第四章网络层

第一节网络层的功能

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
网络层传输单位是数据报。
当数据报过大时，还是会进行分组之后再发送。
网络层提供不可靠服务。

「网络层」网络异构互联

网络互联指的是将两个以上的计算机网络通过中间设备（中继系统）相互连接起来，构成更大的网络。

四个层次的四种中继系统

物理层：转发器、集线器。
数据链路层：网桥、交换机。
网络层：路由器。
网络层以上：网关。

「网络层」主要功能

网络层的主要功能由路由器实现。

路由器的功能

路由选择
- 简述：确定接受到的数据报分组走哪一条路径。
- 作用：按照复杂的分布式算法，根据相邻路由器所得到的关于整个网络拓扑的变化情况，动态改变所选择的路由。
- 原理：根据特定的路由选择协议构造出路由表，同时定期和相邻路由器交换路由信息而不断更新和维护路由表。
分组转发
- 简述：当一个分组到达时所采组的动作。
- 作用：路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去。
异构网络互联：物理层和数据链路层可以不同。
拥塞控制：开环控制、闭环控制

「网络层」SDN

网络层划分

可以将网络层抽象地划分为数据平面（转发层面） 和 控制平面。

数据平面：处理转发相关事宜
- 特点：时间短、路由器本地负责、使用硬件解决
- 功能：根据转发表进行转发
控制平面：处理路由相关事宜
- 特点：时间长、使用软件处理
- 实现
  - 传统方法：路由选择算法运行在包含转发和路由选择两种功能的路由器。
    - 控制平面与数据平面在同一个路由器中进行
    - 通过与其他路由器通信计算出路由表和转发表
    - 路由选择控制器负责执行控制平面功能
  - SDN方法

SDN方法

SDN方法的特点
- 控制平面从路由器物理上分离，路由器仅负责转发
- 远程控制器通过软件计算后分发转发表以供各个路由器使用
- 路由选择控制器负责与远程控制器通信，接收转发表（路由器之间不在互相交换信息）
SDN控制平面的进一步划分
- SDN控制器
  - 维护准确的网络状态信息。
  - 为网络控制应用程序提供这些信息。
- 网络控制应用程序
  - 根据SDN控制器提供的信息，监视、编程和控制下面的网络设备。
SDN中的接口
- 北向接口：提供API，忽略硬件细节。
- 南向接口：SDN控制器和转发设备建立双向会话的接口。
- 东西向接口：SDN控制器集群内部控制器之间的通信接口。

TIP

通过SDN方法，网络又从分布式变成了集中控制模式。
在某些条件下，在一些大型数据中心之间的互联网，使用SDN模式建造效率更高。

第二节路由算法

「路由算法」静态路由

非自适应路由算法（手动配置路由信息）

优点：简单可靠、适用于负荷稳定、拓扑变化不大的网络。
缺点：路由更新慢、不适用于大网络。

「路由算法」动态路由

自适应路由算法（路由器彼此交换信息，按照算法优化出路由表）

优点：路由更新快、适用于大型网络、及时响应链路变化和网络拓扑变化。
缺点：算法复杂、增加网络负担。
两种特性
- 全局性
  - 所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息
  - 应用：链路状态路由算法（OSPF）
- 分散性
  - 路由器仅掌握物理相联的邻居之间的链路费用
  - 应用：距离向量算法（RIP）

「路由算法」层次路由

自治系统 AS
- 整个互联网划分为较多小的自治系统，一个自治系统中包含很多局域网。
- 一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。
- 每个自治系统有权自主决定本系统内采用何种路由选择协议，若两个自治系统之间的通信就需要使用一种协议来屏蔽自治系统内部协议之间的差异，即外部网关协议EGP。
自治系统的意义
- 因特网规模很大，直接连接会导致路由表很大
- 不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网。

具体使用的协议

内部网关协议IGP：AS内部使用的协议，称为域内路由选择。
- 协议：RIP，OSPF
外部网关协议EGP：AS之间使用的协议，称为域间路由选择。
- 协议：BGP

