计算机网络自学笔记005_Real（网络层001）

计算机网络自学笔记005_Real（网络层001）

一、概述

1、主要任务：实现网络互连，进而实现数据包在各个网络之间的传输。
2、要实现网络层任务，需要解决以下主要问题：
（1）网络层向运输层提供怎样的服务（可靠传输或者不可靠传输）
（2）网络层寻址问题
（3）路由选择问题
3、因特网是目前全世界用户数量最多的互联网，它使用TCP/IP协议栈
由于TCP/IP协议栈的网络层使用国籍协议IP，它是整个协议栈的核心协议，因此在TCP/IP协议栈中的网络层常常称为网际层。

二、网络层提供的两种服务

（一）面向连接的虚电路服务

可靠通信由黎安路==网络来保证
必须建立网络层的连接——虚电路VC（Virtual Circuit）
通信双方沿着已经建立的虚电路发送分组
目的主机的地址仅在连接简历阶段使用，之后每个分组的首部只需携带一条虚电路的编号（构成虚电路的每一条链路都有一个虚电路编号）
这种通信方式如果再使用可靠传输的网络协议，就可以使所发送的分组最终正确的到达接收方（无差错按需到达，不丢失，不重复）
通信结束后，需要释放之前简历的虚电路
很多广域分组交换网络都使用面向连接的虚电路服务，例如，曾经的X.25和逐渐过时的帧中继FR，异步传输模式ATM等

（二）无连接的数据报服务

可靠传输应当由用户主机来保证
不需要建立网络层链接
每个分组可以走不同的路径
每个分组的首部必须携带目的主机的完整地址
这种通信方式所传诵的分组可能误码、丢失、重复、失序
由于网络本身不提供端到端的可靠传输服务，这就使得网络中的路由器可以做的很简单，而且价格低廉（与电信网的交换机相比较）
因特网就是用了这种设计思想，也就是将复杂的网络处理功能置于因特网的边缘（用户主机和内部的运输层），而将相对简单的尽最大努力的分组交互功能置于因特网的核心。

三、IPV4地址

（一）概述

1、IPV4地址就是因特网上的每一台主机（或者路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内使唯一的32比特的标识符
2、IP地址由因特网名字和数字分配机构ICANN（Internet Corporation forAssigned Names and Numbers）进行分配。

• 我国用户可向亚太网络信息中心APNIC(Asia Pacific Network Information Center)申请IP地址，需要缴费。
• 2011年2月3日，互联网号码分配管理局IANA（由ICANN行使职能）宣布，IPv4地址已经分配完毕。
• 我国在2014至2015年也逐步停止了向新用户和应用分配IPv4地址。同时全面开展商用部署IlPv6。

IPV4地址的编址方法经历了三个阶段：

（二）IPV4地址的表示

32比特的IPv4地址与气度不方便，所以使用点分十进制的表示方法来方便用户使用与与阅读

三、IPV4地址的编址第一阶：段分类编址的IPv4地址

1、只有A类、B类和C类地址可以分配给网络中的主机或者路由器的各个接口；
2、主机号为全0的地址使网络地址，不能分配给主机或者路由器的各接口；
3、主机号为全1的地址使广播地址，不能分配给主机或者路由器的各接口。

（一）A类地址

（二）B类地址

（三）C类地址

1、地址0.0.0.0是一个特殊的IPv4地址，只能作为源地址使用，表示“在本网络上的本主机”。封装有DHCPDiscovery报文的IP分组的源地址使用0.0.0.0;
2、以127开头且后面三个字节非“全0”或“全1”的IP地址是一类特殊的IPv4地址，既可以作为源地址使用，也可以作为目的地址使用，用于本地软件环回测试，例如常用的环回测试地址127.0.0.1;
3、地址255.255.255.255是一个特殊的IPv4地址，只能作为目的地址使用，表示“只在本网络上进行广播(各路由器均不转发)”。

四、IPv4地址的编址第二阶段：划分子网的IPv4地址

1、32比特的子网掩码可以表明那个分类IP地址的主机号部分被借用了几个比特作为子网号
子网掩码使用连续的比特1来对应网络号和子网号
子网掩码使用连续的比特0来对应主机号
将划分子网的IPv4地址与其相应的子网掩码进行逻辑与运算可以得到IPv4地址所在子网的网络地址


C类网络的IP地址划分子网：

五、IPv4地址的编址第三阶段：无分类编址的IPv4地址

（一）概述

划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难，但是数量巨大的C类网因为其地址空间太小并没有得到充分使用，而因特网的IP地址仍然在加速消耗，整个IPv4地址空间面临全部耗尽的威胁。
为此，因特网工程任务组IETF又提出了采用误分类编址的方法来解决IP地址紧张的问题，同时还专门成立IPv6工作组负责研究新版本IP以彻底解决IP地址耗尽的问题。
1993年，IETF发布了误分类域间路由选择CIDR（Classless Inter-Domain Routing）的RFC文档：RFC 1517~1519和1520。
CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址，以及划分子网的概念；
CIDR可以更加有效的分配IPv4的地址空间，并且可以在新的IPv6使用之前允许因特网的规模继续增长。

（二）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，或者路由聚合
方法：将网络前缀缩短

构成超网之后如何再寻找原来的网络：最长前缀匹配
使用CIDR的时候，查找路由表金额能得到的几个匹配结果，应该选择具有最长网络前缀的路由，前缀越长，地址快越小，路由越具体。

