1. 「计算机网络笔记」第一章 概述
2. 「计算机网络笔记」第二章 物理层
3. 「计算机网络笔记」第三章 网络层
4. 「计算机网络笔记」第四章 介质访问控制子层
5. 「计算机网络笔记」第五章 网络层
6. 「计算机网络笔记」第六章 传输层
7. 「计算机网络笔记」第七章 应用层

5.1 网络层概述

功能

将源端产生的数据包/数据分组，一路送达目的机

• 信息封装
• 目的机的识别
• 找到路由（源机->目的机的路径）

被路由的协议

IP协议

• IP地址：定位目的机
• IP分组：信息的封装
• IPv6协议：新一代IP协议

路由选择协议

找到源机和目的机之间的最优路径

• 距离矢量路由选择协议
• 链路状态路由选择协议

源机和目的机之间的网络

5.2 IP地址

• 提供一种尽力而为best-effort地把数据从源端传输到接收方的方法
• 为路由提供路由所需要的信息
• IP协议 = 被路由协议

IP地址

• 32位二进制位

• 点分十进制

  • 32 => 4×8

  • 每个8位组，二进制 => 十进制，0~255

Example：IP地址体现了层次性
[.... ....] Internet
[130.1.0.0] 网络
[130.1.1.0] 子网1
[130.1.1.1] 主机

IP地址的两层结构

• 网络部分：0~15位
• 主机部分：16~31位

A类地址

0xxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx

• 1字节标识网络地址，2、3、4字节标识主机地址
• 第1个字节 => [0,127]
• 每个A类地址/A类网络，容纳 2²⁴-2 台主机
  • 减去的2：用于广播地址和网络地址

B类地址

10xxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx

• 1、2字节标识网络地址，3、4字节标识主机地址
• 第1个字节 => [128,191]
• 每个B类地址/B类网络，容纳 2¹⁶-2 台主机

C类地址

110xxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx

• 1、2、3字节标识网络地址，4字节标识主机地址
• 第1个字节 => [192,223]
• 每个C类地址/C类网络，容纳 2⁸-2 台主机

保留的IP地址

不能分配给某个接口/某个主机使用

• D类：1110xxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx

• E类：11110xxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx

• 网络地址：xxxxxxxx.xxxxxxxx.00000000.00000000

• 广播地址：xxxxxxxx.xxxxxxxx.11111111.11111111

• 0.0.0.0

  • 表示：这个主机、这个网络
  • 在路由表中，默认路由的目的地址

• 255.255.255.255

  • 泛洪广播地址

• 127.0.0.0

  • 环回地址Lookback Network
  • 127.0.0.1 => localhost

• 169.254.0.0

  • 非正常地址
  • 不能对外正常通信

5.3 子网规划

将大网络分割成小网络

主路由器

• 边界路由器

• 负责和外部联系

• 了解内部网络结构的机制：子网掩码

子网掩码

• 决定分组往哪个子网转发

• 点分十进制表示 => 连续的1(网络位) + 连续的0(主机位)

• 按位与操作

  • 目的IP地址 AND 子网掩码 = 目的网络地址
  • 按位操作后，主机位全为0

• A、B、C类的缺省

子网位

• 从IP地址的主机部分借位

  • 从高位开始借
  • 至少保留2位

• Example：192.168.1.0/24，主机域借2位作为子网位

  子网的网络地址：

  192.168.1.00 000000 => 192.168.1.0/26

  192.168.1.01 000000 => 192.168.1.64/26

  192.168.1.10 000000 => 192.168.1.128/26

  192.168.1.11 000000 => 192.168.1.192/26

  • 第4个子网的网络地址：192.168.1.10 000000 => 192.168.1.64
  • 第4个子网的广播地址：192.168.1.10 111111 => 192.168.1.127

5.4 IP寻址

根据目的IP地址，找到目的网络

路由器

• 执行IP寻址的主要设备

• 1个路由器Router = 1跳Hop

• 收到一个分组

  • 打开分组

    • 提取到目的IP地址

  • 确定网络，查找路由表

    • 目的IP地址和子网掩码按位与运算，得到目的网络

    • 用目的网络查找路由表

  • 重新封装，转发next hop

• 到达最后一个网络目的网络，MAC寻址（交换机执行）

5.5 IP分组

• IP分组包含12个基本的字段和选项字段
• IP分组分为：头部、数据

报头长度

• 大小：4bit
• 单位：4Byte
• 0101 ~ 1111

数据报总长

• 大小：16bit
• 单位：Byte

生存时间 TTL

• 大小：8bit
• 单位：hop
• 每经过一个路由器，TTL-1
• 当TTL-1=0时，路由器丢弃该分组，向源发回一个超时消息
• 防止分组在网络无限循环