「路由算法」距离向量 RIP算法

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。
RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录（即一组距离）

RIP 路由表的结构

目的网络

距离
- 跳数，即从源端口到目的端口所经过的路由器个数
- 直接与路由器相联的网络距离为1
- 最大允许路由器数量为15，因此距离为16表示网络不可达
下一跳路由器
- 对于直连的网络，直接交付

RIP协议的信息交换

每一个路由器仅和相邻路由器交换信息
路由器交换的信息是自己的路由表
每30秒交换一次路由信息，然后路由器根据新信息更新路由表
- 若超过180s没收到邻居路由器的通告，则判定邻居没了，并更新自己路由表，将包含邻居的路由信息删除
路由器之间通过RIP报文交换路由表信息
- RIP本质是UDP报文，是应用层协议
- 一个RIP报文最多包含25个路由信息，多的表项需要分次发送
当时间足够后，路由器的路由表基本上包含本网络的所有路由信息，称为收敛

距离向量算法

假设路由器X发送了一条RIP报文到路由器A，则A处理RIP报文的逻辑如下：

将RIP报文中的距离+1
将RIP报文的下一跳路由器改为X
检查本身路由表中是否包含相应目的网络
- 存在目的网络，检查其下一跳地址
  - 是X，则用新收到的信息替换
  - 不是X，则与新收到的距离相比较，保留距离小的
- 不存在目的网络
  - 将收到的信息填入路由表
若180秒后还没收到X的更新路由表，则把X记为不可达的路由器，即把距离设置为16

例：考虑如图所示的子网，该子网使用了距离-向量算法，下面的向量刚刚到达路由器C：

来自B的向量为（5，0，8，12，6，2）
来自D的向量为（16，12，6，0，9，10）
来自E的向量为（7，6，3，9，0，4）

注：距离向量表示该路由器到其它各个路由器的距离，0表示本机。

经过测量，C到B、D和E的延迟分别为6，3和5，那么C到达所有结点的最短路径是什么？

C ：（A，6，0，3，5，F）将距离向量加上传输延迟即得到新的距离向量：

C $\to$ B：（11，6，14，18，12，8）
C $\to$ D：（19，15，9，3，12，13）
C $\to$ E：（12，11，8，14，5，9）

将自己的对应向量修改位0，其它选最短，得最短路径：（11「B $\to$ A」，6，0，3，5，8「B $\to$ F」）

什么是慢收敛？

慢收敛：RIP协议好消息传得快，坏消息传得慢
慢收敛是导致发生路由回路的根本原因

「路由算法」链路状态路由 OSPF算法

链路状态路由算法

算法的要求：每个参与该算法的结点都具有完全的网络拓扑信息
算法执行的任务
- 主动测试所有邻接结点的状态。
- 定期将链路状态传播给所有其他结点（路由结点）。
典型的链路状态算法：OSPF算法。
链路状态路由选择：一个结点检查所有直接链路状态，并将接受到的状态发送给网络上的所有其他结点。
链路状态报文到达：
- 路由节点用这些状态信息去更新自己的网络拓扑和状态视野。
- 若链路状态发生变化，结点就对更新的网络图利用Dijkstra最短路径算法重新计算路由。
链路状态路由算法的三个特征
- 向本自治系统中所有路由器发送信息，使用洪泛法。
  - 洪泛法：路由器通过所有端口向所有相邻的非刚刚发送消息的路由器发送信息，而每个路由器又将此信息发送其所有相邻的路由器。
- 发送的信息是与路由器相邻的所有路由器的链路状态（路由器所知道的部分信息）
  - 度量（OSPF算法）：用来表示费用、距离、时延、带宽等。
- 只有链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器发送此消息。
链路状态路由算法的优点：
- 每个路由结点使用同样的原始状态数据独立计算路径，不依赖中间结点的计算。
- 链路状态报文不加改变的传播，易于查找故障。
- 一节点从其他节点接收到报文，可在本地立即计算正确的通路，保证一步汇聚。
- 链路状态报文缙云在来自单个结点关于直接链路的信息，报文大小与网络中路由节点数目无关，规模可伸展性比距离向量算法好。

