【计网笔记04】计算机网络之ARP协议、DHCP协议、IPv6地址、RIP协议、网络层设备
这篇文章主要介绍了计算机网络中的网络层协议与相关技术。网络层的主要内容包括：
ARP协议：用于根据IP地址解析对应的MAC地址，支持同一局域网内的主机和不同局域网之间的主机之间的通信。
DHCP协议：动态分配IP地址的协议，采用UDP广播机制，在C/S模式下实现。
IPv6地址：取代IPv4地址的下一代互联网地址系统，支持更大的地址空间，并采用冒号十六进制表示法。
RIP协议：基于距离向量的路由选择协议，在小规模网络中广泛应用。
OSPF协议：开放最短路径优先协议，采用链路状态数据交换路由信息，在大规模网络中表现优异。
BGP协议：外部网关间基于AS（自治系统）进行可达性查询和路径交换的分组报文交换机制。
IP组播：一种多播传输方式，通过UDP实现单份报文分发给组播组中的所有成员。
文章还提到了网络层设备的相关知识及未来补充内容。
本文重点阐述计算机网络中的相关技术要点。
目录
一、网络层
1.1、ARP协议
1.2、DHCP协议
1.3、ICMP协议
（1）ICMP差错报文
（2）ICMP询问报文
1.4、IPv6地址
（1）IPv6数据报格式
（2）IPv4和IPv6区别
（3）IPv6地址表示
（4）IPv6和IPv4过渡策略
1.5、RIP协议
（1）协议介绍
（2）距离向量算法
1.6、OSPF协议
1.7、BGP协议
1.8、IP组播
1.9、网络层设备
一、网络层
1.1、ARP协议
该协议旨在实现IP address与MAC address之间的映射关系。这种机制通过解析IP address来确定对应的MAC address，在实际应用中具有重要意义。 MAC address作为网络设备唯一标识的核心工具，在实际通信中发挥着不可替代的作用。任何一台主机在需要确定某个IP address对应的具体MAC address时,必须依赖该机制来完成这一任务。
一台主机上，在发送数据时必须明确接收端和发送端的IP地址及MAC地址。当缺少对应设备的MAC地址信息时，则需通过ARP协议查询目标设备的MAC地址。可分为两大类：一种是本地计算机自带网络接口卡已知的情况；另一种是本地计算机仅带有网卡适配器而缺乏接口卡的情况。
- 第一种情况：发送主机（A）与接收主机（B）位于同一个局域网内。
- A会从ARP快照中获取B的MAC地址。
- 若快照中无B的MAC，则A发起广播ARP请求分组。
- 所有同网段主机将接收到该请求。
- 各主机接收到请求后会确认是否为自身目标。
- B收到请求后返回其MAC地址给A。
- A获得B的MAC地址后即可开始传输数据。
- 第二种情况：发送主机（A）与接收主机（B）位于不同的局域网内。
- A需通过默认路由器或网关转发请求。
- 路由器将请求进一步转发至目标网络中的相关设备。
- 目标路由器将在内部发起广播ARP请求分组。
- 当B接收到该请求时会返回其MAC地址给A。
- A获得B的MAC地址后即可执行传输操作。
ARP协议的4中典型情况：
- 设备A向本网络内的设备B传输数据时，在此情况下使用ARP协议确定设备B的MAC地址即可。
- 设备A向其他区域内的设备B传输数据时，在此情况下使用ARP协议确定默认routers（路由）端口所在的子网段上的端口 MAC 地址即可。
- 路由器向本网络内的设备A传输数据时，在此情况下使用ARP协议确定设备A（即目标 host）所在的物理链路端口 MAC 地址即可。
- 路由器向其他区域内的设备B传输数据时，在此情况下使用 ARP 协议确定目标 host 所处子网段上端口所属 next hop router 的 MAC 地址即可。
1.2、DHCP协议
该技术方案属于一种动态资源管理方法，在项目实施过程中遵循一定的规范化流程进行管理。遵循标准化操作规范进行数据采集与处理工作，并严格遵守既定的安全操作规程执行各项任务。
