一、知识点分布
1、网络层该向运输层提供“面向连接”还是“无连接”的服务？
2、虚拟互连网络
3、IP地址的三种编址方式：①分类IP地址 ②子网划分 ③构成超网
4、地址转发协议ARP
5、无分类编址CIDR
6、各种网络层协议（如ICMP，IP，ARP，RIP，OSPF等等）
二、细碎概念
面向连接：虚电路服务是一种逻辑连接，并非是真实的物理连接（虚电路服务类似电路交换的电话通信，但是电路交换的电话通信是真实的建立物理连接）
无连接：数据包服务（与虚电路服务的主要区别在于可靠通信是由用户主机保证的，而虚电路服务的可靠通信是由网络层保证的）
网络层相关协议
虚拟互连网络
网络互连中需要使用的一些中间设备
物理层中间系统：转发器
数据链路层中间系统：网桥或者桥接器
网络层中间系统：路由器
网络层以上的中间系统：网关
因为中间系统是会转发器或网桥时，仅仅只是把一个网络扩大了而已，但本质仍然是一个网络，所以互联网一般指的是用路由器进行互连的网络。
虚拟互连网络是什么？也就是逻辑互连网络，利用使用同种IP协议使互连起来的各种异构的物理网络形成一个统一的网络。
使用虚拟互连网络的好处是：当互联网上的主机进行通信时，就好像在同一个网络进行通信，而看不见互连的各具体的网络异构细节。
IP地址
现由互联网名字与数字分配机构ICANN进行分配，是全世界范围内唯一的32位的标识符。
有三种编址方式：①分类IP地址；②子网的划分；③构成超网
分类IP地址
IP地址 = <网络号>，<主机号>
分为几类地址，常用的是ABC类地址，最前面是类别号，而网络号和主机号也有规律可寻，即对应是A类1：3；B类2：2:；C类：3：1
ABC类地址的网络号范围
A类地址：1~126 B类地址：128.1~191.255 C类地址：192.0.1~223.255.255
点分十进制法表示（提高可读性），即二进制数每8位就划分 （eg：128.11.3.31）
多归属主机：当一个主机同时连接到两个不同的网络上，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号必须是不同的。
由于一个路由器必须连接至少两个网络，这样它才能将IP数据报从一个网络发送到另一个网络中，于是一个路由器至少有两个不同的IP地址，每一个接口都有一个不同的网络号。路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择。
同个局域网里的主机或者路由器的网络号必须是相同的，因为局域网里的主机都是在同一个网络下的。
划分子网
IP地址=<网络号>，<子网号>，<主机号>
注意：其中的子网号其实是从主机号中借用出来的，划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。
子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。使用子网掩码可以找出 IP 地址中的子网部分。路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器。即路由表中有目的地址和子网掩码信息。
ABC类地址的默认子网掩码
A类默认：255.0.0.0 B类默认：255.255.0.0 C类默认：255.255.255.0 （即对应IP地址的网络号全为1，剩下的全为0）
计算公式：网络地址=IP地址 AND（与运算）子网掩码
构成超网
一个 CIDR 地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合，路由聚合也称为构成超网。网络前缀长度不超过23位的CIDR地址快都包含了多个C类地址。
路由聚合是将网络前缀变短，网络前缀越短，其地址块所包含的地址数就越多。而在三级结构的IP地址中，划分子网其实是使网络前缀变长。
表示：0000101000* （*表示网络前缀，*之后表示主机号）
最长前缀匹配
结果若是有多个匹配，则选择匹配的地址中更具体的一个，即选择最长网络前缀的那个。
IP数据报的格式
由首部和数据两部分组成，首部的前一部分是固定长度的20个字节，是所有IP数据报都必须具有的，后面是可变部分，可有可无。
20个字节（5*32位）=版本4位+首部长度4位+区分服务8位+总长度16位+标识16位+标志3位+片偏移13位+生存时间8位+协议8位+首部检验和16位+源地址32位+目的地址32位。
标志：占3位，目前只有前两位有意义。MF（more fragment），MF=1表示后面还有分片的数据报，MF=0表示这已经是若干数据分片的最后一个。DF（don't fragment），DF=1表示没不能分片，所有只有当DF=0才允许分片。
片偏移：占13位，片偏移以8个字节为偏移单位，也就是说，每个分片的长度一定是8个字节的整数倍。
一个数据帧的数据字段的最大长度，称为最大传送单元MTU，以太网规定MTU值是1500个字节，若传送的数据报超过MTU，则信息分片处理。
二进制反码求和，就是先对二进制求和，然后再对和取反。
IP地址转发分组的流程
比如有4个A类网络通过3个路由器连接在一起，采用按主机所在的网络地址制作路由表比较合适，这样就避免了路由表的庞大
路由表 =（目的网络地址，下一跳地址），若找到最后路由器时才直接交付，否则多次间接交付。
注意：当路由器收到待转发的数据报，不是将下一跳路由器的IP 地址填入 IP 数据报，而是送交下层的网络接口软件。网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。
地址解析协议ARP
出现背景：不管网络层使用什么协议，在实际网络的链路层传输数据帧，需要知道对应的物理地址，我们怎么才能把IP地址转换为物理地址，于是ARP协议的应用场景来了。根据IP地址，找出对应的硬件地址。IP地址——>ARP协议——>物理地址
TTL：表示地址映射有效时间。 每个主机都有一个ARP高速缓存，里面有所在局域网下的所有主机和路由器的IP地址到物理地址的映射表。
