计算机网络第四章总结
目录
4.1网络层的几个重要概念
*4.1.1网络层提供的两种服务
*4.1.2网络层的两个层面
4.2网际协议IP
4.2.1虚拟互联网络
*4.2.2IP地址
1.IP地址及其表示方法
2.分类的IP地址
3.无分类编址CIDR
4.IP地址的特点
*4.2.3IP地址与MAC地址
4.2.4地址解析协议ARP（IP地址转为MAC地址）
*4.2.5IP数据报的格式
1.说明IP数据报首部的固定部分中的各字段：
2.IP数据报首部的可变部分
4.3 IP转发分组的过程
4.3.1基于终点的转发
4.3.2最长前缀匹配
4.3.3使用二叉线索查找转发表
4.4网际控制报文协议ICMP
4.4.1 ICMP报文的种类
4.5 IPv6
4.5.1 IPv6的基本首部
4.5.2 IPv6的地址
4.5.3从IPv4向IPv6过渡
4.5.4 ICMPv6
*4.6互联网的路由选择协议
4.6.1有关路由选择协议的几个基本概念
1.理想的路由算法
2.分层次的路由选择协议
4.6.2内部网关协议RIP
1.协议RIP的工作原理
2.协议RIP的特点
3.RIP的基本工作过程
4.RIP的路由条目的更新规则
5.坏消息传播得慢
4.6.3内部网关协议OSPF
1.协议OSPF的基本特点
2.OSPF的五种分组类型
4.6.4外部网关协议BGP
1.协议BGP的主要特点：
2.BGP路由
3.三种不同的自治系统AS
4.BGP的路由选择
5.BGP的四种报文
4.6.5路由器的构成
1.路由器的结构
2.交换结构
4.7 IP多播
4.7.1 IP多播的基本概念
4.7.2网际组管理协议IGMP和多播路由选择协议
4.8虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT43
4.8.1虚拟专用网VPN
4.8.2网络地址转换
4.9多协议标签交换MPLS
4.1网络层的几个重要概念
*4.1.1网络层提供的两种服务
虚电路服务：当两台计算机进行通信时，也应当先建立连接（但在分组交换种是建立一条虚电路VC）以预留双方通信所需的一切网络资源。
数据报服务：网络层要设计得尽量简单，向其上层只提供简单灵活的，无连接的，尽最大努交付的数据报服务。
*4.1.2网络层的两个层面
路由器之间传送的消息有以下两大类：
第一类是转发源主机和目的主机之间所传送的数据；
第二类是传送路由信息。
网络层抽象地划分为数据层面（或转发层面）和控制层面。
4.2网际协议IP
网际协议IP与以下三个协议配套使用，分别是:
地址解析协议ARP；
网际控制报文协议ICMP；
网际组管理协议IGMP。
4.2.1虚拟互联网络
虚拟互联网络：在网络层上看起来好像是一个统一的网络。
虚拟互联网络使用一些中间设备进行连接，分别是：
1.物理层使用的中间设备叫做转发器；
2.数据链路层使用的中间设备叫做网桥或桥接器，以及交换机；
3.网络层使用的中间设备叫做路由器；
4.在网络层以上使用的中间设备叫做网关。
直接交付：不需要经过任何路由器；
间接交付：需要经过路由器。
注意：互联网可以由多种异构网络互联组成。
*4.2.2IP地址
1.IP地址及其表示方法
IP地址：连接到互联网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口，分配一个在全世界范围内是唯一的32位的标识符。
为了方便书写和记忆，通常使用点分十进制记法表示：
32位的IP地址采用两级结构，由两个字段组成：
第一个字段是网络号（表示主机或路由器所连接的网络）；
第二个字段是主机号（表示该主机）。
2.分类的IP地址
IP地址分为以下几类：
需要注意以下几点：
第一，网络号为全0的IP地址表示‘’本网络’‘；
第二，主机号为全0的IP地址表示’‘本主机’‘连接到的单个网络地址；
第三，主机号为全1的IP地址表示该网络上的所有主机；
第四，网络号为127（即01111111）保留作为本地软件环回测试本主机的进程之间的通信之用。
第五，通常在计算网络上的最大主机数时，应该减去2，表示扣除全0和全1的主机号（即第二点和第三点）。
以下是一般不指派的特殊IP地址（根据以上五点注意理解）：
3.无分类编址CIDR
该编制方法的全名为无分类域见路由选择CIDR，其要点有以下三点：
1.网络前缀：网络前缀与网络号类似，但最大的区别是网络前缀的位数n不是固定的数，而是可以在0~32之间选取任意的值。
