目录

网络层

数据交换方式

电路交换

报文交换

分组交换

 数据报方式和虚电路方式

网络协议IP

IP地址的表示

IP地址分类

特殊的IP地址

子网掩码 

 无分类编址CIDR（构造超网）

IP数据报的格式

ARP协议

         DHCP协议

ICMP协议

网络地址转化-NAT

IPV6

 IPV6数据报格式

IPV6地址表现形式

IPV6多播

IPV6和IPV4的转化

网络层

 主要任务是将分组从源端传递到目的端，为不同主机提供通信服务

传输单位：数据报

数据报是一个完整的数据，分组是将数据报分割后的数据

功能一：路由选择与分组转发；通过路由选择算法，选择合适的传输路径

功能二：异构网络互联;处在不同网络的主机，可以通过路由器实现通信

功能三：拥塞控制；整个链路负载过大，网络处于拥塞状态，就会丢弃分组

数据交换方式

通过路由器，可以将大量主机互联

电路交换

常见例子就是电话网络

A和B两个人打电话，直接通过网线建立连接

特点：独占资源（A B两个人打电话不会有第三个人参与）

优点：通信时延少（数据直达）；有序传输；没有冲突；实时性强（随时通信）

缺点：建立连接的时间长；线路独占，使用效率低；灵活性差；无差错控制

报文交换

报文：应用层发送的数据

在链路中间通过交换设备进行数据转发

优点：无需建立连接；交换设备转发数据，动态分配电路；线路可靠性，利用率高；多目标服务

缺点：交换设备存储数据，有时间损耗；报文大小不定，要求链路有较大空间

分组交换

在报文转发的基础上，可以将大的数据段切割成小的数据

优点：无需建立连接；交换设备转发数据，动态分配电路；线路可靠性，利用率高；多目标服务

缺点：要浪费空间，用于记录分组顺序，来实现顺序传输

 数据报方式和虚电路方式

数据报方式为网络层提供无连接服务

不事先为分组的传输确定路径，每个分组独立的决定传输路径

虚电路方式为网络层提供连接服务

事先为分组的传输确定路径，每个分组传输路径相同

虚电路：一条源主机到目的主机的路径（逻辑电路），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立；都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路信息

 使用数据报服务，网络层实现不可靠传输，交由传输层进行差错控制，实现可靠传输

网络协议IP

IP协议是TCP/IP协议之一，也是重要的互联网标准之一

从一般概念来说，将网络互联起来就需要一些中间设备

1、物理层使用的中间设备称为转发器

2、数据链路层使用的设备称为网桥或者桥接器

3、网络层使用的中间设备称为路由器

4、网络层以上使用的中间设备称为网关

IP地址的表示

整个互联网是一个网络，IP地址就是给互联网的每一个主机（或者路由器）的每一个接口分配一个唯一的标识符

IP地址分类

IP地址由两个固定长度的字段组成，第一个字段是网络号，标识主机（或路由器）连接的网络

一个网络号在整个互联网范围内必须是唯一的；第二个字段是主机号，标识该主机（或路由器），一个主机号在它面前的网络号里必须是唯一的

所以:一个IP地址在整个互联网内是唯一的

同一个局域网的所有主机，网络号是相同的，主机号是不同的

IP地址被分为5类，最常用的是A B C三类

 为了方便我们读取，使用点分十进制的方法表示一个IP地址，每一个字节转化为10进制，使用.分隔

特殊的IP地址

1、A类地址的网络号为8位，但是第一位被默认0，只有7位可用

但是规定：1、IP地址网络号的全0表示“this”，意思是本网络；2、网络号为01111111（127），称为回环地址，是一个虚拟的网络地址；

所谓的回环地址，通俗的讲，就是我们在主机上发送给127开头的IP地址的数据包会被发送的主机自己接收，根本传不出去；也就是直接被本机的IP层获取，不会经过分用

而127.0.0.1当然也是个回环地址。只不过127.0.0.1经常被默认配置为本机IP地址

2、A类地址的主机号占3个字节，但规定：

1、全0的主机号字段表示该IP是本主机所连接到的单个网络地址（例如：一个主机的IP地址为5.6.7.8，则该主机所在网络地址就是5.0.0.0)

