网络层
网络层
概述
两个观点
让网络负责可靠交付
网络提供数据报服务
两种服务
虚电路服务
数据报服务
两个层面
控制面
转发面（数据面
网际协议IP
虚拟互连网络
IP地址
32位
二级结构
- 网络号，主机号
分类
A类
前8位网络号，第一位为0
- 1～126
B类
前16位网络号，前两位为10
- 128.1～191.255
C类
前24位网络号，前三位为110
- 192.0.1~223.255.255
D类
多播地址
- 前4位为1110
E类
保留地址
- 前4位为1111
专有地址
10.0.0.0~10.255.255.255
172.16.0.0~172.32.255.255
192.168.0.0~192.168.255.255
特殊地址
全1
- 在本网络上广播，路由器不转发
主机号全1
- 对本网络号上的所有主机广播
全0
- 网络主机
主机号全0
- 本网络上的某台主机
127.0.0.1
- 环回地址
无分类编址CIDR
全名：无分类域间路由选择CIDR
网络前缀
将IP中的网络号改称为“网络前缀”
位数不固定，0~32
地址块
地址掩码(子网掩码)(address mask)
32位
由一连串1和接着的一连串0组成
目的：让机器从IP地址迅速算出网络地址
网络地址 = 二进制IP地址 AND 子网掩码
划分IP子网
概念
将IP地址的两级结构扩充位三级结构
向高位主机号借位
常常结合VLAN技术
划分方法
高序占用主机号前m位，得到2^m个子网
主机号余位n，每个子网2^n-2个主机（减去全0全1）
IP超网
- 向低位网络号借位
IP地址与MAC地址
MAC-数据链路层 IP-网络层及以上
地址解析协议ARP
根据网络层使用的IP地址，解析出数据链路层使用的硬件地址
作用范围：直连的网络（同一个二层广播网络）
ARP请求-广播；ARP响应-单播
请求方广播，相应IP的主机回应，请求方收到后写入ARP缓存
ARP缓存
- 存放最近获得的IP地址到MAC地址的绑定，以减少ARP广播的数量
逆地址解析协议RARP
- 使只知道自己MAC地址的主机能够通过协议RARP找出其IP地址
IP数据报
首部（20-60字节
固定部分20字节
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
最低位MF（More Fragment）
中间的一位DF（Don't Fragment）
只有0和1
片偏移：13位
分片后，某片在原分组中的相对位置
单位：8个字节
生存时间TTL：8位
- 单位：跳数
协议：8位
- 判断给谁
首部校验和：16位
只检验数据报的首部（不包括数据部分）
反码算术运算
- 发送方：把数据报首部分为多个16位字的序列，并把校验和字段置零，将所有字段相加后取反，加入校验和字段；接收方：将包含校验和的所有字段相加后取反，结果为0则保留
数据报每经过一个路由器，都要重新算一次首部校验和（首部变化）
源地址：32位
目的地址：32位
可变部分0-40字节
转发方式
同网络直接交付
不同网络间接交付
IP层转发分组
路由器转发过程
折帧
- 拆开数据帧1，取出IP包，提取目的IP地址
查表
- 查找路由表，找到目标子网对应的路由器接口
封帧
- 产生新的数据帧，将帧2从接口转发
路由表
目的网络/掩码
协议类型
开销
优先级
标志
下一跳
出接口
最长前缀匹配
- 多个匹配的前缀，选择前缀最长的
分组转发算法
AND与运算：目的地址 与 本网络子网掩码
路由
主机路由
最长前缀匹配
默认路由
路由决策原则
最长匹配原则
最小管理距离原则
最小度量值原则
网际控制报文协议ICMP
种类
ICMP差错报告报文
终点不可达（类型值3）
时间超过（类型值11）
- Traceroute
参数问题（类型值12）
