计算机网络-网络层与网络互连

互联网

因特网（Internet）：全球最大的，开放的，有众多网络相互连接而成的特定计算机网络，采用TCP/IP协议簇，前身为APPANET。

互联网（internet）：泛指多个计算机网络互连形成的计算机网络。

IP地址与子网掩码

面向连接服务：通信之前要建立连接，通信过程中需要维护连接，通信之后需要释放连接。

IP协议的特点：无连接，“尽力传递”的设计思想，不能保证传输的可靠性（无差错恢复、有数据丢失），纠错重传问题交传输层解决。简单、快速、高效。实现IP路由。

IP层的主要协议：IP，ARP，RARP，ICMP，IGMP。

IP地址

IP地址的组成：由网络（ID）地址和网络上的计算机地址（ID）两部分组成。采用4个8位（32位）二进制字节表示。

IP地址在寻址中，首先根据网络号寻找网络，找到网络后再在网络中根据主机号来寻找主机。

IP地址的分类：

A类地址：0作为第一个比特，前8位为网络号，后24位为主机号。1.0.0.0-127.255.255.255

B类地址：10作为前两个比特，前16位为网络号，后16位为主机号。128.0.0.0-191.255.255.255

C类地址：110作为前三个比特，前24位为网络号，后8位为主机号。192.0.0.0-223.255.255.255

D类地址：1110作为前四个比特。224.0.0.0-239.255.255.255

E类地址：11110作为前五个比特，保留作未来使用。240.0.0.0-247.255.255.255

特殊的IP地址：全0表示自己，全1表示所有。

总结：分配给主机的IP地址，其主机号不能全为0，因为主机号全为0表示某网络的网络号；分配给主机的IP地址，其主机号不能全为1，因为主机号全为1表示某网络的广播地址。如果主机号为n位，则能够容纳 $2^n -2$ 台主机。

子网掩码

子网掩码是由连续的若干个二进制“1”组成的代码。网络号部分均为1，主机号部分均为0。

子网掩码与 IP地址=网络地址（ID）

主机使用子网掩码判断目的IP地址是否与本机处在同一个网络中。发送数据前使用目的IP地址与子网掩码进行与运算。

ARP协议

工作原理：进行IP地址到MAC地址的转换，首先查找本机的ARP Cache，如果存在记录则直接使用本地的记录，如果ARP Cache中没有记录，则发送ARP请求报文进行询问，被询问的计算机由于捎带技术的原因，记录下请求方的IP地址-MAC地址，并返回应答，询问的计算机收到应答之后，修改本机的Cache内容。

信任机制，可能会遭到欺骗。利用ARP协议漏洞入侵。

Arp指令：arp -a 可以获得ARP Cache的内容。

ARP协议漏洞的防范：arp -s使用静态地址映射。

IP协议

IP数据报（datagram）是IP协议的PDU，是Internet上数据传输的基本单元。

路由器在不同网络间转发IP分组，实现IP数据报的“寻路”功能。

IP报文格式

Version：版本号，目前最常用的为4。

HLen：首部长度，以4字节为单位记录。

TOS：服务类型。|优先级|D|T|R|C|保留| 。D表示低时延，T表示高吞吐率，R表示高可靠性，C表示低费用。

Total Length：总长度，以字节为单位。

TTL：Time To Live。

协议：指高层的协议类型。

checksum：首部校验和。

选项：填充字段。如果没有多余字段，IP首部的长度为20字节。

IP报文的分片

分片问题：IP数据报被帧封装。MTU（最大传输单元，指局域网中的最长帧），不同局域网的MTU是不同的，当较大的报文经过MTU小的局域网前，应该对该报文进行分片，分片由路由器来完成，在分片时，对报文的数据段进行操作。

分片的重组：位置目的主机，依据IP数据报中的字段。

标识：重组时，同一数据报的标识。

标志：保留|DF|MF。DF为1时，表示不能分片，MF为1时表示还有分片。

片偏移：某片在原分组数据中的位置。

IP路由与寻路

路由器转发数据的时候，以路由表为依据。

直接寻址（源和宿在相同网络）：在物理网络内部确定主机-主机的数据传输路径。

直接寻址与间接寻址的关系：确定到达目的网络的数据传输路径，在目的网络中用直接寻径方法到达信宿。

路由表的维护

选择最佳传输路径：静态路由，通过算法实现动态路由。

静态路由：由网络管理员设置路由表，简单、有效，适于结构简单的网络，不适于拓扑结构和传输流量经常改变的复杂网络，需要管理员经常手工维护。

动态路由：距离向量算法，动态更新路由表。

距离向量算法（D-V）：周期性地相互传递信息，每个路由器向与它相邻的站点发送一个包含它到所有其他路由器的距离的向量（最短路径或最小代价）；维护各自的路由表，路由器根据邻居发送的距离-向量的动态信息启动算法，更新路由表（原则：发现新路由、发现更短的路由、发现必经之路上的距离有变化，则更新路由表）。

距离向量算法举例：RIP（Router Information Protocol），使用D-V算法，基于以站点（hop，跳数）为度量的D-V算法，定义hop=16为无穷大，刷新周期为30秒，适用于小型网络的内部路由协议。