2、主机号全1表示该网络的所有主机；称为广播地址，给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据

子网掩码 

分类IP地址的缺点

1、使用分类的IP地址，A类一个网络号下，主机号有2^24-2个，B类一个网络号下，主机号有2^16-2个……，然而，一个企业，可能申请到了一个B类网络，但是这个企业也没有6万多台设备，这就造成了地址的浪费

2、两级IP地址不够灵活：申请IP地址要申请

基于分类IP地址的缺点,有了子网划分

 子网号的划分，是由企业决定的；这个三级IP地址在外看来和二级IP地址一致

子网掩码

现在路由器R1可以接受目的地址是145.13.*.*的数据，数据报145.13.3.10已经到了路由器，要怎么到子网145.13.3.0呢？

因为子网划分是企业内部的事情，划分方式多种多样，一个IP数据报的首部是无法包含子网信息的，那么我们如何得到子网地址呢？

这就需要到了子网掩码

子网掩码：IP地址的网络号和子网号全为1，主机号全为0

相关例题

 无分类编址CIDR（构造超网）

消除了传统的A B C类和划分子网的概念

 CIDR记法：IP地址后加入'/',然后写网络前缀的位数

例如：128.14.32.0/20：表示网络前缀是20位，那么主机号占12位

对应的子网掩码（也称为地址掩码）：网络前缀全为1，主机号全为0

构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，称为构成超网

方法：将网络前缀缩短

 可以减少路由器中路由器转发表的空间和路由查找时的次数

 最长前缀匹配：使用CIDR时，查找路由表可能得到多个匹配结果，选择网络前缀最长的路由，因为前缀越长，地址号越少，路由越具体

IP数据报的格式

 一个IP数据报由首部和数据两部分构成；首部前一部分是20字节的固定长度；后一部分是可选字段

• 版本：占4个比特位；指IP协议的版本，对于IPV4就是4；现在广泛使用的是IPv4，也就是四个字节表示IP地址，，
• 首部长度：占4个比特位；基本单位是4字节，也就是如果首部长度是0101（5），表示当前首部长度是5*4=20字节；当首部长度不是4字节的整数倍时，使用填充字段进行填充
• 区分服务：占8个比特位；3位优先权字段（已弃用），4位TOS字段和1位保留字段（置0）4位TOS字段分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本，这四者选其一，就是路由选择传输路径的标准（类似于高德地图的最短时间，最短步行，最少花费）
• 总长度：占16个比特位；指首部和数据的长度，单位是字节；也就是最大为65535字节=64k

当数据过大，就要将数据分片，下列三个数据实现了分包、组包

• 标识：占16位；IP内部维持一个计数器，产生一个数据报就加一，值赋给标识字段；
• 标志：占3位；目前只有前2位有意义； 标志字段的最低位记作MF，MF=1表示后面还有分片的数据报；MF=0表示后面没有有分片的数据报；标志字段的中间位记作DF，DF=0允许分片
• 片偏移：占13位；指出较长的分组在分片之后，某片在原分组的相对位置；以8个字节为偏移单位

•  生存空间TTL：占8位；表明数据在网络中的寿命，由发送端设置这个字段，目的是防止无法到达的数据报无限期的在网络中传输；可以设置为64，每一次经过转发，TTL就减一，如果TTL=0，那么这个数据就会被路由器丢弃
• 协议：占8位，协议字段指出数据报携带的数据是何种协议，也就是传输层使用的协议，以便目的端口的IP层知道将数据交给哪一个协议处理

•  首部校验和：占16位；用于校验数据是否正确：但是只检验数据报的首部，不检验数据部分

ARP协议

网络层封装数据，加入IP数据报，数据链路层负责让数据封装为帧，帧头和帧尾存入硬件地址

ARP协议：根据网络层获取的IP地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址

每一个主机都设有ARP高速缓存，里面有本局域网上的每个主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表

DHCP协议

动态主机配置协议DHCP，使用客户/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

动态分配IP地址：主机只要进入了DHCP服务器的范围，DHCP服务器就会给主机分配IP地址

ICMP协议

ICMP协议支持主机或者路由器，在传输出现问题的时候，返回差错报文

网络地址转化-NAT

公共IP地址是在互联网上注册的，我们在访问网络的时候，就需要公有IP地址，否则我们是无法访问互联网的

公共IP地址也是唯一的，在世界上都不会有重复

对于IPV4而言，之前我们认为32字节，也就是4,294,967,296，可以标识世界上的任意一个主机，然而，随着互联网的发展，手机，电脑，平板等都需要IP地址，如果这些设备都有一个唯一的IP，那显然是不现实的

