1.网络层提供的两种服务

• 互联网采用的设计思路：网络层向上只提供无连接的，简单灵活的，尽最大可能交付的数据报服务
• 不提供服务质量承诺
• TCP/IP体系的网络层提供的是数据报服务

2.网际协议IP

• 与IP配套使用的协议
  • 地址解析协议ARP
  • 网际控制报文协议ICMP
  • 网际组管理协议IGMP

2.1.虚拟互连网络(逻辑互连)

• 没有一种单一的网络能满足所有用户的需求
• 互连网络的中间设备
  • 物理层：转发器
  • 数据链路层：网桥
  • 网络层：路由器
  • 网络层以上：网关
• 互联网可以由多种异构网络互相构成

2.2.分类的IP地址

2.2.1.IP地址及其表示方法

• IP地址是唯一的32位的网络标识符，在整个互联网范围内是一致的
• IP地址编址方法经过了三个阶段
  • 分类IP地址
  • 子网的划分
  • 构成超网（网络号）
• IP地址= 网络号+主机号 共32位
• 地址类别
  • A类：开头0 网络号共8位
  • B类：开头10 网络号共16位
  • C类：开头110 网络号共24位
  • D类：开头1110 多播地址

2.2.2.常用的三类别IP地址（ABC）

• 分割地址为：128和192
• IP地址特点
  • 网络号+主机号 共32位
  • 路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（不考虑目的主机号），减少了路由表所占的存储空间以及查询路由表的时间
  • 实际上IP地址时表示一台主机和一条链路的接口
  • 用转发器或者网桥联络起来的若干个局域网仍为一个网络
  • 对等连接
  • 全0全1不可做为主机号

2.3.IP地址与硬件地址

• MAC是数据链路和物理层使用的地址
• IP地址是网络层和以上使用的地址，是一种逻辑地址
• 两者一些区别
  • 在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报
  • 虽然IP数据报首部有源站IP地址，但路由器只能根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择
  • 在局域网的链路层，只能看见MAC帧
  • IP层抽象的互联网却屏蔽了下层这些很复杂的细节。只要我们在网络层上讨论问题，就能偶使用IP地址研究主机或路由器之间的通信

2.4.ARP地址解析协议

• 由于IP协议使用了ARP协议，因此通常把ARP协议规划到网络层
• 网络层使用IP地址，但在实际网络的链路上传输数据帧时，最后还是必须使用MAC地址
• ARP通过在主机ARP高速缓存中存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，并且这个映射表经常动态更新 实现了IP转MAC
• ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题

2.5.IP数据报的格式

• 首部和数据两部分组成
• 首部的前一部分是固定长度20字节
• 路由表中最主要的信息：目的网络地址，下一跳地址

2.5.1.IP数据报首部的固定部分

• 版本：4位
• 首部长度：4位。由于 首部（固定部分+可选部分），固定部分20字节的存在，所以首部长度最小为5，0101。
• 区分服务：8位
• 总长度：16位，首部和数据之和的长度
• 标识：16位，因为ip是无连接服务
• 标志：3位，但目前只有2位有意义
  • MF:1表示后面“还有分片”，0表示这是最后一个
  • DF:表示不能分片，为0时才允许分片
• 片偏移：13位。指出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，除了最后一个数据报片外，每个分片的长度一定是8字节的整数倍
• 生存时间：8位。TTL值随着时间减少
• 首部校验和：16位。只检验首部，不包括数据部分
• 源地址：32位
• 目的地址：32位

3.划分子网和构成超网

3.1.划分子网

• 从现在来看，IP的设计不够合理
  • ip地址空间利用率有时很低
  • 路由表填充会变得太大降低性能
  • 二级IP不够灵活
• 解决方案：划分子网
  • 划分子网纯属一个单位内部的事情，对外表现还是一个网络
  • 划分子网是在划分主机号部分的高位作为子网号
  • 此时：IP地址：网络号，子网号，主机号