改变路由（重定向）（类型值5）
格式：ICMP的前8字节+IP数据报首部+数据字段前8字节
ICMP询问报文
回送请求或回送回答（类型值8或0）
- PING
时间戳请求或时间戳回答（类型值13或14）
IPv6
解决IPv4地址耗尽
主要变化
更大的地址空间（128位）
- IPv4为32位
扩展的地址层次结构
- 地址空间大，可划分为更多的层次
灵活的首部格式
- 定义了许多可选的扩展首部
改进的选项
- 允许数据报包含有选项的控制信息，因而可包含新的选项
允许协议继续扩充
- IPv4的功能是固定不变的
支持即插即用（即自动配置）
- 不需要使用DHCP
支持资源的预分配
- 支持实时视像等要求保证一定的带宽和时延的应用
首部改为8字节对齐（长度为8字节的整数倍）
- IPv4为4字节对齐
组成部分
基本首部(base header)
40字节
字段
版本（4位）
通信量类（8位）
流标号（20位）
有效载荷长度（16位）
下一个首部（8位）
跳数限制（8位）
源地址（128位）
目的地址（128位）
有效载荷(payload)(净载荷)
不超过65535字节
允许有零个或多个拓展首部(extension header)
IPv6的地址
基本类型地址
单播
多播
任播
记法
点分十进制
冒号十六进制
路由选择协议
概念
动态
内部网关协议IGP、外部网关协议EGP
内部
RIP
OSPF
外部
- BGP
基于距离矢量、基于链路状态
域间路由选择、域内路由选择
域内
RIP
OSPF
域间
- BGP
RIP
基于距离向量
“跳数”不大于15
收到RIP报文，修改：“下一跳”地址，“距离”+1
若原路由表无目的网络Net，则添加；否则，若“下一跳”路由器地址恰好为发RIP报文的路由器，无条件替换相应路由表；否则，比“距离”大小，若新的较小，则更新。
UDP，端口号520
特点
仅和相邻路由器交换信息（广播）
交换自己现在的路由表
按固定时间间隔交换路由信息
优缺点
- 好消息传播快，坏消息传播慢
OSPF
基于链路状态
IP，协议号89
特点
向本自治系统中所有路由器发送消息
洪泛法
路由器通过所有输出端口向所有相邻的路由器发送消息
每一个相邻路由器又再将此消息发往其所有相邻路由器（不发给发来消息的那个路由器）
发送：本路由器相邻的所有路由器的链路状态
- “链路状态”：与那些路由器相邻，以及该链路的“度量”
当链路状态发生变化/每隔一段时间更新
其他特点
对于不同类型的业务可计算出不同的路由
可实现多路径间的负载均衡
支持可变长度的子网划分和无分类编址CIDR
优点
- 更新过程收敛得快
划分区域
将一个自治系统划分为若干个更小的范围
优点
减少整个网络上的通信量
减少需要维护的状态数量
加速收敛
限制不稳定到一个区域
提高网络性能
缺点
交换信息的种类增多
使OSPF协议更复杂
OSPF路由计算过程
生成、发送LSA
集合LSA，生成LSDB
将LSDP转换为带权有向图
生成以自己为根的最短路径树
五种分组类型
问候（Hello）
数据库描述（DBD）
链路状态请求（LSR）
链路状态更新（LSU）
链路状态确认（LSAck）
工作流程
建立路由器的邻居关系
进行必要的DR/BDR选举
链路状态数据库的同步
产生路由表
维护路由信息
BGP
基于路径
TCP，端口号179
BGP路由
边界路由器（边界网关）（eBGP）
内部路由器（iBGP）
iBGP可转发给eBGP，反之亦可
iBGP之间不可转发
eBGP不可将来自iBGP的信息转发给另一个iBGP
BGP的路由选择（有序）
1.本地偏好LOCAL-PREF值最高的
2.AS跳数最少的
3.使用热土豆路由选择算法
4.BGP标识符的数值最小的
路由器的构成
结构
路由选择
- 控制层面（软件）
分组转发
- 数据层面（硬件）