据库，存储了一张全网拓扑图，即本路由器到网络中其他路由器的所有路由信息以及每条路由对应的代价；路由器使用Dijkstra算法根据这张全网拓扑图来构造到其他节点的最徍路由。

       OSPF协议直接使用IP数据报传送。

       RIP与OSPF对比：
       ①RIP仅和相邻路由器交换信息，而OSPF使用洪泛法向自治系统中的所有路由器发送信息。

       ②RIP交换的是各自的整个路由表，而OSPF交换的是本路由器到所有相邻路由器的链路状态。

       ③RIP是每隔30s交换一次信息，而OSPF只有当链路状态发生改变时才发送信息。

       ④RIP根据跳数（也就是经过的路由器个数）来寻找最短路由，而OSPF主要根据链路的带宽来寻找传输能力最强的最佳路由，也可以结合时延、距离等综合考虑，不过需要更复杂的配置。

       ⑤RIP存在坏消息传得慢的问题（即当某个路由器出现故障时这条信息不会及时的传给其他路由器，需要等待180s才会发现），收敛慢（当所有路由器都知道自己到本自治系统内每个网络的最短路由时称为收敛），且只适用于小型网络；OSPF不存在坏消息传得慢的问题（因为路由器出现故障会导致链路状态发生变化，在自治系统内的所有路由器都会立即进行更新），收敛快，且即支持小型网络也能应用于大型网络。

       3.BGP协议

        每个自治系统AS都会选出一个路由器作为本AS的BGP发言人，这个自治系统的BGP发言人会和相邻网络的BGP发言人交换信息。交换的信息是网络可达性信息，即要到达目的自治系统所要经过的自治系统序列（即到达某个自治系统的路径）。当首次交换时会交换整个路由表，下一次交换是当链路发生变化时才进行交换，且只交换发生变化的部分。因为在整个互联网中自治系统有很多，所以BGP发言人会根据交换的信息选择到目的自治系统的一条较好的路由而非最佳的路由。

       两个BGP发言人在交换信息前，会先建立TCP连接，然后在此连接上交换路由信息。所以BGP协议借助TCP传送，属于应用层协议。

       BGP支持无分类编址CIDR，所以BGP的路由表包括：目的自治系统的网络前缀、下一跳路由器、到达目的自治系统的路径向量。

       4.RIP、OSPF、BGP对比

 十一、IP组播

        IP组播允许源主机向多台目的主机同时发送数据，这些目的主机同属于一个组播组，这个组播组有一个组播IP地址。在向这个组播组发送数据时，目的地址就是该组播组的组播IP地址。在使用组播进行数据传输时，会根据组播路由协议建立转发路径。也就是以源主机为根、以组内每个目的主机为叶、以需要经过的路由器为中间结点构建一个组播分发树，源主机只需发送一次数据，数据在分叉节点处（也就是遇到了链路分叉）才会进行复制和分发。这种方式避免了网络资源浪费、且提高了数据传输效率。

       IP组播采用IGMP互联网组管理协议来管理一个组播组内的成员关系：

       当有新的主机想加入组播组时，该主机就会向本地组播路由器发送加入报文，告知自己想加入这个组播组。当本地组播路由器收到这个报文时会将这个主机信息加入到组播表中表明有成员加入组播组，并通过组播路由协议向上游路由器通告新成员加入信息。

       当有主机想退出组播组时，该主机会向本地组播路由器发送离开报文，此时本地组播路由器便停止向该主机发送数据。同时本地组播路由器还会向组内成员发送特定组查询报文以查看组内有无其他成员。如果有成员回应报告报文，路由器便认为这个组播组仍旧活跃，会继续向这个组播组传输数据；如果探询多次后都没有收到回应，路由器便认为这个组播组不存在了，会停止向这个组播组传输数据并通知上游路由器。

       IP组播采用UDP传输数据，经常应用于直播、视频会议、在线视频等场景中。

十二、移动IP技术

       移动IP技术用于让移动设备在不同网络间切换时仍能保持网络连接。先介绍相关概念：

       移动节点：具有永久IP地址的移动设备。

       永久地址（归属地址）：移动结点在归属网络中的原始地址（即在最开始的网络中所分配的IP地址）。

       归属代理（本地代理）：在归属网络中执行移动管理功能的实体。

       外部代理（外地代理）：在其他网络中执行移动管理功能的实体。

       转交地址：移动设备在其他网络中会被分配一个临时地址，这个临时地址就是转交地址。

       当移动结点进入从归属网络进入到其他网络时， 既能通过外部代理广播发送的代理通告报文获取转交地址，也能主动发送代理请求报文获得转交地址。然后移动结点会通过外部代理来给归属代理发送注册报文，其中包括自己的归属地址和转交地址。归属代理在验证请求合法性后会将其归属地址和转交地址绑定。随后如果有给该移动结点发送的数据发往了归属地址，归属代理会将数据进行封装后转发到转交地址。

       如果移动结点又进入了另一个网络，也是首先获取在新网络的转交地址，随后通过新网络的外部代理给归属代理发送新的注册请求，其中包括归属地址和新的转交地址。归属代理在验证请求合法性后会用新的注册信息覆盖掉旧的注册信息。

       当移动结点从其他网络返回到归属网络时，移动结点通过接收归属代理广播发送的代理通告报文或主动发送代理请求报文来发现归属代理，随后移动结点向归属代理发送注销请求报文来请求注销自己在其他网络的转交地址。归属代理在收到注销请求后会删除与该移动结点相关的转交地址绑定信息。在注销转交地址后，移动结点将使用归属地址进行通信。此时归属代理不再通过数据封装的形式和移动结点通信。

十三、网络层转发设备——路由器

        路由器是一种用来连接两个或多个不同网络的网络设备，既能隔绝冲突域又能隔绝广播域，主要用于数据转发和网络互联。路由器内部会维护一个路由表，里面存储了根据路由选择协议得到的到目的网络的路由信息，在转发数据时路由器会根据数据的目的地址和自己的路由表来确定将该数据从哪个输出端口转发出去。在一些高端路由器中，路由器内部还会维护一个转发表，转发表是对路由表进行优化后的表格，能够进行更加快速的查找。

       补充：

       冲突域：如果两个主机同时发送数据会产生冲突，那么这两个主机就在同一个冲突域中。

       广播域：是指网络中能够接收同一广播消息的所有设备的集合。

十四、拥塞控制与流量控制

       拥塞控制主要解决网络中出现的过度拥塞问题。当网络中传输的数据过多时会导致网络性能下降，比如延迟增加、丢包等，甚至可能导致系统崩溃。这就需要拥塞控制来调节。

       流量控制关注的则是发送方和接收方之间数据传输的速率匹配问题，目的是确保发送方的发送速率不会超过接收方的接收速率，避免接收方因来不及接收数据而被迫丢弃数据的现象发生。