3.2.子网掩码

• IP数据报的首部是无法看出所连接的网络是否进行了子网划分，为了处理这种情况，提出了 子网掩码
• 将子网掩码和目的IP地址做“与”运算，就可得到子网络地址
• A类地址默认的子网掩码：255.0.0.0
• B类地址默认的子网掩码：255.255.0.0
• C类地址默认的子网掩码：255.255.255.0

3.3.使用子网分组转发

• 划分子网增加了灵活性，但减少了可连接的主机数
• 使用子网划分后，路由表要包含：目的网络地址、子网掩码、下一跳地址

3.4.无分类编制CIDR（构成超网）

3.4.1.网络前缀

• CIDR无分类网络域间路由
• CIDR的特点：
  • 消除了传统ABC类地址以及划分子网的概念
  • IP地址：网络前缀，主机号
  • 网络前缀相同的IP地址组成一个CIDR地址块
• 路由聚合：一个CIDR地址块中有很多地址，所以在路由表中就利用CIDR地址块来查找目的网络，这类地址的聚合称为路由聚合
• 网络前缀越短，其地址块所包含的地址数就越多

3.4.2.最长前缀匹配

• 在查询路由表时（做与运算），很可能得到不止一个匹配结果，这是应选择具有最长网络前缀的路由。（选择更精确的）

4.网际控制报文协议ICMP

• ICMP允许主机或者路由器报告差错情况和有关异常情况的报告
• ICMP封装在IP数据报中，作为数据部分，是IP层的协议，所以不是高层协议

4.1.ICMP报文的种类

• 差错报告报文
  • 终点不可达
  • 时间超过
  • 参数问题
  • 改变路由（重定向）
• 询问报告报文
  • 回送请求和回答：目的站是否可达等有关情况
  • 时间戳请求和回答：时间同步，时间测量
• Ping使用了回送请求和回送回答报文，没有通过运输层的TCP和UDP

5.互联网路由选择协议

• 从某角度来讲，只分为：静态路由和动态路由
• 静态路由：非自适应路由选择，人工配置每条路由，简单，开销小
• 动态路由：较好的适应网络状态的变化，复杂，大网络

5.1.自治系统

• 自治系统AS：在单一技术管理下的一组路由器，这些路由器使用一种自治系统内部的路由选择协议和共同的度量。一个AS对其他AS表现为一个单一的和一致的路由选择策略
• 互联网把路由选择协议分为两大类：
  • IGP内部网关协议(域内路由选择)：一个自治系统内部使用的路由选择协议
    • RIP、OSPF······
  • EGP外部网关协议(域间路由选择)：数据报传到一个自治系统的边界时，需要一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。
    • BGP

5.2.内部网关协议RIP

• 路由信息协议RIP
• 基于距离向量的路由选择协议，简单（经过的路由器数+1）
• 只能包含一条路径15个路由器
• RIP认为最优路线就是路径最短的路线
• 到目的网络N,距离d，吓一跳路由器是X
• 特点：
  • 仅和相邻路由器交换信息
  • 路由器交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表
  • 按固定的时间间隔交换路由信息
  • （先把相邻路由传过来的路由表距离加一，下一跳改成相邻路由，再做以下判断）
  • 到相同的目的网络，下一跳地址是相同的，则取最新消息
  • 到相同的目的网络。但下一跳地址不相同，则取最短的那条
• 好消息传得快，坏消息传得慢
• 实现简单，开销较少
• RIP使用UDP进行传送

5.3.1.RIP协议的报文格式

• 首部+路由部分
• 首部
  • 4个字节，命令字段指出报文的意义，后面补零对齐
• 路由部分
  • 每个路由信息要20个字节，最多25个路由，所以RIP长度最大504字节