CIDR使用’‘斜线记法’‘或称为CIDR记法，即在IP地址后面加上斜线’‘/’‘，斜线后面是网络前缀所占的位数。
2.地址块：CIDR把网络前缀都相同的所有连续的IP地址组成一个’‘CIDR地址块’‘。
3.地址掩码（或子网掩码）：由一连串1和接着一连串0组成，而1的个数就是网络前缀的长度。
将二进制的IP地址和地址掩码进行按位AND运算，即可得出网络地址。
CIDR地址中还有三个特殊地址块，即：
1.前缀n=32，该特殊地址用于主机路由；
2.前缀n=31，该地址块中只有两个IP地址，其主机号分别是0和1，这个地址块用于点对点链路；
3.前缀n=0，该特殊地址用于默认路由。
路由聚合：一个大的CIDR地址快中往往包含很多小地址快，所以在路由器的转发表中就利用比较大的一个CIDR地址来代替许多比较小的地址快。
路由聚合的特点：
1.网络前缀越短的地址快所包含的地址数就越多；
2.当路由器查表转发分组时发现有多条路由可选，则选择网络前缀最长的那条，这称为最长前缀匹配，因为这样的路由更具体。
4.IP地址的特点
IP地址具有以下特点：
1.IP地址是一种分等级的地址结构；
2.实际上IP地址是标志一台主机（或路由器）和一条链路的接口；
3.使用转发器和交换机连接起来的若干给局域网仍为一个网络（具有相同的网络前缀），要使局域网的网络前缀不同必须使用路由器进行互联。
4.在IP地址中，所有分配到网络前缀的网络都是平等的。
*4.2.3IP地址与MAC地址
从层次的角度看这两种地址，MAC地址是数据链路层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。
IP地址与MAC地址的特点：
1.在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报；
2.发路由器只根据目的站的IP地址进行转；
3.在局域网的链路层，只能看见MAC帧。
4.2.4地址解析协议ARP（IP地址转为MAC地址）
地址解析协议ARP：在主机ARP高速缓存中存放一个从IP地址到MAC地址的映射表，并且这个映射表还经常动态更新（新增或超时删除）。
注意：从IP地址到MAC地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。
*4.2.5IP数据报的格式
以上为IP数据报的格式。
1.说明IP数据报首部的固定部分中的各字段：
1.版本：占4位，指协议IP的版本（IPv4或IPv4）；
2.首部长度：占4位，表示首部长度（最大数值为15，单位是32位，即首部长度最大是60B）
3.区分服务：占8位，用来获得更好的服务；
4.总长度：占16位，总长度指首部和数据之和的长度，单位位字节；
5.标识：占16位，IP软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此指赋值给标识字段（常用于分片）；
6.标志：占3位，标志字段中的最低为记为MF，当MF=1表示后面’‘还有分片’‘的数据报，当MF=0则表示这已是若干数据报片中的最后一个；
7.片偏移：占13位，表示较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置；
8.生存时间：占8位，表示数据报在网络中的寿命，生存时间字段用TTL表示，当TTL=0时（跳数限制，当经过一个路由器时，TTL减1），丢弃该数据报；
9.协议：占8位，表示此数据报携带的数据使用何种协议，以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给那个协议进行处理；
10.首部检验和：占16位，这个字段只检验数据报的首部（重新计算生存时间，标志，片偏移等），不包括数据部分；
11.源地址：占32位，发送IP数据报的主机的IP地址；
12.目的地址：占32位，接收IP数据报的主机的IP地址。
2.IP数据报首部的可变部分
IP数据报首部的可变部分就是一个选项字段，选项字段用来支持排除，测试以及安全等措施，内容很丰富。
4.3 IP转发分组的过程
4.3.1基于终点的转发
分组在互联网上传送和转发是基于分组首部中的目的地址的，因此这种转发方式称为基于终点的转发。
分组转发的过程：
第一步：先判断目的主机是否连接在本网络上，如果是，则为直接交付，如果不是，则为间接交付；
第二步：将分组的目的地址与本网络的子网掩码按位进行AND运算，得出目的地址的网络前缀，判断是否在本网络；
第三步：根据网络前缀进行查找路由器转发表的操作，该过程称为寻找前缀匹配的过程；
