计算机网络第五章--网络层

引言
- 网络层功能
  - 转发forwarding：将分组从路由器的输入端口转移到正确的路由器输出端口
  - 路由routing：确定分组从发送方传输到接收方（目的主机）所经过的路径（或路由）
- 网络层：数据平面和控制平面
  - 数据平面：本地的，每个路由器内部的功能，实现转发
  - 控制平面：整个网络范围，实现路由
虚电路和数据报网络
- 连接和无连接服务
  - 数据报网络提供网络层的无连接服务
  - 虚电路网络提供网络层的连接服务
  - 传输层：面向连接服务在网络边缘的端系统中实现
  - 网络层：面向连接服务在端系统及网络核心的路由器中实现
- 虚电路
  - 源主机-目的主机路径的行为类似于电话网络的行为
  - 在数据传输之前，需要为每个呼叫建立连接
  - 网络功能复杂、端系统设备简单
- 数据报网络
  - 特点
    - 路由器：不需要维护端到端连接的状态
    - 没有网络等级的“连接”的概念
    - 使用目的主机的地址进行分组转发
    - 网络层服务模型简单，端系统功能复杂（由运输层等高层实现）
  - 数据转发
    - 数据报转发表：目的地址范围对应输出链路
    - 最长前缀匹配
路由器的工作原理
- 两个核心功能
  - 运行路由算法/协议（OSPF、RIP、BGP）
  - 将分组从路由器的输入链路传送到正确的输出链路
- 输入端口功能
  - 第一个线路端接模块：将一条物理链路端接到路由器的物理层；
  - 第二个数据链路处理模块：实现路由器的数据链路层功能；
  - 第三个查找与转发模块：实现查找与转发功能，以便分组通过路由器交换结构转发到适当的输出端口；
- 交换结构：将分组从输入端口缓冲交换到恰当的输出端口缓存中
  - 经内存的交换结构
    - 输入端口与输出端口之间的交换由CPU(选路处理器)控制完成；
    - 输入端口与输出端口类似I/O设备：
      - 当分组到达输入端口时，通过中断向选路处理器发出信号，将分组拷贝到处理器内存中；
      - 选路处理器根据分组中的目的地址查表找出适当的输出端口，将该分组拷贝到输出端口的缓存中。
  - 经总线的交换结构
    - 输入端口通过一条共享总线将分组直接传送到输出端口，不需要选路处理器的干预。
  - 经纵横式crossbar（交换矩阵）的交换结构
    - 纵横式交换机：由2n条总线组成，n个输入端口与n个输出端口连接。
    - 到达输入端口的分组沿水平总线穿行，直至与所希望的输出端口的垂直总线交叉点：
    - 若该条垂直总线空闲，则分组被传送到输出端口；
    - 否则，该到达的分组被阻塞，必须在输入端口排队。
IP协议（划重点）
- IP数据报
  - 20个字节的首部长度
  - 分片和重组
  - MTU：数据链路帧的数据区的最大字节数
- IP地址
  - 简介
    - IP 地址: 分配给主机或路由器接口的标识符
    - 每个接口有一个IP地址
    - IPV4：32个二进制位长（4字节），常用点分十进制表示；
    - IPV6：128个二进制位长（16字节）常用冒号分隔表示
  - IPv4
    - IP地址结构
      - 网络号：指明主机所在网络的编号
      - 主机号：主机在网络中的编号
    - 传统的IP地址分类
      - 全0表示本地地址，全1表示在本地网络中向所有机广播。
      - A类地址（1. 0. 0. 1－127.255.255.254）：利用IP地址的第一个字节作为网络地址，最高位为0，其余的三个字节作为主机地址。
      - B类地址（128.0.0.1－191.255.255.254 ）：利用IP地址的前两个字节作为网络地址，最高位为10，其余的两个字节作为主机地址
      - C类地址（192.0.0.1－223.255.255.254 ）：利用IP地址的前三个字节作为网络地址，最高位为110，最后一个字节作为主机地址
      - 本地地址localhost（127.0.0.1-127.255.255.254 ）：这是预留的一组IP地址，主要是用来识别主机本身的地址
      - 私有地址（10.x.x.x, 172.16.x.x-172.31.x.x, 192.168.x.x ）：局域网所使用的地址段，在公网上不能被路由
- 划分子网
  - 方法：从主机号借用若干个比特作为子网号，剩下的主机位为主机号
  - 子网掩码：子网掩码长为32位比特，其中的1对应于IP地址中的网络号和子网号，而子网掩码中的0对应于主机号。
  - 子网划分：对某个子网来说，主机号全0的地址不能用，它被用做表示该子网的子网号；主机号全1的也不能用，它用于本子网的广播。因此每个子网所能容纳的主机数是2^N-2，N是主机号位数。
- 无分类域间路由CIDR
  - 使用斜线记法，又称为CIDR记法来区分网络前缀和主机号，即在IP地址后面加上一个斜线“/”，斜线后面用一个数字指定网络前缀的长度。
- 动态主机配置协议DHCP（应用层协议）
  - 主机广播 “DHCP DISCOVER”消息
  - DHCP 服务器用 “DHCP OFFER” 消息响应
  - 主机请求IP地址: “DHCP REQUEST” 消息
  - DHCP 服务器确认 “DHCP ACK/NACK” 消息
  - DHCP 终止租用期 “DHCP RELEASE” 消息
- 网络地址转换NAT
  - 动机: 对外部网络来讲，本地网络只用一个IP地址
