Ad Hoc Networks TOPIC THREE ＜IP Addressing and Internet Protocol＞【Personal Notes】

Ad Hoc Networks TOPIC THREE

Classful IP Address Structure
- Private IP addresses
Router——connect different network
Internet Protocol（Routable Protocol）
- IP Datagram Structure
- - Fragmentation
- Summary
IP Network Routing
- 一. Distance Vector Protocols 距离向量协议
- - DV Algorithms
  - Routing Information Protocol (RIP)
  - - 1. 一些周期
    - 2. routing table 更新
    - 3. routing table 结构
    - 4. 存在的问题
    - - 场景一
    - 5. 解决办法
    - 6. Summary of RIP
- 二. Link State Protocols 链路状态协议
- - Dijkstra’s Algorithm
  - 例子协议——Open Shortest Path First（OSPF）
  - - 1. OSPF 结构
    - 2. OSPF 更新
    - 3. Hello Messages
    - 4. 五种报文
    - 5. Scaling
- Subnet
- - 子网掩码Subnet Masks
  - - Construct
  - 如何应用
  - Variable Length Subnet Mask（VLSM）
  - - 情景一：分配子网【20+20+50】
    - 情景二：已知IP求子网掩码
- Layer 2 / Layer 3 Address Usage
- - MAC Address
  - Address Resolution Protocol (ARP)
  - Reverse Address Resolution Protocol（RARP）
  - 情景一：相同子网通信（通过链路层）
  - 情景二：不同子网通信
  - 情景三

其他资料

知乎传送门：IP 基础知识全家桶
距离矢量和链路状态的对比

正文：

Classful IP Address Structure

network size: A>B>C
network number : C>B>A

IP地址：用来识别network interface的唯一地址

为什么IP地址分配给network interface而不是物理设备：一个物理设备可能有多个network interface（比如router）（识别物理设备的是network point of attachment (NPA) address, or MAC address or data link identifier.）

Private IP addresses

intro net IP address
Internet IP address

Router——connect different network

两种路由协议
1. routable protocol：可路由协议，也被称为路由协议，是那些封装信息和数据到包（比如IP）
2. routing protocol：路由器会寻找每个packet最佳的路由路径

Internet Protocol（Routable Protocol）

在不同的network中传输信息

Two main function：
1. packet forwarding
2. 分割PDU

router在network layer增加header时做了什么

IP Datagram Structure

IHL: Internet header length。表明data起始位置（因为header里有可选内容，header的长度并不固定，所以需要记录length）
Total length：总长度（总长度最大64kb，因为最多记录2¹⁶bits；最小20bytes）
TTL: 当前datagram的有效时长（现实中的设备时钟可能不同步，所以不使用时间戳而是规定可在不同network中传播的次数）
Protocol：Transport layer中适用哪种协议（TCP【Transmission Control Protocol】/ UDP【User Datagram Protocol】）

Fragmentation

保证IP datagram 能被所有网络中的network所处理

ID：所有片段ID要相同
offset：
MF：表示当前片段的last unit是否是原数据的尾部（而不是：是否还有片段，因为片段到达顺序不确定），1表示否；0表示是
DF：表示当前数据能否被分段（设置选项1的原因是：可用来检测network最大容量），0表示可以分段；1表示不能

Summary

IP的特点：

两大功能：发送数据表/ 分割数据表
不受MTU（Maximum Transmission Unit）影响
不能保证服务质量
独立于物理网络：与终端结构（mechanism）无关
是逻辑地址