该技术方案属于一种动态资源管理方法，在项目实施过程中遵循一定的规范化流程进行管理。遵循标准化操作规范进行数据采集与处理工作，并严格遵守既定的安全操作规程执行各项任务。
DHCP协议工作的大致流程：
第一步：当主机A完成服务接入后，在线状态发生变更时会自动向当前局域网内发起广播请求探测。
第二步：DHCP服务器接收到该局域网内的广播请求后，在确认网络环境稳定的基础上主动发送一个网络扫描广播。
第三步：当主机A获取到有效的IP地址配置信息后立即向 DHCP 服务器发起新的请求。
第四步：DHCP 服务器确认资源可用后也会主动返回对应的主机IP地址配置信息。
1.3、ICMP协议
该协议作为网际层通信机制的核心部分，在互联网中扮演着重要角色，在数据传输过程中可实时获取错误信息并实施安全防护措施；支持该协议的应用场景包括终端设备与路由器之间的交互；其中包含两类典型报文形式：一类是用于报告传输中的错误状况的差错报告(Icmp Error Report)，另一类则是用于主动查询目标主机状态的询问报告(Icmp Query Report)。
（1）ICMP差错报文
ICMP差错报文可以分为5种情况，分别是：
- 终点不可达：接收端未能接收到所需数据。
- 拥塞控制：当发送数据流量超过接收端处理能力时，接收方将丢弃未处理的数据并返回ICMP差错报文。
- 时间超时：当接收到的数据TTL字段值为零时（即已过超时时间），ICMP差错报文将被返回。
- 参数问题：接收到的数据首部字段出现编码错误。
- 改变路由（重定向）：路由器根据动态路由机制自动调整路由请求方向。
ICMP差错报文的应用有Traceroute命令。
（2）ICMP询问报文
ICMP查询包在形式上采用单线应答机制，在这种机制下受询设备A向发问设备B发起一个查询请求包；当发问设备B接收到该请求包后会响应后返回相应的查询响应包。其应用场景包括广为人知的用途之一是用于Ping测试网络连通性。
1.4、IPv6地址
（1）IPv6数据报格式
...
（2）IPv4和IPv6区别
IPv6地址容量达到128位，相比IPv4的32位显著扩展了地址空间。
IPv6架构去除了IPv4中的可选字段序列，并将其作为下一首部字段处理。
该协议采用了动态可用的IP地址分配机制。
在报文头部长度方面，IPv6要求必须是8的整数倍；而IPv4则需满足4的整数倍要求。
相对于主机分片模式，在网络设备如路由器和交换机之间不宜进行数据分片处理。
（3）IPv6地址表示
冒号十六进制
冒号十六进制
冒号分隔的十六进制表示法
冒号分隔的十六进制表示法
- 【aaaa:bbbb:cccc:dddd:eeee:ffff:gggg:hhhh】
另外一种压缩方法可用于数据存储优化，在数值序列中进行操作时特别有效；该方法要求对数值为零的部分进行特殊处理；当整个数据字段均为零时可将其简化为单个零值；对于连续出现的多个零则可省略中间部分以减少存储空间；与此同时该数据块中必须至少包含一个非零数字以确保有效编码
（4）IPv6和IPv4过渡策略
因为 IPv6 是互联网发展的必然产物，在此前广泛使用的 IP v4 系统仍需继续运行一段时间。若要顺利迁移至 IPv6 环境，则必须解决 IP v4 和 IPv6 之间的兼容问题。这种转换方案即为过渡策略设定。
- 第一种策略采用双栈协议。
- 在一台设备上运行着支持同时运行IPv4和IPv6两个版本的网络协议。
- 并且能够有效处理这两种类型的IP地址。
- 第二种策略在数据传输过程中进行处理。
- 通过将数据报转换为IPv6版本来实现数据传输。
1.5、RIP协议
（1）协议介绍
RIP属于一种基于距离向量的路由选择协议，在互联网领域被广泛应用于数据传输路径规划中。
作为分布式架构的基于距离向量的技术，
其显著优势在于操作简便且易于配置。
该技术的核心机制在于每个路由器都维护着到相邻目标网络的最佳路径信息，
其中特别强调的是最佳路径上的最短路径长度，
即最短路径上的跳数或最少经过的路由器数量。
需要注意的是，
该技术规定了一条有效路由的最大长度为15个路由器，