距离向量算法和链路状态路由算法的比较

	特点	问题
距离-向量路由算法（RIP算法）	每个结点仅与其直接邻居交谈，为邻居提供自己到网络中所有其他节点的最低费用估计	可能遇到路由环路问题
链路状态路由算法（OSPF算法）	每个结点通过广播方式和其他所有结点交谈，告诉它们与它直接相连的链路的费用

第三节 IPv4

「IPv4」IPv4分组

IPv4分组的格式

一个IP分组 = 首部（20B） + 数据部分（可选字段，长度可变）

IP首部的部分重要字段

版本(4bit)；IPv4/IPv6。
首部长度(4bit)
- 单位为4B
- 最短为 $5 (0101) \times 4 B = 20 B$
- 最长为 $15 (1111) \times 4 B = 60 B$
区分服务(8bit)
总长度(16bit)
- 首部和数据部分之和长度，单位为1B，数据报最大长度为 $2^{16} - 1 = 65525 B$ 。
- 以太网帧的最大传送单元（MTU） 为1500B，当一个IP数据报被封装成帧时，帧长不能超过MTU值。
标识(16bit)
- 计数器，每产生一个数据报就加1，并赋值给标识字段。
- 当一个数据报的长度超过MTU时，分片后的每个数据报片都复制一次标识号，以便重装。
标志(3bit)
- 最高位无用
- 中间位为DF(Don't Fragment)
  - DF=0：允许分片
  - DF=1：禁止分片
- 最低位为MF(More Fragment)
  - MF=0：最后一个分片
  - MF=1：后面还有分片
片偏移(13bit)
- 指出较长分组在分片后，某一片在原分组中的相对位置。
- 片偏移以8个字节为偏移单位；除最后一片，其他分片都是8B的整数倍。
生存时间（TTL）(8bit)
- 数据报在网络中可通过的路由器数的最大值，标识分组在网络中的寿命，确保分组不会永远在网络中循环。
- 路由器转发分组前将其 TTL减1，若TTL为0则丢弃分组。
协议(8bit)；指出分组携带的数据使用哪种协议
- 值为 6 为TCP
- 值为 17 表示UDP
首部校验和(16bit)；只校验分组的首部，不校验数据部分。
源地址字段(4bit)；标识发送方IP地址。
目的地址字段(4bit)；标识接收方的IP地址。
可选字段(0~40B)：支持排错、测量以及安全等措施。
填充：保证首部长度为4B的整数倍。

IP数据报分片

最大传送单元 MTU：数据链路层数据帧可封装数据的上限；以太网的MTU为1500字节。
- 因此网络层的首部 + 数据部分的最大长度就为1500B。
- 分片时，分组从 0 开始，通过将没一个分组的 $\frac{起始分组号}{8}$ 得到片偏移量。

WARNING

每一个分片的长度一定是8B的整数倍。

TIP

例：已知数据报首部为20B，数据部分为3800B，将其分为长度不超过1420B的数据报片每一片的数据部分长度： $1420 - 20 = 1400$ 分为三片： $1400 + 1400 + 1000 = 3800$ 分别的偏移量：

第一片： $0 \div 8 = 0$
第二片： $1400 \div 8 = 175$
第三片： $2800 \div 8 = 350$

「IPv4」IPv4地址

分类的IP地址

特殊的IP地址

IP地址	作为源地址	作为目的地址	用途
0.0.0.0	✔	❌	本网络范围内表示主机，路由表内表示默认路由
0.0.0.X	✔	❌	本网络范围内的某个特定主机
255.255.255.255	❌	✔	本网络广播地址
X.X.X.0	❌	❌	表示某一个网络
X.X.X.255	❌	✔	对特定网络进行广播
127.X.X.X	✔	✔	本地环回

