网络层

网络层

网络层的功能

1. 异构性指的是传输介质、数据编码方式、链路控制协议及不同的数据单元格式和转发机制，这些特点分别在物理层协议和数据链路层协议中定义。
2. 虚电路详情见书P128
3. 虚电路中分组到达顺序与发出顺序是相同的。
4. 虚电路是一种分组交换技术，它可以采用存储转发的方式工作。
5. 虚电路不只是临时性的，他一共的服务包括永久性虚电路和交换型虚电路，后者是一种临时性的连接。
6. TCP/IP模型的网络层提供的是无连接不可靠的数据报服务。
7. SDN是一种新型网络体系结构，是一种设计、构建和管理网络的新方法，不是一种新型物理网络结构。ps:详情见书p130
8. SDN对上层开发者提供的编程接口称为北向接口，而南向接口则负责控制平面和数据平面间的通信，所以SDN控制器向数据平面的SDN交换机下发流表时使用南向接口。
9. 路由器是网络层设备，向传输层及以上层隐藏下层的具体实现，所以物理层、数据链路层、网络层协议可以不同。使用特定的路由器连接IPv4和IPv6网络，就是典型的网络层协议不同而实现互连的例子。

IPv4

1. IP首部前两个字节往往以0x45开头，解题时可用于定位IP数据报的开始位置。

IPv4分组

1. MTU（最大传送单元）：一个链路层数据帧能承载的最大数据量。如以太网的MTU = 1500B。
2. TTL（生存时间）：数据报在网络中可通过的路由器数量最大值。
3. 校验和字段检查的范围是IP数据报的首部，不包括数据部分。
4. 若分组长度超过MTU时，并且DF = 1，则丢弃该分组，并且要用ICMP（终点不可达报文）向源主机报告差错。
5. 注意！！要求一个帧的数据部分长度必须是8B的整数倍，并且不能超过MTU - 首部大小。
6. 片偏移部分以8B为偏移单位。418，首总偏
7. 传输层封装为网路层时无坑，不需要考虑MTU，只有当网络层要封装成MAC帧时才需要考虑进行分片。
8. 若传输层使用TCP，则大概率网络层到链路层时是不需要进行分片的，因为会进行协商根据MTU反推MSS；若用UDP，则有可能发生分片。
9. 一个IP数据报被分片后可能还会发生分片，这取决于每段链路所规定的MTU，是对分完片后的片再进行分片，而不是以原始IP数据报为基础以新的MTU进行分片。重组仅在目的主机进行。
10. 片偏移字段是针对原始数据报的，并非基于父片。

校验和计算方法：先把IP数据报的首部划分为许多16bit的序列，用反码算术运算把所有16bit相加后，将得到的和的反码写入校验和字段。

网络层发现首部校验和错误会直接丢弃，并不会发送ICMP差错报文。

IP地址 + 整章串讲

1. 如何记忆：固定前八位确定种类，第一次填0，每次在开头填充1，也就是A类有126个（128 - 全零 - （127））。只看最高八位，每次可分配的越来越少，A - 126、B - 63、C - 31 、D - 15.只记A类有两个特殊全零和全一不能取，以及B类开始和结束是128 - 191，其他的现推

子网划分和子网掩码

无分类编址CIDR

1. 路由聚合是CIDR的强大功能。
2. 在CIDR发明前就能够实现子网的划分，也就是定长子网掩码。

路由聚合

网络地址转换NAT

1. 在没有给出具体 NAT 转换表的情况下，NAT 路由器默认会使用其连接外部网络的接口 IP 地址作为转换后的外网源 IP。
2. 在408考试范围内，这里以Web服务器为例，在客户端一侧的NAT路由器中，通常不进行手动配置，而在服务器一端的NAT路由器通常需要手动配置上外网IP和端口对应的内网IP和端口，否则外来数据无法找到服务器；客户端一侧通常在数据想外传的时候自动记录，而且客户端的端口号是随机分配的，因此不能手动记录。
3. 外网访问内网服务器，必须有“静态预设”。也就是假设内网内有一台Web服务器，外网主机想要请求内网服务器，需要静态配置内网服务器的内外网IP，以及内外网的端口号。

地址解析协议ARP

1. 通过ARP知道了对方的MAC地址是否还需要通过默认网关转发:

同子网：凭对方 MAC 直发，无需网关；

跨子网：无论是否知道目标 MAC，二层只能发给网关 MAC，必须经过网关转发。

1. 路由器的每个端口都独立拥有一份ARP表

2. 默认网关的MAC地址也放在ARP表里。

动态主机配置协议DHCP

1. UDP端口号不是随便分配的，特定的端口号是给特殊的需要用的，就比说DHCP客户端进程的端口号等等。
2. 对于圈三REQUEST报文，为什么网络层还是个广播帧：因为可能存在多个DHCP服务器，最终主机接受的是谁分配的IP是不得而知的，所以需要广播出去。
3. 如何记忆DHCP的报文：DORA（朵拉，Discover、Offer、Request、Acknowledge）