注意：ARP解决的是同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，且ARP解析是自动进行的，无须用户操作，用户不知道的，这也给用户带来方便。我们为什么要使用抽象的IP协议来通信而不直接使用硬件地址通信？主要是异构网络中不同的硬件地址之间的转换很复杂，采用统一的IP地址通信会方便许多。
无分类编址CIDR
出现场景：IPv4的地址空间即将耗尽，于是需要改进分配方式，采用网络前缀来代替分类地址中的网络号和子网号。
IP地址=<网络前缀>，<主机号>
CIDR还使用“斜线记法”，（eg：128.14.32.0/20） 其中20代表网络前缀的位数，也即二进制位1的个数
也可以把10.0.0.0/10简写成10/10，也就是把点分十进制的低位连续的0省略，对应的子网掩码是255.192.0.0
比如：128.14.32.0/20的最小地址：128.14.32.0 最大地址：128.14.47.255
使用CIDR的好处：可以更加有效地分配IPv4的地址空间，可根据客户的需要分配适当大小的CIDR地址块
网际控制报文协议ICMP
作用：为了提高数据交付成功地机会，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。
分为2种种类：①ICMP差错报告报文；②ICMP询问报文
ICMP 报文的前 4 个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着的 4 个字节的内容与 ICMP的类型有关。
ICMP差错报告报文有4种：①终点不可达；②时间超过；③参数问题；④改变路由（重定向）
ICMP询问报文有2种：①回送请求与回答报文；②时间戳请求和回答报文
ICMP的应用举例
ping：用来测试两台主机之间的连通性，使用了ICMP的回送请求与回答报文，它是应用层直接使用网络层ICMP的例子，没有通过运输层的TCP或UDP
traceroute：用来跟踪一个分组从源点到终点的路径
路由选择
路由表、怎么查找路由表、分组根据路由表转发过程？（目标IP在直连网络中就直接交付，否则查找特定主机路由，否则查找其他路由（包括由动态路由协议得到的路由），否则查找默认路由） PS:注意顺序
静态路由选择策略——是非自适应路由选择，简单开销小，但不能及时适应网络状态的变化
动态路由选择策略——是自适应路由选择，复杂开销大，但能及时适应网络状态的变化
因特网采用分层次的路由选择协议，原因是互联网的规模非常大，且许多单位不希望自己内部的网络布局细节被外界所了解，于是把互联网划分为许多较小的自治系统（简称AS）。AS是在单一技术管理下的一组路由器。而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表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略。
自治系统间的路由选择叫作域间路由选择，而自治系统内部的路由选择叫作域内路由选择。
一个大的ISP就是一个自治系统，于是互联网就把路由选择协议划分为2部分。分别是：内部网关协议IGP（在一个自治系统内部使用，典型的有RIP和OSPF协议），外部网关协议EGP（数据报传送到自治系统的边界时，需要外部网关协议EGP将路由选择信息传送给另一个自治系统，典型的有BGP-4）
RIP协议
RIP是基于距离向量（跳数）的路由选择协议，特点是：①仅与相邻路由器交换，②交换整个路由表信息，③每隔30秒进行一次
路由表中最主要的信息就是：到某个网络的距离（最短距离）以及应经过的下一跳地址，路由表每次更新都是为了找到到每个目的网络的最短距离。RIP不能在两个网络之间同时使用多条路由
RIP还有一个特点是：实现简单，开销小，好消息传得快，而坏消息传播得慢（即发生故障时不能及时通知对方）。
RIP协议使用运输层的用户数据报UDP进行传送（UDP的端口号520），因此RIP协议的位置应当在应用层，但转发IP数据报的过程是在网络层完成的。
OSPF 协议，是开放最短路径优先协议
为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫作区域。在上层的区域叫作主干区域，主干区域的标识符规定为0.0.0.0。主干区域的作用是用来连通其他在下层的区域。
OSPF直接使用IP数据报进行传送而不用UDP，OSPF构成的数据报也很短，可减少路由信息的通信量，且不必分片传送数据报
OSPF有5种分组类型
类型一：问候分组（用来维持和发现邻站可达性）
类型二：数据库描述分组（向邻站给出自己的链路数据库中所有链路状态条目的摘要信息）
类型三：链路状态请求分组（向对方请求发送某些链路状态条目详细信息）
类型四：链路状态更新分组（用洪泛法对全网更新链路状态）
类型五：链路状态确认分组（对链路更新分组的确认）
路由器
构成：是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务就是路由选择，转发分组。
路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是从路由表得出的。路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。
路由器的三种交换结构：①通过存储器；②通过总线；③通过互连网络
虚拟专用网VPN
利用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。VPN内部使用互联网的专用地址。一个VPN至少要有一个路由器具有合法的全球IP地址，才能和本系统的另一个VPN通过互联网进行通信。所有通过互联网传送的数据都必须加密。
网络地址转换NAT技术
可以在专用网络内部使用专用IP地址，而仅在连接到互联网的路由器使用全球IP地址，这样就大大节约了宝贵的IP地址。
习题解答：
解：192.168.0.100/26 化成二进制表示11000000.10101000.00000000.01100100 主机号为后6位（32-26=6）
网络地址就是把主机号全置为0，而广播地址就是把主机号全置为1
所以网络地址为192.168.0.64 广播地址为192.168.0.127