私有IP地址

地址类别	地址范围	网段个数
A类	10.0.0.0~10.255.255.255	1
B类	127.16.0.0~127.31.255.255	16
C类	192.168.0.0~192.168.255.255	256

最大可用地址数量

	A类网络	B类网络	C类网络
最大可用网络数	- 减去全零（本地网络） - 减去127（本地环回）	- 减去128.0（不可指派）	- 减去192.0.0（不可指派）
最大可用主机数	- 减去全零（本网络） - 减去全一（255，广播）	- 减去全零（本网络） - 减去全一（255，广播）	- 减去全零（本机） - 减去全一（255，广播）

「IPv4」网络地址转化NAT

安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址
局域网中的每台设备使用私有IP，这些地址无法作为源地址和目的地址

每个路由器中存在一张NAT转换表，将私有地址+端口号与路由器IP+端口号一一对应，通过这一方法即可实现访问内网的计算机。

「IPv4」子网划分

分类IP地址的缺点

IP地址空间利用率低
两级IP地址不够灵活

什么是子网划分？

将原本IP地址的主机号再次进行划分，得到子网号+新的主机号

子网号能否全0全1看情况（是否采用CIDR）
主机号不能全0或全1
- 全0：本机
- 全1：广播
主机号至少要有两位子网划分后，网络对外仍然表现为一个网络，外部看不到内部网络中的子网划分。

子网划分的意义

增加子网的数量
减小广播域
减少主机数量
提高IP的利用率
不会增加网络的数量

「IPv4」子网掩码

将网络号的部分全部表示为1，主机号的部分全部表示为0，即得到子网掩码

对于两级IP地址（未划分子网），网络号部分为1，即为子网掩码
对于三级IP地址（划分子网），网络号+子网号的部分为1，即为子网掩码

IP地址与子网地址的计算

将IP地址与子网掩码逐位相与，即得到网络地址

TIP

相与：两个对应的位均为1，结果为1；否则结果为0

例 1

已知IP地址是 141.14.72.24，子网掩码是 255.255.224.0，求网络地址；
- IP 地址: 141.14.72.24 -> 二进制: 10001101.00001110.01001000.00011000
- 子网掩码: 255.255.224.0 -> 二进制: 11111111.11111111.11100000.00000000
- 网络地址: 10001101.00001110.01000000.00000000 -> 十进制: 141.14.64.0
故网络地址为141.14.64.0。
如果子网掩码是255.255.192.0，求网络地址。
- IP 地址: 141.14.72.24 -> 二进制: 10001101.00001110.01001000.00011000
- 子网掩码: 255.255.192.0 -> 二进制: 11111111.11111111.11000000.00000000
- 网络地址: 10001101.00001110.01000000.00000000 -> 十进制: 141.14.64.0
故网络地址为141.14.64.0。

常见的不同位数子网掩码表

二进制	十进制
10000000	128
11000000	192
11100000	224
11110000	240
11111000	248
11111100	252
11111110	254
11111111	255

「IPv4」使用子网时的分组转发

源路由器发送给目标路由器的路由表中，包含了以下信息：
- 目的网络地址
- 目的子网掩码
- 下一跳地址
目标路由器收到后，分组转发的算法顺序如下：
- 提取目标IP地址
- 将IP地址与自己网络中的各子网的子网掩码相与，结果与目的子网掩码对比
  - 有相同的子网掩码：直接交付
  - 没有相同的子网掩码：下一步
- 检查自己路由表中的特定主机路由（直接指向某个路由器）
  - 存在与目标IP匹配的特定主机路由：转发
  - 否则下一步
- 检查路由表中记录的的所有子网掩码，一一做与运算并对比
  - 存在与目标子网掩码相同的记录：按照路径转发
  - 否则下一步
- 转发到默认路由0.0.0.0进行处理
当分组的生命周期耗尽时，丢弃该分组，并转发报告分组出错。