ICMP网际控制报文协议

！！！上图有误！！！差错报告报文中参数问题里“或首部校验出错”是错误的，删去即可。网络层发现首部校验和错误会直接丢弃，并不会发送ICMP差错报文。

IPv6

1. IPv6中不允许在中间路由器进行分片。因此，若路由器发现到来的数据报太大而不能转发到链路上，则丢弃该数据报，并向发送方发送一个指示分组太大的ICMP报文。

IPv6 的主要特点

IPv6 基本首部与 IPv4 的对比

上述见书P179

路由算法与路由协议

路由算法

分层次的路由协议

RIP（Routing Information Protocol路由信息协议）

1. 通过相同下一跳达到目的网络，无论RIP距离变大还是变小，都要进行更新，因为这是最新消息。

RIP的基本概念

RIP的工作示例

OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先协议）

1. LSDB（Link-State Datebase） -- 链路状态数据库

1. 区域包含在自治系统（AS）中。

2. 每个路由器只知道如何将分组路由到自己区区域的目标地址，而不知道如何路由到其他区域。

3. 上图中，缺少了一种路由器：主干路由器。

4. 在 OSPF 中，Area 0 是主干区域，所有其他区域（Area 1, 2 等）的数据互通，必须经过 Area 0 中转。

5. 定义： 只要一台路由器至少有一个接口属于 Area 0，它就是主干路由器。

6. 作用： 它的主要职责就是参与主干区域内部的路由信息交换，充当不同区域之间数据通信的“高速公路骨干节点”。

7. 绝对绑定的关系（必然重叠）：

8. 区域边界路由器 (ABR) 必然是 主干路由器 (BR)： 因为 ABR 的使命就是“连接非主干区域和主干区域”，这意味着它必须有一只脚（接口）踩在 Area 0 里。所以，所有的 ABR 都是 BR，但 BR 不一定是 ABR。

9. 纯主干区域的内部路由器，既是 IR 也是 BR： 如果一台路由器的所有接口都在 Area 0 里。根据定义，所有接口在同一区域叫内部路由器（IR），有接口在 Area 0 叫主干路由器（BR）。所以它同时是 IR 和 BR。

百搭的关系（随时可能重叠）：

• 自治系统边界路由器 (ASBR) 是“百搭”的： ASBR 的唯一判定标准是“是否引入了 OSPF 外部的路由”（比如连接了其他公司的网络，或者连接了 RIP、BGP 协议）。这与它在 OSPF 内部的哪个区域毫无关系。
  • 它如果待在 Area 1 内部，它就是 IR + ASBR。
  • 它如果待在 Area 0 内部，它就是 BR + IR + ASBR。
  • 它如果正好卡在 Area 0 和 Area 1 边界，同时又连接了外网，那它就是 ABR + BR + ASBR（三位一体，最累的路由器）。

绝对互斥的关系（不可能重叠）：

• 区域内部路由器 (IR) 和 区域边界路由器 (ABR) 绝对互斥： IR 的定义是“所有接口都在同一个区域”，而 ABR 的定义是“接口连接了不同的区域”。这两个条件在物理上是直接冲突的，绝不可能同时存在。

• 如果一个AS只有一个区域，ABR 这个角色根本就不存在。

数据库描述因为是存放在IP数据报内，因此可能也会被分片，也就如上图发送了两次数据库描述。

BGP（边界网关协议）

1. BGP 宏观上是处理 AS 之间的协议，但为了打通数据在 AS 内部的传输链路，AS 内部必然存在 BGP 路由器并运行 iBGP。

上述这四种基础报文在 AS 内部（IBGP）和 AS 外部（EBGP）完全通用

IP多播

1. 多播IP地址映射为多播MAC就是前25位固定，后23位是IP的后24位首位换成0

移动IP

移动 IP 的核心逻辑其实就是“异地邮件代收转寄”。当你的设备（移动站）离开原来的网络到了新环境，你想保持原有的 IP 地址不变，从而让正在进行的通信（比如游戏连接）不断开。

我们用“寄快递”来一一对应图里的核心概念：

• 永久地址： 你的老家住址（永远不变，别人找你都按这个地址寄）。
• 归属代理 (本地代理)： 留守老家的管家（负责替你收老家地址的包裹，并给你转寄）。
• 外地代理： 你出差入住的酒店前台。
• 转交地址： 酒店前台的地址（临时地址，管家只认这个地址）。