  - 在路由器上，通过NAT穿透实现本地地址和外网地址的转换
- 因特网控制报文协议ICMP
  - 用于主机路由器之间彼此交流网络层信息
    - 差错报告: 不可到达的主机, 网络,端口,协议
    - 请求/应答 (用于ping,traceroute)
  - 位于IP之上
    - 因为ICMP消息是装载在IP分组里的
  - Traceroute
    - 源端发送一系列的UDP分组给目的端
    - 当第n个分组到达第n个路由器时
      - 路由器丢弃该分组
      - 并给源端发送一个ICMP报文(type11, code 0)
      - 这个报文包含了路由器的名称和IP地址
    - 当源端收到ICMP报文时，计算传输往返时间RTT
    - 对每个TTL作三次
- IPv6
  - 固定长度的40字节首部
  - 冒号十六进：69DC:8864:FFFF:FFFF:0:1280:8C0A:FFFF
  - 从 IPv4 到 IPv6过渡
    - 双栈：一些路由器具有双重栈 (v6, v4) 能够在两种格式中转换
    - 隧道：在穿过IPv4路由器时，IPv6分组作为 IPv4分组的负载
路由和选路（重点、难点）
- 选路算法
  - 路由的基本概念
    - 默认路由器：与主机直接相连的路由器，又叫第一跳路由器。
    - 路由算法：是确定一个分组从源路由器到目的路由器所经路径的算法
  - 路由算法分类
    - 全局路由算法：所有路由器拥有完整的网络拓扑信息和链路费用信息。
      - 链路状态路由算法LS：必须知道网络中每条链路的费用。
    - 分布式路由算法：以迭代的、分布式的方式计算最低费用路径。
      - 距离向量路由算法DV：每个节点维护到网络中所有其他节点的费用（距离）的估计向量。
  - 链路状态选路算法（Dijkstra最低费用路径算法）
    - 基本思想：以源节点为起点，每次找出一个到源节点的费用最低的节点，直到把所有的目的节点都找到为止。
    - 术语定义
      - c(x,y)：表示从节点x到y的链路费用;
      - D(v)：表示从源节点到目的节点v的当前路径的费用；
      - p(v)：表示从源节点到目的节点v的路径上的前驱节点(例如w是v的前驱节点)；
      - N’：表示已经找到最低费用路径的节点集合。
    - 算法描述
      - 1. 初始化结点D(v)=c(u,v)
      - 2. 找出一个到源节点的费用最低的节点w，并以此更新其它点D(v)值
        D(v)=min[D(v)，D(w)+c(w,v)]
      - 3. 重复步骤2，直到添加所有网络节点
    - 构建最低费用路径树、转发表
- 距离向量路由算法DV
  - 最低费用表示
    - Bellman-Ford方程：dx(y) = minv{c(x,v)+ dv(y)}
    - dx(y)：节点x到节点y的最低费用路径的费用。
    - v: 节点x的邻居节点。
    - c(x,v)+dv(y)：x与某个邻居v之间的直接链路费用c(x,v)加上邻居v到y的最小费用。即x经v到节点y的最小的路径费用。
    - minv ：从所有经直接相连邻居节点到节点y的费用中选取的最小路径费用。
  - 距离向量DV路由算法
    - 1. 每个节点初始化自己的距离向量表
    - 2. 和相邻节点交换自己的距离向量表，利用BF方程计算最低费用更新
    - 3. 重复步骤2，直到距离向量不再更新
  - 链路费用改变与链路故障
    - 某链路费用减少时情况
      - 节点之间链路费用减少的“好消息”在网络中能迅速传播。
    - 某链路费用增加时情况
      - 产生“选路回环”：为到达x， y通过z选路，z又通过y选路。
      - 链路费用增加的“坏消息”传播很慢！
      - 迭代次数计算
层次选路
- 自治系统
  - 一个区域内的路由器组成集合“自治系统” (AS，autonomous system )
  - 同一个自治系统的路由器运行相同的路由协议——区域内路由协议
  - 不同自治系统内的路由器可以运行不同的区域内路由协议
- 域（自治系统）内路由选择
  - RIP：路由信息协议
  - OSPF：开放最短路径优先
  - IGRP：内部网关路由协议（Cisco 所有）
- RIP（Routing Information Protocol）
  - 距离向量算法
  - RIP 通告：每隔30秒,通过响应报文在邻居间交换距离向量
  - RIP链路失败及恢复：若180秒后没有收到通告，则认为邻居死机或链路中断
- OSPF（Open Shortest Path First）
  - 用链路状态算法
    - 分发LS 分组
    - 每个节点具有拓扑图
    - 路由计算使用 Dijkstra算法
  - 每个router都广播OSPF通告，OSPF通告里为每个邻居路由器设一个表项（记录每个邻居的链路特征和费用）。
  - 通告会散布到整个自治系统 (通过洪泛法)
    - OSPF信息直接通过IP传输 (不是 TCP 或 UDP）
- Internet 域间选路：BGP
  - 选路方法
    - 从相邻AS获取子网可达信息
    - 向该AS内部的所有路由器传播这些可达性信息
    - 基于该可达信息和AS策略，决定到达子网的“好”路由
    - 允许一个子网向Internet的其他部分通告它的存在 “I am here”