计算机网络-第4章 网络层
4.1网络层的几个重要概念
4.1.1网络层提供的两种服务
电信网面向连接通信方式，虚电路VC。
互联网设计思路：网络层应尽可能简单，在其之上仅传输灵活可靠的数据包服务以最大限度满足需求。
网络层不提供服务质量的承诺，由主机中的运输层负责。
虚电路服务与数据报服务的主要区别如下：
①网络对可靠通信承担了保障责任而用户主机负责这一任务。
②必须建立连接是虚电路服务的一个必要特征。
③终点地址在虚电路阶段仅用于短号配置，在数据报阶段则采用完整的IP地址标识。
④当节点发生故障时所有经过出节点的虚拟通道都会停止运行。
对于数据报服务出故障的节点可能导致分组丢失并引起路由路径的变化。
⑤分组传输顺序方面虚拟通道传输必然是按照发送顺序到达目的地。
而数据报服务则不具备这种强制性规定。
⑥端到端的差错处理和流量控制功能在虚拟通道服务中可以由网络或者用户主机来执行。
而在数据报服务中则只能由用户主机来完成这些任务。
4.1.2网络层的两个层面
路由器之间传送的信息分类：
①转发源主机和目的主机之间所传送的数据。
②传送路由信息。
在数据层面通过查找到的对应接口将收到的数据分组传递给相应的处理节点，在控制层面上各路由器通过与其他相邻路由器交换路由信息来构建自身所在的网络拓扑结构
4.2网际协议IP
目前为IPv4，较新版本有IPv6
与协议IP配套使用的三个协议：
①地址解折协议ARP。②网际控制报文协议ICMP。③网际组管理协议IGMP。
4.2.1虚拟互连网络
没有一种单一的网络能够适应所有用户的需求。
①在物理层中使用的设备统称为转发器；②数据链路层的主要设备包括网桥、桥接器以及交换机；③网络层的中枢设备通常被称为路由器；④位于网络层以上的设备统称为网关
在历史背景下，在众多关于TCP/IP的文献中曾经出现过将网络层使用的路电器称为网关的做法
同一台主机与另一台主机之间可以通过网络直接通信。无需通过任何路由器即可实现直接通信；例如，在网络中可以通过路由器将数据传输到另一台主机。相反的情况是间接通信。
互联网可以由多种异构网络互连组成。
4.2.2IP地址
1，IP地址及其表示方法
从整体上看, 互联网本质上是一个统一而抽象的信息网络. IP地址是为连接到互联网的所有主机和路由器的各个接口分配的一个唯一标识码. 其意义在于该IP地址不仅代表了一个特定主机本身, 并且也代表了它所连接的那一段网络.
两级结构：第一个字段是网络号，第二个字段是主机号。
IP地址指明了连接到某个网络上的一个主机或路由器。
2，分类的IP地址
其中A型网络号占用8位、B型占16位、C型占24位。其中n代表网络号占用的总位数。ABC三型均为单播地址、D型为多播地址、E型属于保留地址
3，无分类编址CIDR
无分类域间路由选择CIDR
要点：①采用斜线分隔符将网络号称为网络前缀。
②所有具有相同网络部分且连续的IP地址构成一个CIDR地址块。
③在CIDR表示法中, CIDR数值代表了子网掩码中1的数量。
三类特殊的地址块中包括：①当n值等于32时（记作n=32），该类地址主要用于主机路由功能；②当n值为31时（记作n=31），此类前缀专门用于建立独立的点对点连接；特别的是，在这种情况下（即当n=0时），对应的IP地址全部为零（全零状态），因此这种组合通常被指定为默认路由配置选项
CIDR编址另称为构造超网。
路由聚合：在路由器转发表中采用较大的单个CIDR地址块来替代多个较小的地址块；这种做法不仅缩减了转发表占用的空间，并且降低了查找所需的时间；实际上，在网络前缀较短的情况下（即包含较多IP地址），这样的策略能够有效减少资源消耗
- IP地址特点：①分为网络前缀和主机号两个组成部分。②标识一台设备与一条通信线路之间的连接关系。③通过转发器或交换机将多个局域网互联后仍构成一个统一的网络。④强调其公平性和对称性特征。
4.2.4地址解析协议ARP
实现IP到MAC地址的转换。所有主机均配置有 dedicated ARP high-speed cache structures, each storing the corresponding IP address mappings to MAC addresses within the same local network and associated routers.