第四步：网络前缀匹配的路由器调用ARP协议，解析出目的主机的MAC地址，再封装成链路层的帧，直接交付给目的主机。
4.3.2最长前缀匹配
最长前缀匹配：如果一个分组在转发表中可以找到多个匹配的前缀，那么就应当选择前缀最长的一个作为匹配的前缀。
主机路由（特定主机路由）：采用特定主机路由可使网络管理人员更加方便的控制网络和测试网络，同时也可在需要考虑某种安全问题时采用这种特点主机路由。
默认路由：无论分组的最终目的网络在哪里，都由指定的路由器R来处理（默认路由可以接收所有目的地址）。
4.3.3使用二叉线索查找转发表
首先，找到转发表内每一个IP地址的唯一前缀，然后根据唯一前缀构造二叉线索，接着在进行查找时，只要能够和唯一前缀相匹配就行了，最后将唯一前缀（叶节点）所对应的目的地址与该叶节点的子网掩码进行按位AND运算，其结果如果与对应网络前缀匹配，则按下一跳的接口转发分组，否则就丢弃该分组。
4.4网际控制报文协议ICMP
ICMP报文的格式：
4.4.1 ICMP报文的种类
ICMP报文有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。
ICMP差错报告报文共有四种：
1.终点不可达：当路由器或主机不能交付数据报时就向源点发送终点不可达报文。
2.时间超过：当路由器收到生存时间为零的数据报时，除了丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。
3.参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的只不正确时，就丢弃该数据报，向源点发送参数问题报文。
4.改变路由（重定向）：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应该将数据报发送给另外的路由器。
以下是不应发送ICMP差错报告文的几种情况：
1.对ICMP差错报告报文，不再发送ICMP差错报告报文；
2.对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片，都不发送ICMP差错报告报文；
3.对具有多播地址的数据报，都不发送ICMP差错报告报文；
4.对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报，不发送ICMP差错报告报文。
常用的ICMP询问报文有两种，即：
1.回送请求或回送回答：ICMP回送请求报文是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问；
2.时间戳请求或时间戳回答：在ICMP时间戳请求报文发出后，就能够收到对方响应的ICMP时间戳回答报文。
4.5 IPv6
4.5.1 IPv6的基本首部
IPv6相对于IPv4来说，有更大的地址空间，扩展的地址层次结构，灵活的首部格式，改进的选项，允许协议继续扩充，支持即插即用，支持资源的预分配，IPv6首部改为8字节对齐。
以下图片为IPv6基本首部和有效载荷：
1.版本：占4位，标识协议的版本；
2.优先级（通信量类）：占8位，区分不同的IPv6数据报的类别或优先级和IPv4的区分服务字段的作用相似；
3.流标号：占20位，IPv6的一个新的机制是支持资源预分配，并且允许路由器把每一个数据报与一个给定的资源分配相联系；
4.有效载荷长度：占16位，它指明IPv6数据报除基本首部以外的字节数（所有扩展首部都算在有效载荷之内）；
5.下一个首部：占8位，它相对于IPv4的协议字段或可选字段；
6.跳数限制：占8位，防止数据报在网络中无限期地存在；
7.源地址和目的地址。
4.5.2 IPv6的地址
IPv6数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一：
1.单播；
2.多播；
3.任播：任播的终点是一组计算机，但数据报只交付其中的一个，通常是按照路由算法得出的距离最近的一个。
IPv6地址占128位，使用冒号十六进制记法，并且允许零压缩（一连串连续的零可以为一对冒号取代，但在一个地址中只能使用一次）
以下是IPv6的常用地址分类：
4.5.3从IPv4向IPv6过渡
1.双协议栈：表示主机同时装有IPv4和IPv6两种协议栈；
2.隧道技术：在IPv6数据报要进入IPv4网络时，把IPv6数据报封装成IPv4数据报。
4.5.4 ICMPv6
1.地址解析协议ARP和网际组管理协议IGMP的功能被合并到ICMPv6；