IP Network Routing

自治系统（Autonomous System），即AS

根据实现方法分类：

source routing：每个节点根据预先选择的节点路径经行跳跃。
next-hop routing：每个节点只关心下一个

在计算机网络中，源路由允许数据包的发送者部分或完全指定数据包在网络中的路线。相反，在非源路由协议中，网络中的路由器根据数据包的目的地确定路径。

Default Route

end-system：出入经由一个router（该router为默认router）
其他：出入经由不只一个router（此时需配置一个默认router）

Static Routing

Dynamic Routing

Convergence

整个网络中的路由器拥有统一的关于网络连接的更新信息

一. Distance Vector Protocols 距离向量协议

DV Algorithms

特点

让每个路由器通过邻居路由器得知network中的其他节点
获取全部信息后，根据DV Algorithms更新Routing Table，计算通向每个可能目的地的最短路径和下一跳
信息将被广播，耗费时间
难以“收敛”（整个网络中的路由器拥有统一的关于网络连接的更新信息）
难以保留正确信息

方框：路由器
实线：network
数字：cost（在本图中，跳数不是评判cost的唯一标准，可能还包括电缆长度和带宽）

Routing Table

Updates

输入和输出

Routing Information Protocol (RIP)

通过提供输入参数信息，提供了让网络中路由器发送更新的途径。借此每个路由器生成routing table
是一种 interior gateway protocol (IGP)，实现了DV Algorithms
最多15跳（16代表不可用/ 无限远）（因此适用于小型网络）

format：

一条信息最大512bytes （entry<dest, cost>）
每个RIP响应最大25条entries（25个相邻节点），大于25需要更多的RIP
当一个初始化的路由器出现，它将向邻居路由器发送request请求RIP信息，计算自己的routing table

UDP：User Datagram Protocol

路由器定期向邻居发送自己包含routing table entries的响应；当收到请求，也会发送响应（即使没到发送周期）
从相邻节点获得信息的途径：定期广播/ 发送请求（事件驱动）

1. 一些周期

每隔30s路由器向邻居广播自己的路由表信息
180秒未收到RIP更新：标为无限远
又过了60秒：从routing table中删除

2. routing table 更新

如果收到的更新dest比已有的dest更大：将其标为无限远

3. routing table 结构

Destination IP Address（只包含net ID部分，因此不被网络内部的结构改变所影响）
Metric (hop count 1-15, 16 unreachable)(cost)
Next Hop, Advertising Router – split horizons
Timeout (seconds)

两种RIP routers

主动：周期性广播
被动：不发送更新

4. 存在的问题

场景一

B与C的连接断开，B将C修改为unreachable，在B广播更新前，B收到了A的过时的更新。

出错原因：发出的更新信息只包含目标和cost
解决办法：Split Horizon 和 hold down

5. 解决办法

减缓错误更新传播速度的方法，促进收敛（仍然无法完全避免成环）
1. Split Horizon 水平分割：更新信息不包括接收方作为下一跳的条目
2. Poison Reverse 毒性逆转：推迟unreachable的广播（两个广播周期）
3. Triggered Updates 触发更新：发生事件时马上更新（不再等待30秒）
4. Hold-Down Timer：等60秒再修改路由消息

6. Summary of RIP

广播耗能
跳数限制
会成环
只存储一条路径
无安全保障
收敛过慢
• Broadcasts (not scalable)
• Infinity of 16 (not large enough)
• Routing loops
• Poor robustness – only one path to a destination is stored
• Does not use variable length subnet masks - classful
• Insecure
• Reliance on fixed metrics to calculate routes
• Slow convergence – instability when routes change rapidly

subnet masks：RIP不交换子网掩码信息
根据跳数计算距离，限制了route selection mechanism
timer ?