过程：请求分组→收到请求分组→响应分组→收到响应分组。
通过自动化的解析流程将IP地址转换为MAC地址，并且普通用户并不了解或参与这种自动化的IP到MAC地址转换过程
4.2.5IP数据报的格式
其说明协议IP都具有什么功能。
一个IP数据报包括首部和数据两部分。其中的一部分长度固定不变，在其后边是一些可选字段，其长度是可以变化的。整个结构的最大字节数为60
各字段中头部固定部分的信息如下：版本号四位、头部长度四位、标识符 DS八进制数（8 bits）、总计长度十六进制数（16H）、标识符十六进制数（16H）、标志字段三位、片偏移十III移（13移）、生存时长八进制数（8 bits）、协议八进制数（8 bits）、头部校验码十六进制数（16H）、源地址 thirty-two bits、目的地址 thirty-two bits
该标志仅有一位具有意义价值的二进制位置，在这一位置上使用MF变量表示其状态：其中MF=1表示该位置被赋予了有意义的数值；当MF=0时，则表示该位置未被赋予任何有意义数值；此外，在这一标志中还包含有特殊的分片信息字段；在这些特殊字段中使用了一个区分变量DF来进一步区分不同的信息类型；当DF=1时，则无法对这些特殊字段进行进一步的信息划分操作；
生存时间TTL：定义为数据包在网络传输过程中的持续时间；每次路由器转发数据包时会减少其 TTL 值。
可变部分1到40字节，为了增加IP数据报功能。
4.3IP层转发分组的过程
①基于终点的转发：根据分组中的目的地址查找转发表。
②最长前缀匹配：主机路由又叫作特定主机路由。默认路由。
先基于终点转发，没有则最长前缀匹配，若有默认路由则使用默认路由。
4.6互联网的路由选择协议
1，理想路由算法：①正确完整。②简单。③有自适应性。④稳定性。⑤公平性。⑥最佳的。
两类：静态路由选择策略：相对简单且计算开销较低，在网络状态变化时表现不足；动态路由选择策略：具备良好的自适应能力但计算复杂度较高，并带来较大的计算开销。
路由选择协议：内部网关协议IGP。外部网关协议EGP。
不同自治系统之间的路由选择也可称为域间 routing 选择，在同一自主系统内部网络中的 routing 选 择则称为 domain internal routing 选择
4.6.2内部网关协议RIP
基于距离向量机制实现的路由选择协议要求每个路由器都维护自身至所有目的网络的距离记录；当两个节点之间的最短路径长度为16时，则认为它们之间不可达；该协议仅适用于规模较小的互联网环境
RIP协议在两个互连网络之间不支持共享多条路由信息以避免潜在冲突。该协议采用最短路径算法来实现网络内部节点之间的通信，在这种机制下 RIP 会优先选择连接最少数量节点的路由
特点：①仅与相邻的路由器进行信息交换。②每次交换的信息都是本 routers 所掌握的所有相关信息，并且即是自己的 routers. ③系统会定期按照固定的时间间隔进行 routing 信息更新
距离向量算法。好消息传播得快，坏消息传播得慢。
优：实现简单，开销较小。缺：限制了网络的规模，坏消息传播的慢。
4.6.5路由器的结构
路由器是一种具备多接口设计的网络设备。
主要功能是接收、转发和处理数据包。
其核心任务就是确保网络通信的高效可靠。
从结构上看, 路由器主要由两部分组成: 路由选择模块与分组转发模块. 在数据传输过程中, 仅需单个路由器完成转发功能; 然而, 在进行路径规划时需要多台路由器协同工作. 当探讨路径规划机制时，默认情况下我们使用的都是统一术语'路由表'来描述这些信息存储结构.
交换结构：①通过存储器，②通过总线，③通过互连网络。
4.8虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT
所有参与互联网通信的路由器仅当目的地址属于专用地址时的数据包不予转发。
其中包含以下几种类型的专用地址：包括但不限于：
· 私有通信服务网络（PAN）中的寻呼组广播 multicast
· 企业内部局域网广播 multicast
· 家庭或小型企业局域网内的广播 multicast
专用IP地址也叫作可重用地址。
所有通过互联网传送的数据都必须加密。外联网VPN，远程接入VPN。