所以，就出现了私有IP

IPV4地址中预留出了3个IP地址段，作为私有IP地址；供家庭，学校，企业等内部使用

私有IP地址不会在互联网上公开注册，所以我们是无法通过私有IP地址访问网络的

 但是，如果我们确实有私有IP地址，想要访问网络，就需要将私有IP地址转化为公共IP地址，这就是NAT技术

网络地址转换NAT（network address translation）：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器称为NAT路由器，它至少有一个有效的全球IP地址

使用了私有IP，我们就可以使用私有IP标识大部分的主机，通过NAT技术，NAT路由器将私有IP替换为NAT路由器所持有的公有IP地址，借助这个公有IP地址，私有IP也可以访问网络

•  公共IP（外网IP）是在互联网注册的，是唯一的，只有外网IP才可以访问网络；私有IP不在互联网注册，通过NAT路由器转化为外网IP才可以访问网络，在一个局域网内是唯一的，在不同的局域网内可重复
• 公共IP由互联网服务提供商分配；私有IP由我们的路由器分配
• 公共IP付费；私有IP免费
• 公共IP是不安全的，因为是在网路上被外部使用；私有IP是安全的

IPV6

IPv4的IP地址数显然跟不上互联网的发展了，就有了IPV6的出现

IPV6所做的改进：

1. IPv6使用16字节，也即是比IPV4多了12个字节的位数，就是扩大了2^96倍
2. IPv6的空间更大，地址层次划分的可能性越大
3. IPV4和IPV6并不兼容，IPV6的首部格式和IPV4不同
4. IPV6的首部长度是固定的，其选项放在了有效载荷中，IPV6允许数据包含选项的控制信息，选项可变；IPV4的选项固定，放在首部的可变部分
5. IPV6允许协议继续扩充；IPV4是不变的
6. IPV6不需要DHCP（即插即用，自动配置）
7. IPV6首部是8字节对齐，IPV4首部是4字节对齐
8. IPV6彻底移除了校验和移除
9. IPV6只可以在主机处分片，IPV4只可以在路由器和主机处分片：当IPV6数据报在链路上传输时，如果过大就只能丢弃
10. IPV6支持资源的预分配，支持实时影像等要求，保证一定的带宽和时延的应用

 IPV6数据报格式

1. 版本：占4位；说明协议的版本
2. 通信量类（优先级）：占8位；区分数据报的类别和优先级
3. 流标签：占20位；IPV6提出了流的概念，所谓"流"指互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报，而在这个“流”所经过的路径上的路由器都保证指明的服务质量;所有属于一个流的数据报都具有相同的流标签，类似于IPV4的标识
4. 有效载荷长度：占16位；指明IPV6数据报除了基本首部外的所有字节数
5. 下一个首部：标识下一个扩展首部或者上层的协议首部

• 当没有下一个扩展首部时，这个字段的值说明传输层使用的协议（TCP=6、UDP=17)
• 有下一个扩展首部时，这个字段指向下一个扩展首部

    6.跳数限制：占8位；等同于IPV4的TTL，限制数据报在网络的传输次数

IPV6地址表现形式

一般形式 冒号十六进制记法：将两个字节的值使用16进制表示，中间用冒号分隔

压缩形式：对0的压缩，也就是可以将0001写作1；

或者将连续的0使用::表示（零压缩）；FF05:0:0:0:0:0:0:B3,写作FF05::B3

零压缩表示法在一个地址只可以出现一次

IPV6多播

单播：一对一的传输，可以作为发送地址和接收地址

多播（组播）：发送数据报到一个网络内的所有主机，作为目的IP

任播：任播的终端是一批主机，但是一般传输给最近的主机,作为目的IP

 多播就只发送一份，通过路由器实现复制；而单播在发送时就发送60份

IPV6和IPV4的转化

双栈协议

一台设备上同时启动IPV4协议栈和IPV6协议栈

路由器：LAN端和WAN端是IPV4，IPV6，路由器会实现转化

主机：同时用于IPV4,IPV6地址，具备同时处理这两个协议的功能

隧道技术

使用隧道协议传输的数据可以是不同协议的数据，隧道协议会将其重新封装然后通过隧道发送（IPV4数据报会封装IPV6的首部）