「IPv4」无分类域间路由选择（CIDR）

（1）无分类编址

不再采用网络号+子网号+主机号的方式，放弃了ABC类地址划分的概念。
CIDR记法：使用一定长度的位代表网络前缀，表示为IP地址/网络前缀位数，如128.14.32.0/20
网络前缀的位数是可变的，网络前缀相同的地址合称为一个地址块。

例：128.14.35.7/20是某CIDR地址块中的一个地址，分析这个地址块

二进制表示：10000000 00001110 00100011 00000111
地址块内主机数： $2^{12} = 4096$
最小地址：10000000 00001110 00100000 00000000（128.14.32.0）
最大地址：10000000 00001110 00101111 11111111（128.14.47.255）
所在地址块：10000000 00001110 00100000 00000000（128.14.32.0）
地址掩码：11111111 11111111 11110000 00000000（255.255.240.0）

（2）构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。

例：将206.1.0.0/17与206.1.128.0/17构成超网

原始子网信息:
- 子网1: 206.1.0.0/17 (范围: 206.1.0.0 到 206.1.127.255)
- 子网2: 206.1.128.0/17 (范围: 206.1.128.0 到 206.1.255.255)
检查这两个子网的网络位:
- 206.1.0.0/17 -> 二进制表示: 11001110.00000001.00000000.00000000
- 206.1.128.0/17 -> 二进制表示: 11001110.00000001.10000000.00000000
找到共同的前缀:
- 两个地址的前 17 位是相同的。
- 超网掩码的长度应该是比 17 位更短，以便涵盖这两个子网。
选择适当的子网掩码:
- 最小共同前缀长度是前 16 位。
- 所以新的子网掩码为 /16。所构成的超网为206.1.0.0/16

（3）最长前缀匹配

使用CIDR时，通过跟网络掩码按位相与查找路由表，可能得到几个匹配结果，选择具有最长网络前缀的作为下一跳路由
- 前缀越长，地址块越小，路由越具体

第四节 ARP、DHCP、ICMP

「协议」ARP协议

（1）发送数据的过程

应用层：产生报文
传输层：根据大小将报文分为报文段
网络层：将报文段加上IP地址（源主机和目的主机），形成（IP数据报）分组
数据链路层：将分组加上MAC地址（源主机和目的主机）和FCS
物理层：通过数字或模拟方式传输

（2）网络层数据传输的具体过程

解决下一跳走哪的问题

ARP高速缓存：每台主机中都有的，IP地址与MAC地址的映射

在链路层传输数据报分组时，必须以MAC地址的形式传递，因此需要使用ARP协议来获得目的主机的MAC地址，过程如下：

1）查找ARP高速缓存
- 首先查找本机的ARP缓存中有没有目的IP对应的MAC地址，如果有则直接填入
2）当目的主机在局域网内时
- 送的请求分组中目的MAC地址为全1，表示广播分组
- 返回的响应分组中包括了目的MAC地址，直接填入即可

3）当目标主机不在本网络时
- 通过本机的子网掩码和目标地址做与运算，发现目标IP不在一个网段内
- 目的MAC地址设为默认网关（本网络出口路由器）的MAC地址
  - 获取默认网关的MAC地址的方法仍然为通过ARP协议
- 之后的传输交由路由器处理

4）由路由器传到下一个路由器
- 源IP和目的IP不变
- MAC地址改为相应的路由器MAC地址
5）由路由器到本网络内主机
- 源路由器通过ARP协议获得目的主机的MAC地址
- IP地址仍然为最初的地址
- MAC地址为路由器地址和获得的目的主机MAC地址

ARP协议

功能：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射
过程：
- 检查ARP高速缓存
  - 有对应表项则写入MAC帧
  - 没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组
- 目的主机收到请求后就向源主机单播一个ARP响应分组
- 源主机收到后将此映射写入ARP缓存（10-20min更新一次）