二. Link State Protocols 链路状态协议

Dijkstra’s Algorithm

Dijksra的算法是一个贪婪算法,时间复杂度是O(VLogV)(使用最小堆)。但是迪杰斯特拉算法在有负权值边的图中不适用,Bellman-Ford适合这样的图。在网络路由中，该算法会被用作距离向量路由算法。
Bellman-Ford也比迪杰斯特拉算法更简单和同时也适用于分布式系统。但Bellman-Ford的时间复杂度是O(VE),这要比迪杰斯特拉算法慢。（V为顶点的个数,E为边的个数

例子协议——Open Shortest Path First（OSPF）

OSPF所发送的LSA（link state advertisements）只包含link（到邻居的cost）——RIP发送的routing table包含了dest和cost
LSA只包含邻居的信息，而不是整个网络的路由信息
RIP选择跳数少的，OSPF选择代价小的

工作步骤

结识邻居neighbours（连接到同一个链路的路由器） – discovery mechanism
邻接（虚拟的点对点连接）（从邻居关系中选出的为了交换路由信息而形成的关系）
发送LSA到邻接
在link state database中记录LSA并原封不动转发
通过将LSA泛洪，所有路由器将构建相同的链路状态数据库
每个路由器使用SPF算法计算一个无环图（SPF树），描述到每个已知目的地的最短（最低成本）路径
根据SPF树构建自己的routing table
两个相邻的路由器通过发报文的形式成为邻居，邻居再相互发送链路状态信息形成邻接，之后各自根据SPF算出路由，放在OSPF路由表

1. OSPF 结构

LSA包括：

node ID：谁生成的LSA
Sequence number：判断是否首次收到当前LSA
Dijkstra’s shortest path algorithm

Destination IP地址的不同导致发送对象类型的不同

2. OSPF 更新

LSA只发送一次，拓扑结构变化时才更新
OSPF十分“安静”，发送消息的频率更低（30mins）
所有路由器广播完毕后，开始各自SPF

3. Hello Messages

周期广播
建立邻接

4. 五种报文

Hello 问候：建立并维护邻居关系
DBD 数据库描述：发送链路状态头部信息
LSR 链路状态请求：把从DBD中找出需要的链路状态头部信息传给邻居，请求完整信息
LSU 链路状态更新：将LSR请求的头部信息对应的完整信息发给邻居
LSACK 链路状态确认应答：收到LSU报文后确认该报文

5. Scaling

           To be continued

Subnet

定义：将network在内部分割
优点
1. 提供额外的灵活性，减少拥塞
2. 使多个物理网络共享net ID
3. 隐藏复杂性
4. 对外界隐蔽，相对安全，隐私

子网掩码Subnet Masks

表明了network中是否有subnet
让路由器识别subnet ID

Construct

对于ABC三种IP的子网掩码：net ID全为1，host ID全为0

其他类型网络的子网掩码：

对外为一整体，所以net ID不变；使用host ID中的一部分作为subnet bits

为什么是2046个而不是2048：保留全1和全0的地址作为特殊用途（255.255.255.255/ 0.0.0.0）
主机号全为 1 指定某个网络下的所有主机，用于广播
主机号全为 0 指定某个网络

如何用IP地址表示整个网络/子网：将host ID部分用0替代

如何应用

估计subnet数量或host数量
保留掩码bits
查找网络范围（也就是每个子网的host数量）

Variable Length Subnet Mask（VLSM）

支持不同大小的子网

情景一：分配子网【20+20+50】

将subnet No.2再分

情景二：已知IP求子网掩码

首先通过第一个字节的大小判断属于哪一类（ABC），得到net ID长度
斜线后的数等于net ID+subnet bits。

Layer 2 / Layer 3 Address Usage

网络/子网里没有路由器，packet到达网络/子网后怎么找到目标主机：通过硬件地址（network point of attachment (NPA) address, or MAC address or data link identifier）

MAC Address

由设备制造商分配

Address Resolution Protocol (ARP)

ARP请求是广播的；ARP应答是单播的

为什么请求要广播：不知道目标IP的MAC；让其他设备记录发送者的IP和MAC，以备不时之需

Reverse Address Resolution Protocol（RARP）

RARP请求包被广播；RARP应答包被单播。

情景一：相同子网通信（通过链路层）

情景二：不同子网通信

设备如何知道目标是否在同一subnet下：通过子网掩码，得知subnet ID不同，所以属于不同子网

情景三