网络层

一 IP协议

1.1IPv4

IPv4地址

IP 地址的编址方式经历了三个历史阶段：

（1）分类的IP地址

IP地址由两部分组成：网络号和主机号。不同分类具有不同且固定的网络号长度。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}

（2）划分子网

通过在主机号字段中拿一部分作为子网号，把两级 IP 地址划分为三级 IP 地址。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}

要使用子网，必须配置子网掩码。一个 B 类地址的默认子网掩码为 255.255.0.0，如果 B 类地址的子网号占两个比特，那么子网掩码为 11111111 11111111 11000000 00000000，也就是 255.255.192.0。

注意，外部网络看不到子网的存在。

（3）无分类 / 构成超网

无分类编址 CIDR的目的是按需分配。它消除了传统 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，使用网络前缀和主机号来对 IP 地址进行编码，IP地址从三级又回到了两级编址。

IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}

CIDR 的记法上采用在 IP 地址后面加上网络前缀长度的方法，例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位为网络前缀。CIDR 的地址掩码可以继续称为子网掩码，子网掩码首 1 长度为网络前缀的长度。

CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”，这种地址的聚合常称为路由聚合或构成超网。它使得路由表中的一个项目可以表示原来传统分类地址的很多个（例如上千个）路由。

在路由表中的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成，在查找时可能会得到不止一个匹配结果，应当采用最长前缀匹配来确定应该匹配哪一个。

Q：子网掩码的作用是什么？
为了方便路由器进行快速转发使用的。
子网掩码就是对网络进行标识，大大减少了路由表的路由项，提高转发速度。

IPv4数据报

1.2 IPv6

IPv4和IPv6的区别

Q：IPv4和IPv6的区别：

IP地址方面：

地址空间增加：v4地址是32位，v6地址是128位；
地址表示不同：v4是点分十进制，v6是冒分十六进制；
如：192.168.0.1 和 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344

ip数据报格式方面：

v6的头部字段比v4精简了很多，这样可以使得网络数据传输更快。

过渡技术

双协议栈：网络设备，服务器等支持两种协议栈
隧道：通过隧道，IPv6分组被作为无结构无意义的纯数据封装在IPv4的数据报中。或者反过来，IPv4分组被作为春数据封装在IPv6的数据报中。
地址转换：把IPv4地址转换到IPv6地址

二配套协议

与 IP 协议配套使用的还有三个协议：

地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）
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）

ARP

网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。在通信过程中，IP 数据报的源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变。

ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。每个主机都有一个 ARP 高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址，但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射，此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组，主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址，随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。

ICMP

ICMP 是为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会。ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。

它封装在 IP 数据报中，作为其中的数据部分，但是不属于高层协议。

ICMP 报文分为差错报告报文和询问报文。

Ping：Ping 是 ICMP 的一个重要应用，主要用来测试两台主机之间的连通性。

Ping 的原理是通过向目的主机发送 ICMP Echo 请求报文，目的主机收到之后会发送 Echo 回答报文。Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率。

Traceroute：Traceroute 是 ICMP 的另一个应用，用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。

三路由选择协议

路由选择可分为：

静态路由选择/非自适应路由选择：由人工配置的路由。其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。适用于很简单的小网络。
动态路由选择/自适应路由选择：能较好的适应网络状态的变化，但实现较为复杂，开销也比较大。适用于较复杂的大网络。

互联网采用的路由选择协议主要是自适应的，能随着网络通信量和拓扑结构的变化而自适应地进行调整。

互联网可以划分为许多较小的自治系统 AS，在AS内部和AS之间分别进行路由选择。比如一个大的ISP就是一个AS。这样，互联网就把路由选择协议划分为两大类：

自治系统内部的路由选择：RIP 和 OSPF
自治系统间的路由选择：BGP

内部网关协议RIP

RIP 是一种基于距离向量的路由选择协议。使用跳数作为距离度量，直接相连的路由器跳数为 1。跳数最多为 15，超过 15 表示不可达。

RIP的特点：（和那些路由器交换信息？交换什么信息？在什么时候交换信息？）

仅与相邻路由器交换信息。
路由器交换的信息是当前路由器所知道的全部信息，即自己现在的路由表。
按固定的时间间隔交换路由信息。

RIP 协议实现简单，开销小。但是 RIP 能使用的最大距离为 15，限制了网络的规模。并且当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此消息传送到所有路由器。

开放最短路径OSPF

开放最短路径优先 OSPF，基于Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF，使用链路状态作为距离度量。

链路状态包括与哪些路由器相连以及链路的度量/代价，代价用来表示费用、距离、时延、带宽等，这些由网络管理人员来决定。

OSPF 具有以下特点：（和那些路由器交换信息？交换什么信息？在什么时候交换信息？）

向本自治系统中的所有路由器发送信息，这种方法是洪泛法。
发送的信息就是与相邻路由器的链路状态，这只是自己知道的部分信息。
只有当链路状态发生变化时，路由器才会发送信息。

所有路由器都具有全网的拓扑结构图，并且是一致的。相比于 RIP，OSPF 的更新过程收敛的很快。

边界网关协议BGP

AS 之间的路由选择很困难，主要是由于：

互联网规模很大；
各个 AS 内部使用不同的路由选择协议，无法准确定义路径的度量；
AS 之间的路由选择必须考虑有关的策略，比如政治、安全、经济等问题。

所以BGP 只能寻找一条比较好的路由，而不是最佳路由。

每个 AS 都必须配置 BGP 发言人，AS之间通过在两个相邻 BGP 发言人之间建立 TCP 连接来交换路由信息。

BGP所交换的网络可达行的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列AS。

BGP发言人根据所采用的策略，从收到的路由信息中找到到达各自AS的较好的路由。也就是构造连通树形结构。

目录