WARNING

以太网帧的源和目的MAC地址：上、下一条的MAC地址
IP数据报的源和目的IP地址：最接近源/目的地址的公网IP地址

「协议」DHCP协议

动态主机配置协议DHCP

是应用层协议
使用客户/服务器方式
客户端和服务端通过广播方式进行交互
基于UDP

DHCP协议的过程

主机广播DHCP发现报文
- 试图找到网络中的服务器，服务器获得IP地址
DHCP服务器广播DHCP提供报文
- 服务器拟分配给主机一个IP地址及相关配置
- 先到先得
主机广播DHCP请求报文
- 主机向服务器请求提供IP地址
DHCP服务器广播DHCP确认报文
- 正式将IP地址分配给主机

「协议」ICMP协议

在网络层，使用网际控制报文协议（ICMP） 来让主机和路由器报告差错和异常情况。
ICMP报文在首部的类型字段中表明此条报文的种类。

（1）ICMP差错报文

差错报文的类型
- 终点不可达：无法交付
- 源点抑制（已取消）：拥塞丢数据
- 时间超过：报文生存时间TTL=0，丢弃部分已收到的数据报片
- 参数问题：首部字段有问题
- 改变路由（重定向）：有更好的路由
差错报文的组成
- ICMP差错报文本身是一个IP数据报
不发送差错报文的情况
- 对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文
- 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文
- 对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文
- 对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报不发送ICMP差错报告报文

（2）ICMP询问报文

回送请求和回答报文：能否PING通
时间戳请求和回答报文：获得时间戳
掩码地址请求和回答报文
路由器询问和通告报文

（3）ICMP应用

PING：测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文
traceroute：跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文
- 发送一连串的报文，TTL依次设置为1、2、3……
- 每到一个新的路由，就有一个数据报生命周期结束
- 不断接受差错报告报文

第五节 IPv6

「IPv6」数据报结构

数据报结构

首部（固定40B）
- 版本：协议版本，IPV6
- 优先级：数据报的优先级
- 流标签：从特定源点到特定终点的一系列数据报称为一个“流”，属于同一个流的数据报拥有相同的流标签（类似IPV4的分组标签）
- 有效载荷长度：有效载荷部分的大小（扩展首部+数据部分）
- 下一个首部：标识下一个首部（扩展首部）
  - 每一个扩展首部中也有此字段
- 跳数限制：类似IPV4的TTL
- 源地址、目的地址：共计128位
有效载荷（最大64KB，即64×210 B=65535 B64×210 B=65535 B）
- 包括原IPV4首部中的扩展首部部分

「IPv6」IPv4与IPv6的区别与过渡

IPv4与IPv6的区别

地址：将地址长度从32位（4B）扩展到128位（16B）
IPV6移除了校验和字段，减少每跳的处理时间
IPv6将IPv4的可选字段移出首部，提高了路由器的处理效率
IPv6支持即插即用（即自动配置），不需要DHCP协议
IPv6首部长度必须是8B的整数倍，IPv4首部是4B的整数倍
IPv6只能在主机处分片，IPv4可以在路由器和主机处分片
- 通过ICMPv6差错报告报文报告数据报过大，主机重新分片
IPv6取消了协议字段，改成下一个首部字段
IPv6取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段
IPv6取消了服务类型字段
IPv6支持资源的预分配

IPv4到IPv6的过渡

双栈协议：设备同时启用IPV4和IPV6协议栈
隧道技术：设备使用隧道协议，隧道协议能够将其他协议的数据包重新封装并通过隧道发送

「IPv6」地址表示

一般形式：4BF5:0000:0000:0000:BA5F:039A:000A:2176
压缩形式：4BF5:0:0:0:BA5F:39A:A:2176（舍弃前面的0，每一位至少保留一位数字）
零压缩：4BF5::BA5F:039A:000A:2176（将连续的0用::表示）

WARNING

零压缩在一个地址中只能使用一次。

「IPv6」基本地址类型

单播
- 一对一通信
- 可做源地址+目的地址
多播
- 一对多通信
- 可做目的地址
任播
- 一对多中的一个通信
- 可做目的地址

第六节 IP组播

「IP组播」IP数据报的三种传输方式

单播：点对点传输
广播：点对多传输
组播（多播）：点对多点传输
- 网络中有多个用户需要数据
- 组播发送者仅发送一次
- 数据到达离用户尽可能近的节点处再进行复制和分发