用户协议

• 大小：8bit
• 指明传输层采用的协议
  • UDP：17
  • TCP：6

目的IP地址

• 大小：32bit

5.6 IPv6概述

IPv4存在问题

• 地址数
• 端到端模式收到破坏
  • 地址数匮乏，使用了私人地址
  • 私人地址不具有唯一性，和互联网通讯，必须进行转换
  • NAT转换器
• 配置复杂
• 安全问题
• 路由表膨胀
  • 增加了每一个分组的延迟
• QoS和性能问题

IPv6的目标

• 支持几十亿台主机
• 缩减路由表的规模
• 简化协议，路由器处理分组更快
• 更好的安全性
• ... ...

5.7 IPv6地址

基本概念

• 局域网段：LAN段，最小单位。交换机一个接口下的这一条链路
• 链路：路由器一个接口下的，若干个局域网段构成的
• 邻接点：一条链路上的两台主机

IPv6基本概念

冒分十六进制

• IPv6地址：128位（v4仅有32位）
• 128 => 8组 × 16位
• 简化规则
  • 忽略前导0
  • 省略全0 => 双冒号，一个地址里最多只能出现一次双冒号

IPv6地址分类

• 单播地址Unicast Address
  • 一对一通信
• 组播地址Multicast Address
  • 特定组内通信
• 任播地址Anycast Address
  • 特定组内，任意一台计算机

特殊地址

• 未指定
  • 二进制前缀：000...0（128bit）
  • IPv6：::/128
  • 一台设备未正式的获得地址时，以此代替
  • 路由表中目的网络，表示默认路由
• 环回地址
  • 二进制前缀：000...1（128bit）
  • IPv6：::1/128
  • 类似IPv4中的127.0.0.1
• 组播
  • 二进制前缀：11111111
  • IPv6：FF00::/8
• 链路本地地址
  • 二进制前缀：1111111010
  • IPv6：FE80::/10
  • 属于单播地址
• 网点本地地址
  • 二进制前缀：1111111111
  • IPv6：FEC0::/10

链路本地地址

属于单播地址

• 用在单一的链路上
• 如果一个分组的目的地址||源地址是链路本地地址，分组不回转发到其他链路
• IPv6设备启动时，首先生成一个链路本地地址，此时就可以和链路上的其他节点通信
• FE80:0:0:0 + EUI64位地址（合128bit）
• EUI64地址
  • 将MAC地址转化成二进制的48位
  • 在前24位和后24位中间加上16位的11111111 11111110
  • 从高位起的第7位，0 => 1（U/L位：用于确定该地址是全局管理的还是本地管理的）

可聚合全球单播地址

• SLA可用作子网规划
• 如果主机可以和默认网关通讯，就可以从默认网关获取全球IPv6地址的前缀
• 默认网关：和主机直接相连的路由器
• 前缀 + InterfaceID => 全球单播地址

5.8 IPv6分组

IPv6的报头

• 协议版本（4bit）：0110 => IPv6

• 流标记（20bit）：为源端和目的端提供了建立伪连接的方式

• 净荷长度（16bit）：固定头之后的字节数

• 下一个头Next Header（8位）

  • 指明当前头之后，扩展头的类型
  • 若当前头为最后一个头，则用于指明上层传输层指定的用户协议（与IPv4中相同）

• 跳数限制Hop Limit：等同于IPv4中的TTL

与IPv4的不同

• 删除校验和

  • 上层传输层和下层数据链路层都有自己的校验和

• 删除分段/分片

  • 源端在一开始必须知道全部路径/网络的最小MTU

  • MTU：最大传输单元，Maximum Transmission Unit

  • PMTU算法

5.9 IPv6过渡技术

• 双栈
• 隧道
• 地址转换

5.10 路由表

路由表的结构

• 目的网络/子网掩码
• 路径代价
• 下一跳（网关）
• 转出接口
• ...

路由信息

• 直连路由

  • 路由器开启了接口，自动发现接口对应的子网，并记录到路由表

• 静态路由

  • 常见的静态路由：缺省/默认路由
  • 默认路由
    • 避免错误丢包
    • 缩减路由表的规模
    • 减少路由器的运行负担
  • 优点
    • 适用小型网络
    • 安全，不会发送通告
    • 稳定，通过同一路径总是到达同一网络
    • 不需要CPU、RAM、带宽等开销
  • 缺点
    • 网络规模增大，配置复杂性增长
    • 人工更新维护繁琐

• 动态路由（多数）

  • 由路由选择协议动态地建立、更新和维护的路由
  • 适合大型网络
  • 不受网络规模的限制
  • 自动更新、维护路由信息
  • 量度路径最优
    • 跳数
    • 带宽
    • ...