因此仅适用于中小规模网络环境。
该协议仅与直接连接的 router 进行通信，并非通过网络层发送完整路线信息。这些 router 间会传递各自维护的 routing table 数据。每隔半分钟就会同步一次 routing 数据。如果持续未接收到邻近 router 的任何 routing 数据超过三分钟，则判定当前 router 所连接的邻居 router 已经失效。
（2）距离向量算法
- 第一步：更新相邻路由器的路由表信息。假设当前路由器地址为A，则会将相邻路由器提供的路由表中的各项数据设置为A，并对每个条目中的距离值进行增加1的操作。
- 第二步：对处理后的路由表数据进行对比分析。如果本地路由表中缺少对应项，则会补充至本地路由表中；对于相同项目，则保留最小的距离值。
- 第三步：当在180秒内未接收到相邻路由器的信息时，则会对本端点的各项配置进行调整，并将其相关距离值统一设置为16。
RIP协议属于应用层协议，在数据传输过程中采用UDP方法进行信息传递；每个RIP报文最多能够承载25个路由器；当路由器数量超出这个限制时，则必须发送第二个RIP报文以完成信息传递。
1.6、OSPF协议
OSPF是一种基于开放最短路径优先协议的技术。该技术采用分布式链路状态协议。每个路由器会将自身接收到的道路状态信息发送给与其相连的其他路由器。同时，在这种机制下，所有相关联的路由器都会相互发送各自的路由信息。这种方法被称为扩散法，在其运行过程中类似于洪水传播开来。
在OSPF协议中进行网络路径优化时需要传输链路状态信息具体包括以下几个方面：首先是当前路由配置及其直接相连的各个路由器名称以及这些路由器之间的关联关系其次是相邻节点之间的运行费用传输代价以及信道宽度等关键参数这些指标共同构成了完整的网络运行状态数据。
仅在链路状态发生变化时才会有相应的数据包被发送出去完成拓扑结构更新过程以确保网络运行的稳定性和可靠性。
在OSPF协议下，每30秒会自动更新一次链路状态信息，并特别适用于大型网络环境。
1.7、BGP协议
该协议位于不同自治系统的网络之间使用一种外部网关协议机制，在与相邻域中的BGP发言节点交换信息时传递各网络之间的可达性数据。这些数据包括到达某一个目标网络所需经过的一系列自主系统（AS）。该协议仅在发生变化时更新相关信息，并针对变化的部分内容进行更新。
BGP协议的报文格式：
BGP-4的四种报文：
- OPEN打开报文的作用在于与相邻的一个BGP peer建立连接。
- UPDATE更新报文的功能包括宣布新的路由信息或撤销现有路由。
- KEEPALIVE保活报文有两个主要功能：
- 其主要作用是在缺乏更新信息的情况下持续发送心跳包以维持两端节点之间的连通性；
- 此外，在某些情况下也可以被视为OPEN报文中的一部分。
- NOTIFICATION通知报文通常用于报告上层协议传输过程中的错误情况，并可触发客户端的关闭操作。
三种协议的对比：
1.8、IP组播
该网络支持三种不同的数据传递模式：单播、广播及分组转发（即多播）。其中单播是一种一对一的数据通信模式，在这种模式下两个不同的IP地址之间进行通信；而广播则采用了广域覆盖的一网多源技术，在这种机制下一个特定来源能够发送数据至覆盖整个网络的所有节点；最后是分组转发技术同样采用分组转发的技术，在这一机制下原始数据仅复制一份以实现高效传播。与传统广播机制不同的是，在目标分组转发节点处接收的数据会被分配至目标设备集合中的各个成员。
224.0.0.0
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当我们在处理一个MAC地址时，如果发现其以格式为xx-xx-xx的形式出现，则表示该MAC地址属于组播网络。在实际应用中，我们通常需要将该组播MAC地址转换为对应的IP地址。
1.9、网络层设备
TODO：待补充
整篇文章完成了对计算机网络中的相关技术进行了详细阐述，并重点介绍了ARP协议、DHCP协议、IPv6地址以及RIP协议等关键知识点和网络层设备的相关信息。