5.3.内部网关协议OSPF

5.3.1.开放最短路径协议OSPF的基本特点

• 是公开发表的
• 分布式的链路状态协议(RIP是距离向量)
• 向本自治系统中所有路由器发送信息。
• 发送的消息就是相邻的所有路由器的链路状态，即 部分信息
• 只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器发送此信息（RIP）
• 由于个路由器交换链路状态，最终所有的路由器会建立一个链路状态数据库，即 全网的拓扑结构图（RIP只知道如何跳，却不知道全网的拓扑图）
• 最大的优点：更新过程收敛的快
• 不用UDP传送，而是IP数据报传送
• OSPF允许管理员给每条路由指派不同的代价。（链路的重要性等级）
• 负载平衡：相同代价的路径，可以多路分配，
• 存在鉴别功能，保证了仅在可信赖的路由器之间交换链路状态信息
• 也支持CIDR

5.3.2.OSPF的五种分组类型

• 问候：发现和维持邻站的可达性
• 数据库描述：给邻站自己的链路状态摘要信息
• 链路状态请求：向对方请求某些链路状态详细信息
• 链路状态更新：最核心的部分。洪泛式对全网更新状态
• 链路状态确认：更新的确认

5.4.外部网关BGP

• 边界网关协议BGP
• 并非要寻找一条最佳路由，而是要一条能够达到且比较好的选择
• 采用路径向量路由选择协议，与RIP，OSPF都不相同
• 大致流程
  • 每个AS（自治系统）选择至少一个路由器作为BGP发言人，发言人与其他AS的发言人交换信息
  • 建立TCP连接，形成对等站
  • 建立BGP会话

5.5.路由器

• 具有多个输入端口和输出端口、负责分组转发

5.5.1.路由器构成

• 路由选择
  • 控制部分。核心构件是路由选择处理机
• 分组转发
  • 交换结构：又称交换组织，根据转发表分组处理
    • 交换方式：存储器，总线，互联网络
  • 输入端口：
  • 输出端口：

6.IPv6

6.1.IPv6的基本首部

• 支持无连接的传送，但将协议数据单元PDU成为分组，而不是IPv4的数据报
• 特点
  • 更大的地址空间：128位
  • 扩展的地址层次结构
  • 灵活的首部格式
  • 改进的选项：允许数据报包含有选项的控制信息，但IPv6的首部长度是固定的
  • 允许协议继续扩充
  • 自动配置：不需要DHCP
  • 支持资源的预分配
  • 首部8字节对齐：即首部长度必须是8字节的整数倍
• 组成：基本首部、有效载荷（净负荷）
  • 有效载荷允许有多个扩展首部，再后面是数据比分，所有扩展首部不属于IPv6的首部
• 首部长度固定，40字节，所以取消了首部长度字段
• 字段：
  • 版本：4位
  • 通信量类：8位，区分不同的IPv6数据报的类型
  • 流标号：20位 流分配 对于音频视频很有用，传统的电子邮件和非实时数据则可以不用，置0
  • 有效载荷长度：16位
  • 下一个首部：8位
  • 跳数限制：8位 防止无限存在
  • 源地址：128位
  • 目的地址：128位
• IPv6将选项的功能放在拓展首部中，处理交给源点和终点，途中路由不处理，大大提高了处理效率。IPv4则相反

6.2.IPv6的地址

• IPv6目的地址类型：
  • 单播：点对点
  • 多播：一对多
  • 任播：IPv6新增，任播的终点是一组计算机，数据报只交付其中一个
• IPv6采用冒号十六进制记法
  • 允许 0压缩

7.虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

7.1.VPN

• 在互联网中的所有路由器，对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发
• VPN在效果上与专用网（本地地址的概念）一致

7.2.NAT

• 使用本地地址的主机和外界通信时，都要在NAT路由器上将本地地址转换成全球IP地址
• 通过NAT路由器的通信必须由专用网内的主机发起
• 使用端口号的NAT也叫做NAPT网络地址和端口号转换