5.11 距离矢量路由选择协议

Distance Vector

• 常用于小型网络
• 典型DV算法：路由选择信息协议
  • RIPRouteing Information Protocol
  • 早期互联网使用
• 矢量/向量：一个有序数组，n维向量中存了n个数，有先后次序之分。

DV的工作原理

• 每个路由器维护两个矢量，D_i和S_i

  • D_i：该路由器到所有其他路由器的距离，{ d_i1，d_i2，... ... ，d_in}
  • S_i：该路由器到所有其他路由器的下一跳，{ s_i1，s_i2，... ... ，s_in}
  • d_i1：从节点i到节点1的度量/代价
  • s_i1：从节点i到节点1的最优路几个上的下一跳
  • n：网络中路由器的个数

• 邻居路由器交换路由信息（矢量信息）

• 每个路由器根据收到的路由信息，更新路由表

DV算法的特点

• 优点
  • 简单
• 缺点
  • 交换信息大
  • 路由信息传播缓慢，可能导致路径信息不一致
  • 不适合大型网络

5.12 路由选择信息协议 RIP

特点

• 采用跳数作为S_i的量度
• 当量度超过15跳，目的网络即作不可达
  • 解决路由环问题
  • 完全相信邻居路由器，导致的路由环/无穷计数问题
• 30秒交换一次路由信息

5.14 链路状态路由选择

Link State Routing

主要思路

• 发现
• 设置
• 构造
• 发送
• 计算

发现

• 发现邻居节点，了解它们的网络地址
• 路由器启动时，向每个邻居路由器发送Hello数据包

设置

• 到每个邻居的成本度量
• 常见度量：链路带宽（反比），延迟
• 发送特别的Echo分组，另一端立即回送应答，通过测量往返时间RTT，得到延迟估计值

构造

• 构造链路状态分组LSPLink State Packet

• LSP分组

  • 发送方的标识ID of the sender
  • 序列号sequence number
    • 32bit的序列号，解决序列号回转问题
  • 年龄age
    • 每经过1秒，age-1 => age=0时，丢弃
    • 每隔很短的时间（通常大于age），新分组就会到来
  • 邻居列表list of neighbors
  • 度量delay to each neighbor

• 周期性的构造

• 特殊事件发生时构造

  • 线路/邻居down掉
  • 出现新的接口

发送

• 这个分组发给所有其他的路由器
• LSP分组的序列号随着新分组的产生，递增
• 路由器记录下所有看见的LSP
• 当新分组到达
  • 先放于保留区
  • 新分组（不存在记录中），则泛洪广播
  • 保留区的分组和新分组比较序列号
    • 相等 => 丢弃
    • 不相等 => 保留新的

计算

• 分组分发完全，构造全网拓扑图
• 基于完整的网络图，计算到每个目标的最短路径（如：最短路径算法）

LS算法特点

• 优点
  • 路由器认识一致
  • LSP构造的图完全一致
  • 收敛快
  • 适合大型网络
• 缺点
  • 路由器需要较大存储空间
  • 计算负担大

5.15 单区域OSPF

• 开放的最短路径优先
• Open Shortest Path First
• 链路状态路由的典型实例

特点

• 适用大型网络
• 解决路由自环问题
• 度量：10⁸÷带宽
• 收敛快

相关概念

• RouterID：32位，自治系统内唯一，路由器的唯一标识
• 协议号：89 => OSPF报文
• TTL=1：OSPF通常只传给邻居路由器

OSPF分组的类型

• LSU的使用

  • 作为LSR的应答

  • 特殊事件发生时

    • 线路/邻居down掉
    • 出现新的接口

• LSAck

  • 任何时候收到LSU都需要回发LSAck

建立全毗邻关系

• 通过发送问候Hello包确认是否连接
• 为了同步路由控制信息，利用数据库描述Database Description包相互发送路由摘要信息和版本信息
• 通过DD和自己的数据库比对发现版本老旧，发送链路状态请求Link State Request包，请求完整的路由控制信息
• 对面会回发链路状态更新Link State Update包，包含完整的路由状态信息
• 最后发送链路状态确认Link State Acknowledgment包通知大家，本地已经接收到了路由状态信息

指定路由器

• Designated Router
• 在一个比较复杂的网络中，在同一个链路加入新的路由器，不需要在所有相邻的路由器之间都进行控制信息`的交换，而是指定一个DR，并以它作为中心交换路由信息