「IP组播」IP组播地址

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备
属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址
组播地址的范围是224.0.0.0~239.255.255.255（D类地址）
- 不是所有D类地址都是组播地址（排除掉已经被指派的）
组播地址只能作为目的地址
- 源地址只能为单播地址
组播采用UDP连接，不提供可靠交付
对组播数据报不产生ICMP差错报文

「IP组播」硬件组播

TIP

硬件组播：局域网内的组播组之间的组播 因特网范围内组播：组播组成员不在一个局域网内

同单播地址一样，组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。

组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头
余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到
TCP/IP协议使用的以太网多播地址的范围是：从 01-00-5E-00-00-00 到 01-00-5E-7F-FF-FF

由于有5位舍弃不用，可能会导致有不同的组播地址映射为了相同的MAC地址，需要在IP层进行过滤，舍弃掉不是本机需要的部分。

「IP组播」网际组管理协议IGMP

IGMP协议让路由器知道本局域网上是否有主机（的进程）参加或退出了某个组播组。
IGMP不知道本局域网有几台参加组播组的设备
IGMP不知道参见组播组设备的位置

IGMP工作流程

某主机要加入组播组
1. 该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声明自己要称为该组的成员
2. 本地组播路由器收到IGMP报文后，利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器
本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还是组播组的成员
- 有一个主机对某个组响应
  - 组播路由器就认为这个组是活跃的
  - 其他主机（若存在）不再发送对探询的响应
- 经过几次探询后没有一个主机响应
  - 组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机
  - 后续不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器

TIP

成员关系指的是本局域网内有无此组播组的成员
不再转发则代表已经没有成员了

「IP组播」组播路由选择协议

组播路由选择协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。

TIP

使用树型结构可以避免在路由器之间兜圈子。

组播路由选择算法

基于链路状态的路由选择
基于距离-向量的路由选择
协议无关的组播（稀疏/密集）：即组播组之间的距离远近

第七节移动IP

「移动IP」概念

移动IP技术是移动结点（计算机/服务器等）以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。

移动结点：具有永久IP地址的移动设备
归属代理（本地代理）
- 一个移动结点的永久“居所”称为归属网络
- 在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理
永久地址（归属地址/主地址）：移动站点在归属网络中的原始地址
外部代理（外地代理）：在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体称为外部代理
转交地址（辅地址）：可以是外部代理的地址或动态配置的一个地址

「移动IP」通信过程

主机A刚进入外部网络

获得外部代理的转交地址（外部代理广播报文）
移动节点通过外部代理发送注册报文给归属代理（包含永久地址&转交地址）
归属代理接收请求
- 将移动节点的永久地址和转交地址绑定（以后到达该归属代理的数据报且要发往移动节点的数据报将被封装并以隧道方式发给转交地址）
- 返回注册响应报文
外部代理接收注册响应，并转发给移动节点

主机A进入新的外部网络

在新的外部代理注册转交地址
新的外部代理发送给本地代理发送新的转交地址，覆盖旧的
开始通信

主机A回到原始网络

向本地代理注销转交地址
以原始方式通信

第八节网络层设备

「路由器」组成

路由器：路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。

路由选择
- 路由选择处理机（核心设备）
  - 根据所选定的路由选择协议构造出路由表
  - 经常或定期地和相邻路由器交换路由信息而不断的更新和维护路由表
- 路由表
分组转发
- 交换结构（核心设备）：根据转发表对分组进行转发
  - 若收到RIP/OSPF分组等，则把分组送往路由选择处理机
  - 若收到数据分组，则查找转发表并输出
- 转发表：由路由表转换得来
- 输入端口
- 输出端口