六、ARP协议

ARP协议：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。
ARP协议使用过程：
检查ARP高速缓存，有对应表项规则写入MAC帧，没有则用目的主机MAC地址位FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装广播ARP请求分组，统一局域网中所有主机都有能收到该请求，目的主机收到请求回向源主机单播一个ARP相应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存（10-20min更新一次）。
ARP协议4中典型情况：
1、主机A发给本网络上的主机B：用ARP找到主机B的硬件地址
2、主机A发给另一个网络上的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器（网关）的硬件地址
3、路由器发给本网络的主机A：用ARP找到主机A的硬件地址
4、路由器发给另一个网络的主机B：用ARP找到本网络上另一个路由器的硬件地址。

ARP协议其实就是一个表格，里面存储了IP地址与MAC地址的映射，而且每隔一段时间会进行更新。这样在数据传输的时候，在网络层给数据分片之后的数据添加源IP地址和目的IP地址之后，在数据链路层会在添加MAC地址，这地方添加哪一个MAC地址就是通过ARP协议进行查找对应IP地址的MAC地址映射，然后进行添加。

七、DHCP协议

在静态的机房内部，其每一台主机的IP地址可以被指定，因为是基本不变的，但是在大多数情况下，主机是在移动的，比如手机、笔记本电脑，会被人携带在身上，然后会在不同的地方进行使用，那么这个时候，在不同的地方会有不同的DHCP服务器，主动的为处于该网络下的各个主机分配一个IP地址，这叫做动态配置。

动态主机配置协议DHCP是应用层协议，使用的是客户/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提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、DNS服务器名称以及IP地址，而且允许地址宠用，支持移动用户加入网络，支持再用地址续租。

八、ICMP协议（网际层控制报文协议）

在网际层数据传输过程中，总会出现一些错误，所以会产生一些差错报告，ICMP协议就是用来支持主机或者路由器的差错或异常报告。还有网络探询，会发送特定的ICMP报文。
主要分为ICMP差错报文和ICMP询问报文

（一）ICMP差错报告报文（5种）

报文类型：

1、终点不可达：（无法交付）当路由器或者主机不能交付数据报的时候就会向源点发送终点不可达报文。
2、源点抑制（目前已经不用了）：（路由器或主机拥塞需要丢数据，让源点慢点发）当路由器或者主机由于拥塞而丢弃数据报的时候，就会向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报发送速率放慢。
3.时间超过：当路由器收到生存时间TTL=O的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。 TTL=0
4.参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。首部字段有问题
5.改变路由（重定向)：（可通过更好的路由）路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器。

（二）ICMP询问报文

1.回送请求和回答报文：主机或路由器向特定目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。测试目的站是否可达以及了解其相关状态。
2时间戳请求和回答报文：请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。用来进行时钟同步和测量时间。
3.掩码地址请求和回答报文（目前已经不用）
4.路由器询问和通告报文（目前已经不用）

（三）ICMP协议应用

Ping命令：测试两个主机之间的连通性，是用来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，是用来ICMP时间超过差错报文。

九、网络地址转换NAT

网络地址转换NAT（Network Address Translation）：在专用王连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫做NAT路由器，他至少有一个也有效的外部全球IP地址。

十、IPv6

32为IPv4地址空间已经分配殆尽，使用CIDR和NAT技术的话，治标不治本，还是会很快耗尽地址。

IPv4与IPv6的区别：
1.IPv6将地址从32位(4B)扩大到128位(16B)，更大的地址空间。
2.IPv6将IPv4的校验和字段彻底移除，以减少每跳的处理时间。
3.IPv6将IPv4的可选字段移出首部，变成了扩展首部，成为灵活的首部格式，路由器通常不对扩展首部进行检查，
大大提高了路由器的处理效率。
4.IPv6支持即插即用(即自动配置)，不需要DHCP协议。
5.IPv6首部长度必须是8B的整数倍，IPv4 首部是4B的整数倍。
6.IPv6只能在主机处分片，IPv4可 以在路由器和主机处分片。
7.ICMPv6:附加报文类型“分组过大”。
8.IPv6支持资源的预分配，支持实时视像等要求，保证–定的带宽和时延的应用。
9.IPv6取消了协议字段，改成下一个首部字段。
10.IPv6取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段。
11.IPv6取消了服务类型字段。

IPv6地址的表示形式：

一般形式：冒号十六进制记法：4BF5:AA12:0216:FEBC:BA5F:039A:BE9A:2170
可以进行压缩，压缩方法：

IPv6基本地址类型：

单播：一对一通信 可以作源地址和目的地址
多播：一对多通信 可做目的地址
任播：一对多种的任意一个通信，通常是最近的一台主机 可做目的地址

IPv6向IPv4过渡的策略

1、双栈协议：

双协议栈技术就是指在一台设备上同时启用IPv4协议栈和IPv6协议栈。这样的话，这台设备既能和IPv4网络通信，又能和IPv6网络通信。如果这台设备是一个路由器，那么这台路由器的不同接口上，分别配置了IPv4地址和IPv6地址，并很可能分别连接了IPv4网络和IPv6网络。如果这台设备是一个计算机，那么它将同时拥有IPv4地址和IlPv6地址，并具备同时处理这两个协议地址的功能。

2、隧道技术：

通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式。使用隧道传递的数据（或负载)可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将其它协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送。