5.16 无类域间路由 CIDR

• Classless Inter Domain Routing
• 缓解地址枯竭的趋势（尤其是B类地址）
• 缩减了路由表的开销
  • 可以进行路由聚合，形成超网SuperNet
  • 路由聚合和子网规划是相反的行为
• 隔离了路由翻动

IP面临的问题

• 分类造成地址的浪费
• 路由表的膨胀
  • 路由表动辄几万条
  • 分组到达时，查找路由表的时间会增加 => 通信的端到端延迟

基本思想

• 分配IP地址时，不再以A、B、C的类别分类，按照可变长的地址块分配

举例：用户需要2000个IP地址

• CIDR之前，只能分配一个B类地址
• CIDR之后，分配一个x.x.x.x/21的块地址
  • 网络位：21位
  • 主机位：11位 => 2¹¹-2，2046个地址

IP地址的最长匹配前缀

• 当一个分组到达路由器
• 匹配到多个目标网络时，选取网络位最长的（子网掩码1最多的）

路由聚合

• 要求直连路由地址连续
• 子网的下一跳是相同的

举例：路由器RTA有4条直连路由，对应4个子网，形成连续的地址空间

• 200.199.48.0/24 => x.x.001100 00.x
• 200.199.49.0/24 => x.x.001100 01.x
• 200.199.50.0/24 => x.x.001100 10.x
• 200.199.51.0/24 => x.x.001100 11.x

第三段里的001100是不变的

=> 聚合结果：200.199.48.0/22（超网）

5.17 网络地址翻译 NAT

• Net Address Translate
• 私人地址和共有IP地址之间的转换
• IP地址枯竭的快速修补方案

私人地址空间

• 不可路由
• 全球不唯一

NAT转换器的工作原理

NAT的缺点

• 影响部分协议和应用的同学
• 增加了网络延时
• NAT转换器可能成为网络的瓶颈

5.18 互联网控制消息协议 ICMP

Internet Control Message Protocol

• 一般来说，ICMP消息仅发送给源机
• ICMP消息不生成自己的差错报告
• ICMP消息封装在IP分组中

主要功能

• 确认IP包是否成功送达目标地址
• 通知在发送过程当中IP包被丢弃的具体原因
• 改善网络设置

ICMP的具体应用

• Ping
  • 源机向目的站点发送ICMP回声请求报文
  • 目的站点接收到，必须向源机站点发回一个ICMP回声应答报文
  • 源机站点收到应答报文，且其中的任选数据和发出去的相同，则判断目的站点可达，否则为不可达
• TraceRoute
• 路径MTU（最大传输单元）

Ping的应用

• 测试TCP/IP是否正常工作

  ping 127.0.0.1
  

• 测试网络设备是否正常

  ping <本机的IP地址>
  

• 检查对外连接的路由器

  ping <默认网关IP>
  

• 检查与某台设备的畅通情况

  ping <设备的IP>
  

5.19 地址解析协议 ARP

Address Resolution Protocol

• 运行在局域网的协议
• 将目标机的IP地址映射到MAC地址上

工作原理

• ARP借助ARP请求和ARP响应，两种对应的包来确定MAC地址
• ARP表缓存ARP的结果
• 收到ARP请求，通过源机的IP地址和MAC地址的映射对，更新自己的ARP表
• 免费ARP：每台机器启动时，广播自己的IP-MAC地址对
  • Source IP = Target IP
  • 如果收到应答，说明自己的IP已被使用

举例：主机A想要获得同局域网下的主机B的MAC地址

A通过广播发送一个ARP请求包

• 请求包：包含请求通信的目标IP地址
• 广播的包可以被同一个链路上所有的主机/路由器接收

主机B接收到广播的ARP请求包，并解析，发现包中的IP地址与自己的一致，则将自己的MAC地址封装到ARP响应中发回。

其余主机解析后，发现目标IP地址不一致，则

• 不做应答
• 用ARP请求中的源信息来更新ARP表

5.20 拥塞控制

• Congestion

• 当一个子网或子网的一部分出现太多分组的时候，网络的性能急剧下降。

• 拥塞控制的措施

  • 开环：提前考虑
  • 闭环

• 抑制分组生效时间慢，逐跳抑制可以快速缓解拥塞点压力

• 载荷脱落 => 丢弃分组，根据应用场景选择不同的脱落策略

• 随机早期检测可以防范于未然

5.20 流量整形

漏桶算法

• 可以让一个不稳定的流，整为一个稳定的流
• 无法突发
• 桶满时，丢弃分组

令牌桶算法

• 当一个分组要发送时，必须从桶中取出和获取到一个令牌
• 令牌桶可以累计令牌，允许有上限的突发
• 桶满时，丢弃令牌
• 有时候，可以在令牌桶后，再串接一个漏桶