网络层-1

约定不等于承诺〃 2022-03-20 12:06 199阅读 0赞

网络层提供什么服务：简单灵活，无连接的，最大努力交付的数据报服务，可能出错，丢失，重复，失序。  
可靠交付由端系统（主机）来负责，即传输层负责，如差错处理，流量控制。  
电信网（电话机）通过虚电路，建立连接通过网络保证了可靠交付。在这里考虑数据报服务而不是虚电路服务。

网际协议IP是TCP/IP体系中两个最重要的协议之一，也是最重要的因特网标准协议之一。与IP协议配套是用的四个协议：  
1.地址解析协议ARP：是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。  
2.逆地址解析协议RARP：是解决同一个局域网上的主机或路由器的硬件地址和IP地址的映射问题。  
3.网际控制报文协议ICMP：提供差错报告和询问报文，以提高IP数据交付成功的机会  
4.网际组管理协议IGMP：：用于探寻、转发本局域网内的组成员关系。

因为没有一种单一的网络能够适应所有的用户需求，所以网络互连也变得困难，所以需要一些中间设备：  
物理层：转发器(repeater)，集线器  
数据链路层：网桥，交换机  
网络层：路由器  
网络层以上：网关  
转发器和网桥（网络扩大，还属于同一网络），谈不上网络互连，网络互连指路由器的互连。  
网络层采用标准化协议，连接各种异构的网络，也就是说各网络都用IP协议，大家在网络层上看上去是统一的（实际在物理层和数据链路层不同），

IP地址：每个主机或路由器的每个接口分配一个。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tvYmV4emY_size_16_color_FFFFFF_t_70]主机号中全0表示网络地址，全1表示广播地址

A类：126个网络号，网络号全0表示本网络，网络号127为本地软件的回环地址  
不同网络号的局域网用路由器互连， 转发器和网桥连接的为同一网络，同样的网络号。  
路由器多ip，多mac地址

地址解析协议ARP：同一个局域网 IP 地址和硬件地址的映射问题。  
每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARP cache)，含所在局域网 IP 地址到硬件地址的映射表。每个缓存项目有生存时间，比如网络适配器坏了更换导致mac地址变了导致原映射关系无效，这种情况过一段时间缓存失效重新广播就好了  
广播请求：我的ip是A，我mac是B，我请求ip为C的mac。  
单播响应：我ip为C，mac为D，且C将AB映射关系放入自己的缓存。  
IP地址是统一的，硬件地址是和具体网络关联的，使用统一的IP才能跨越千山万水进行通信。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tvYmV4emY_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tvYmV4emY_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

首部20字节固定，最大可60字节（即40字节的可变部分，选项字段）  
首部长度：4bit（最大15），可表达4x15=60字节  
总长度：16bit，理论（首部+数据）65535字节，但是数据链路层的帧格式一般会规定其数据字段最大长度（MTU），数据报超过需分片，总长度为分片后单片的长度  
标识（Identification）：各分片标识相同，用于重装，每生成一IP数据报，标识加1.  
标志：DF(Dont fragment)能否分片，MF(More fragments)后面是否还有分片（自己是否是最后一个），**一个未分片的一般是能分片，且自己是最后一片**  
如果不能分片，可能导致中间网络丢弃数据（超过我mtu了，是分片还是丢弃呢，若丢弃发ICMP差错报告）。  
片偏移：如100，表明此片的起始位置为100\*8=800（相对于原始分组的数据字段），可能经过某个网络分片继续分片  
寿命（生存时间）：ttl，源点设置（初始多为64），避免无法交付的数据报在网络中兜圈子，经过一次路由器减1，路由器先减1，再判断是否为0，为0丢弃。ttl为1的分组只能在局域网内传送，送到路由就给你丢了。  
协议：上面是TCP还是UDP还是ICMP等等  
首部校验和：仅校验首部，每过一个路由器寿命等发生变化，需重新计算首部校验和，所以每个路由器都是先校验，后重新计算并写入。

分组转发  
(1) 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D, 得出目的网络地址为 N。  
(2) 若网络 N 与此路由器直接相连，则把数据报**直接交付**目的主机 D；否则是间接交付，执行(3)。  
(3) 若路由表中有目的地址为 D 的**特定主机路由**，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。  
(4) 若路由表中有**到达网络 N 的路由**，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。  
(5) 若路由表中有一个**默认路由**，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)  
(6) 报告转发分组出错。  
子网掩码：路由表（网络地址，下一跳地址），实际上是（网络地址，子网掩码，下一跳地址），所以实际是D按子网掩码获得网络地址再看网络地址是否匹配（每个路由表项都是如此）  
下一跳地址示例：路由器的ip地址或直接交付，接口1  
特定主机路由：IP 地址 D指明特定的路由。  
默认路由：一般小网络内主机的路由表很简单，若在本网络内直接交付，若不在交给默认路由

两级ip有如下3个缺陷  
1 IP 地址空间的利用率有时很低，申请了个B类却用不到那么多ip  
2 给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大，多个子网对外是一个网络，只有一个表项  
3 两级的 IP 地址不够灵活，我要新增个网络，必须要去机构申请  
考虑**划分子网**：  
主机号借用若干个位作为子网号，位数通过子网掩码确定，三级IP，单位内部的事情，单位对外仍然表现为没有划分子网的网络  
所有网络都必须使用子网掩码，没有划分子网使用默认子网掩码，因特网路由器这些子网都是一个路由表项（默认子网掩码），单位入口路由器是多个表项（非默认子网掩码，定位具体子网）  
IP地址按位与子网掩码确定含子网号的网络地址

构造超网（无分类编址CIDR）  
消除了传统的A、B、C类地址以及划分子网的概念，用网络前缀代替网络号和子网号  
网络前缀相同的连续的IP地址组成一个CIDR地址块  
举例：128.14.35.7/20, ip地址为128.14.35.7，前20位为网络前缀，确定网络前缀后可确定地址块的起始地址(最小，128.14.32.0)和最大地址，以及地址块中的地址数。地址块记为128.14.32.0/20，为/20地址块。  
构成超网/路由聚合：路由表使用CIDR地址块查找目标网络，减少了路由表表项。  
CIDR使得分配ip更加灵活，不再固定为ABC类。  
最长前缀匹配：  
使用子网掩码的路由表只可能匹配到一个表项，但使用网络前缀的路由表可匹配到多个表项，比如在/20匹配到了，在/22也可能匹配到，根据/22的表项转发（越长就越具体）。  
二叉线索查找路由表：  
![在这里插入图片描述][20190213172441828.png]  
我们需要快速查找路由表，如何根据32bit的ip查找呢

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