2.ICMPv6是面向报文的协议，它利用报文来报告差错，获取学习，探测邻站或管理多播通信。
*4.6互联网的路由选择协议
4.6.1有关路由选择协议的几个基本概念
1.理想的路由算法
1.算法必须是正确的和完整的；
2.算法在计算上应简单；
3.算法应能适应通信量和网络拓扑的变化；
4.算法应具有稳定性；
5.算法应是公平的；
6.算法应是最佳的。
根据路由算法能否随网络的通信量或拓扑自适应地进行调整变化来划分，则只有两大类，即静态路由选择策略与动态路由选择策略。
2.分层次的路由选择协议
自治系统AS：在单一技术管理下的许多网络，IP地址以及路由器，而这些路由器使用一种自治系统内部路由选择协议和共同的度量。
路由选择协议划分为：
1.内部网关协议IGP：具体的协议有多种，如RIP和OSPF等；
2.外部网关协议EGP：目前使用的协议是BGP-4。
自治系统之间的路由选择协议叫做域间路由选择协议，而在自治系统内部的路由选择叫做域内路由选择协议。
4.6.2内部网关协议RIP
1.协议RIP的工作原理
RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是互联网的标准协议，其最大的优点就是简单。
RIP使用跳数作为度量来衡量到达目的网络的距离：
1.路由器到直连网络的距离定义为1（也可以是0）；
2.路由器到非直连网络的距离定义为所经过的路由器加1；
3.允许一条路径最多只能包含15个路由器，当’‘距离’‘等于16时相当于不可达，因此RIP只适用于小型互联网。
2.协议RIP的特点
1.仅和相邻路由器交换信息；
2.路由器交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己现在的路由表；
3.按固定的时间间隔交换路由信息。
3.RIP的基本工作过程
1.路由器刚开始工作时，只知道自己到直连网络的距离为1；
2.每一个路由器仅和相邻路由器周期性地交换并更新路由信息；
3.若干次交换和更新后，每一个路由器都知道到达本AS内各网络的最短距离和下一跳地址，称为收敛。
4.RIP的路由条目的更新规则
1.发现了新的网络，添加
2.到达目的网络，相同下一跳，最新消息，更新
3.到达目的网络，不同下一跳，新路由优势，更新
4.到达目的网络，不同下一跳，新路由劣势，不更新
5.到达目的网络，不同下一跳，等价负载均衡
负载均衡：如果到同一个目的网络由多条相同代价的路径，那么可以将通信量分配到这几条路径。
5.坏消息传播得慢
坏消息传播得慢：称为路由环路或距离无穷计数问题，这是距离向量算法的一个固有问题，可以采取多种措施减少出现该问题的概率或减小该问题带来的危害。
4.6.3内部网关协议OSPF
1.协议OSPF的基本特点
开放最短路径优先OSPF是为了克服RIP的缺点在1989年提出来的，其中’‘最短路径优先’‘是因为使用了最短路劲算法SPF。
协议OSPF的特点是：
1.向本自治系统中所有路由器发送信息；
2.发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息；
3.当链路状态发生变化或间隔一段时间，路由器向所有路由器用洪泛法发送链路状态信息。
2.OSPF的五种分组类型
OSPF共有以下五种分组类型：
1.问候分组；
2.数据库描述分组；
3.链路状态请求分组；
4.链路状态更新分组；
5.链路状态确认分组。
4.6.4外部网关协议BGP
1.协议BGP的主要特点：
边界网关协议BGP只能是力求选择除一条能够到达目的网络前缀且比较好的路由（不能兜圈子），而并非要计算出一条最佳路由。
BGP采用了路径向量路由选择协议。
2.BGP路由
在一个自治系统AS中有两种不同功能的路由器，即边界路由器（或边界网关）和内部路由器。
根据路由器的连接对象的不同，可以分为eBGP连接和iBGP连接：
eBGP连接：表示两个边界路由器之间建立的连接（可发送类似’‘X,AS,R''的信息，意思是从R路由器进入，经过AS自治系统，可到达X目的地址）；
iBGP连接：表示两个在自治系统AS内两个路由器建立的连接（iBGP连接的作用主要是将边界路由接收到的信息进行解析找到自治系统内的路由器）（注意：在AS内部的所有iBGP连接必须是全联通的）。
3.三种不同的自治系统AS
AS可以划分为三种类型：末梢AS，穿越AS和对等AS。
4.BGP的路由选择
当到前缀X有两条或多条BGP路由可供选择时，可以根据以下原则进行选择：