「路由器」输入、输出端口对分组的处理

输入端口
- 物理层：从线路上接收数据
- 数据链路层：按照协议处理数据
- 网络层：对收到的分组进行排序、查表和转发（产生时延）
  - 输入端口的查表和转发功能在路由器的交换功能中是最重要的
输出端口
- 网络层：使用缓冲区存储待发送分组队列（产生时延）
- 数据链路层：对数据进行封装
- 物理层：将数据发送到链路上

WARNING

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，即发送速度跟不上接收速度导致缓冲区被填满。

「路由器」三层设备的区别

路由器（网络层）：可以互联两个不同网络层协议的网段
网桥（数据链路层）：可以互联两个物理层和链路层不同的网段
集线器（物理层）：不能互联两个物理层不同的网段

「路由器」路由表与路由转发

路由表
- 路由表根据路由选择算法得出的
- 主要用途是路由选择
- 总用软件来实现
转发表
- 转发表由路由表得来
- 可以用软件实现，也可以用特殊的硬件来实现
- 转发表必须包含完成转发功能所必需的信息，在转发表的每一行必须包含从要到达的目的网络到输出端口和某些MAC地址信息的映射

第四章 网络层 ​

第一节 网络层的功能 ​

「网络层」网络异构互联 ​

「网络层」主要功能 ​

「网络层」SDN ​

第二节 路由算法 ​

「路由算法」静态路由 ​

「路由算法」动态路由 ​

「路由算法」层次路由 ​

「路由算法」距离向量 RIP算法 ​

「路由算法」链路状态路由 OSPF算法 ​

第三节 IPv4 ​

「IPv4」IPv4分组 ​

「IPv4」IPv4地址 ​

「IPv4」网络地址转化NAT ​

「IPv4」子网划分 ​

「IPv4」子网掩码 ​

「IPv4」使用子网时的分组转发 ​

「IPv4」无分类域间路由选择（CIDR） ​

第四节 ARP、DHCP、ICMP ​

「协议」ARP协议 ​

「协议」DHCP协议 ​

「协议」ICMP协议 ​

第五节 IPv6 ​

「IPv6」数据报结构 ​

「IPv6」IPv4与IPv6的区别与过渡 ​

「IPv6」地址表示 ​

「IPv6」基本地址类型 ​

第六节 IP组播 ​

「IP组播」IP数据报的三种传输方式 ​

「IP组播」IP组播地址 ​

「IP组播」硬件组播 ​

「IP组播」网际组管理协议IGMP ​

「IP组播」组播路由选择协议 ​

第七节 移动IP ​

「移动IP」概念 ​

「移动IP」通信过程 ​

第八节 网络层设备 ​

「路由器」组成 ​

「路由器」输入、输出端口对分组的处理 ​

「路由器」三层设备的区别 ​

「路由器」路由表与路由转发 ​

第四章网络层

第一节网络层的功能

「网络层」网络异构互联

「网络层」主要功能

「网络层」SDN

第二节路由算法

「路由算法」静态路由

「路由算法」动态路由

「路由算法」层次路由

「路由算法」距离向量 RIP算法

「路由算法」链路状态路由 OSPF算法

第三节 IPv4

「IPv4」IPv4分组

「IPv4」IPv4地址

「IPv4」网络地址转化NAT

「IPv4」子网划分

「IPv4」子网掩码

「IPv4」使用子网时的分组转发

「IPv4」无分类域间路由选择（CIDR）

第四节 ARP、DHCP、ICMP

「协议」ARP协议

「协议」DHCP协议

「协议」ICMP协议

第五节 IPv6

「IPv6」数据报结构

「IPv6」IPv4与IPv6的区别与过渡

「IPv6」地址表示

「IPv6」基本地址类型

第六节 IP组播

「IP组播」IP数据报的三种传输方式

「IP组播」IP组播地址

「IP组播」硬件组播

「IP组播」网际组管理协议IGMP

「IP组播」组播路由选择协议

第七节移动IP

「移动IP」概念

「移动IP」通信过程

第八节网络层设备

「路由器」组成

「路由器」输入、输出端口对分组的处理

「路由器」三层设备的区别

「路由器」路由表与路由转发