核心通信过程（408 核心考点）：

• 登记报备（到达外地网络）： 你到了酒店，告诉酒店前台（外地代理），前台负责打电话告诉你家管家（归属代理）你现在的酒店地址（转交地址）。
• 别人给你发消息（接收 IP 分组）： 别人不知道你出差了，还是把包裹寄到你老家（目的 IP = 永久地址）。管家收到后，找个更大的纸箱把原包裹装进去（IP-in-IP 套娃封装），贴上酒店的地址（外层目的 IP = 转交地址）寄出。酒店前台收到后，拆掉外面的大纸箱，把里面的原始包裹交给你。
• 你给别人发消息（发送 IP 分组）： 你想给别人寄包裹，直接把包裹交给酒店前台寄出即可，包裹直接发往目的地。重点：你不需要先把包裹寄回老家让管家代发！（这是 408 常考的“三角路由”特点：接收数据要绕老家一圈，发送数据直接走）。

结合图里的流程，408 经常在这里挖一个坑：你在外地给别人发送数据时，图里明确写了 源 IP 必须填“永久地址”。

网络层设备

1. 路由器的每个物理端口都连接（或对应）一个独立的广播域（即独立的子网/局域网）。 端口IP必须“不同网段”

2. 关于路由器之间的点对点链路是不需要通过ARP来知道另一个端点的MAC地址的。

3. 路由器主要实现物理层、数据链路层、网络层的功能

4. 对于求询问哪段链路可能会发生拥塞：汇聚到某个路由器的特定方向流量之和 > 该方向下一跳链路的带宽，这个路由器就会发生数据包积压，进而引发拥塞。

5. “多端口的网桥”正是交换机（Switch，也叫以太网交换机）。

什么是网桥（Bridge）？ 网桥是工作在数据链路层（OSI 模型第二层）的早期网络设备，主要用于连接两个独立的局域网（LAN）网段。

习题笔记

1. 允许一台主机有两个或两个以上的IP地址，若一台主机有两个或两个以上IP地址，则说明这台主机属于两个或两个以上的网络。

2. 超级杀招:

   是否还在烦恼这类题目：

奇思妙想：想象在切蛋糕，蛋糕的面积是单位1，以此题为例，划分为四块蛋糕，可以有两种分法：

题目里给了一个蛋糕，这里只写出最后8bit，10 00 0010，取了前两位作为子网号

• 均分：四等分，剩下的蛋糕为00、01、11

• 不均分：

  以选项A举例：0 000 0000，占了二分之一的蛋糕，只剩下了四分之一蛋糕，那就分成两块八分之一的蛋糕，也就是取3位，110 -> 192/27（占 \(1/8\)），111 -> 224/27（占 \(1/8\)）。（这正是选项 D）可以发现不重叠，且不引入多余地址。

  以选项C举例：011 0 0000，占了八分之一的蛋糕，还剩八分之五要分成两块，也就是分成一个二分之一，一个八分之一，但是，这 个 \(1/2\) 的子网（/25）前缀只能是 0 或者 1：

  如果前缀是 1，它会和已知题目给的子网 10 重叠，把题目给的子网包括进去了

  如果前缀是 0，它会和选项 C 011 重叠，把后者包括进去了

  因此选项C分不出四个蛋糕。

• 还需要注意的是，有的题目没有给出明确的IP空间，因此初始蛋糕大小是不一定的。

• 在网络中进行数据交换的时候，源IP地址和目的IP地址通常是不变的。除非，二者存在内网地址

• 点对点链路 (Point-to-Point Link)：仅连接两个设备（路由器接口）的独立线路。

/30 掩码专供：主机位 2 位，可用 IP 数量刚好为 2 个（4 - 2 = 2），完美分配给链路两端，杜绝公网 IP 浪费。

/30 IP 极限推导：已知一端 IP，即可锁死另一端 IP。例如本题中，一端接口为 201.1.3.9，推导出网络号为 .8/30，则对端接口 IP 必定是 201.1.3.10。

1. 路由器对收到的IP分组头进行差错校验，丢弃有差错首部的报文，但不保证IP分组不丢失。
2. 若转发目的网络IP地址是一个互联网且没有给出具体的IP地址时（通常也无法给出，因为互联网包括了无数的网络集合，不可能再路由表中一一列出），通常只能采用默认路由的方式，也就是目的地址为0.0.0.0，子网掩码为0.0.0.0
3. 若要求找一特定的IP地址时，子网掩码要取255.255.255.255。
4. 对于记忆直接封装RIP、OSPF、BGP报文的协议分别为：BGP - TCP（BT）、RIP - UDP 、OSPF - IP（OI）