1.本地偏好值最高的路由要首先选择；
2.选择具有AS跳数最少的路由；
3.使用热土豆路由选择算法；
4.选择路由器BGP标识符的数值最小的路由。
5.BGP的四种报文
在RFC 4271中规定了BGP-4的四种报文：
1.OPEN（打开）报文，用来与BGP连接对等端建立关系；
2.UPDATE（更新）报文，用来通告某一路由的信息，以及列出要撤销的路由；
3.KEEPALIVE（保活）报文，用来周期性的证实与对等端的连通性；
4.NOTIFICATION（通知）报文，用来发送检测到的差错。
4.6.5路由器的构成
1.路由器的结构
如图，路由器的结构分为：路由选择部分和分组转发部分：
其中路由表和转发表的注意事项：
1.路由表一般包含从目的网络到下一跳的映射；
2.路由表需要对网络拓扑变化的计算最优化；
3.转发表是从路由表得出的；
4.转发表的结构应当是查找过程最优化。
2.交换结构
三种常用的交换方法：
1.通过存储器；
2.通过总线；
3.通过互连网络。
4.7 IP多播
4.7.1 IP多播的基本概念
IP多播：只需要发送一个分组给多播路由器，多播路由器把收到的分组进行复制，然后再将副本进行发送。
多播路由器：能够运行多播协议的路由器称为多播路由器。
多播地址只能用于目的地址，不能用于源地址。
IP多播可以分为两种：一种是只在本局域网上进行硬件多播，另一种是在互联网的范围进行多播。
4.7.2网际组管理协议IGMP和多播路由选择协议
IGMP协议：让连接在本地局域网上的多播路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出了某个多播组。
多播路由选择协议：将连接在局域网上的多播路由器和互联网上的其他多播路由器协同工作，把多播数据报用最小代价传送给所有组的成员。
4.8虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT43
4.8.1虚拟专用网VPN
本地地址：仅在本机构有效的IP地址；
全球地址：向互联网管理机构申请全球唯一的IP地址为全球地址；
专用地址：在互联网中的所有路由器，对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。例如：
虚拟专用网VPN：利用公用的因特网作为本机构各专用网之间的通信载体的专用网。
内联网VPN：同一机构内不同部门的内部网络所构成的虚拟专用网VPN。
外联网VPN：有时一个机构的VPN需要有某些外部机构参加进来的虚拟专用网VPN。
远程接入VPN：在外地工作的员工需要访问公司内部的专用网络时，只要在任何地点接入到因特网，运行驻留在员工PC中的VPN软件，在员工的PC和公司的主机之间建立VPN隧道，即可访问专用的网络中的资源。
4.8.2网络地址转换
网络地址转换NAT：NAT能使大量使用内部专用地址的专用网络用户共享少量外部全球地址来访问因特网上的主机和资源。
注意：通过NAT路由器的通信必须由专用网内的主机发起。
4.9多协议标签交换MPLS
MPLS是一种标签转发技术，它采用无连接的控制平面和面向连接的数据平面，无连接的控制平面实现路由信息的传递和标签的分发，面向连接的数据平面实现报文在建立的标签转发路径上传送。MPLS域内，交换机不需要查看每个报文的目的IP地址，只需要根据封装在IP头外面的标签进行转发即可，这样可以大大提高效率。
标签（Label）：是一个定长的，比较短的，只具有本地意义的标识。
FEC（转发等价类）：一组或一类数据，这组数据分配的标签相同
LSP（标签交换通道）：一个FEC的数据流，在不同的节点被赋予确定的标签,数据转发按照
这些标签进行。数据流所走的路径就是LSP。
LSR（Label Switching Router）： LSR是MPLS的网络的核心交换机，它提供标签交
换和标签分发功能。
（Label Switching Edge Router）：在MPLS的网络边缘，进入到MPLS网络的流量由LER分为不同的FEC，并为这些FEC请求相应的标签。它提供流量分类和标签的映射、标签的移除功能。
————————————————
版权声明：本文为CSDN博主「Looo~ye」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/keith6785753/article/details/107058276
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