网络层(IP层)知识总结

网络层1.网络层提供的两种服务虚电路(VC):面向链接的，由网络确保提供可靠的服务。

借鉴与电信网络。

两个计算机通信前先建立链接。

数据报服务：网络层向上只提供简单灵活的，无连接的，尽最大努力交付数据报服务。

网络层不提供服务质量承诺。

依据：计算机比电话机智能，有很强的差错处理能力。

由于传输网络不提供端到端的可靠服务，因此路由器可以设计的简单，价格低廉。

2.网际协议IP网际协议IP是TCP/IP体系中最主要的协议之一。

IP协议配套使用的有：●地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)●逆地址解析协议RARP(Reverse Address Resolution Protocol)●网际控制报文协议ICMP(Internet Control Message Protocol)●网际组织管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)ICMP和IGMP使用IP协议IP协议使用ARP和RARP协议IP协议实现网络互连，使参与互连的性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络3.什么是虚拟互联网络(逻辑互联网络)互连起来的物理网络的异构性本来是客观存在的，但利用IP协议可以使这些性能各异的网络在网络层看起来好像是一个统一的网络。

网络的异构性：由于用户需求不同，网络技术发展，导致网络体系中存在不同性能，不同网络协议的网络。

(那么如何使这种存在差别的网络连接到一起，感觉像是一种网络没有障碍的通信——>使用相同的网际协议IP，构成一个虚拟互联的网络。

比如我们通信的过程中，有段网络使用了卫星链路，有的使用了无限局域网，但是IP协议可以使信息在这些网络传输)。

用来连接异构网络的设备：路由器。

4.将网络互连起来要使用一些中间设备，根据中间设备所在层次不同分为：(1)物理层使用的中间设备转发器(repeater)(2)数据链路层使用的中间设备网桥或桥接器(bridge)(3)网络层使用的中间设备路由器(router)(4)网络层以上使用的中间设备网关(gateway)转发器和网桥只是把网路扩大(因此，由转发器和网桥连接起来的若干个局域网仍属于一个网路，只能有一个网路号(主机号不同))路由器实现网络互连（路由器的每一个接口都有不同的网络号IP地址）5.IP地址和物理地址物理地址：数据链路层和物理层使用的地址IP地址：网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址(因为IP使用软件实现的)1.IP地址放在IP数据报首部，硬件地址则放在MAC帧首部2.在局域网中，只能看见MAC帧。

MAC帧在不同的网络上传送时，其MAC帧首部的源地址和目的地址是要发生变化的。

3.在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报。

4.IP地址有32位，局域网的硬件地址是48位6.物理地址与IP地址的匹配<——>ARP与RARP（由物理地址怎样找到对应的IP地址/由IP地址怎样找到对应的物理地址）由于DHCP已经包含RARP现在很少单独使用RARPARP：在主机ARP高速缓冲中存放一个由IP地址到硬件地址的映射表，并且这个表还动态更新（新增和超时删除）。

映射表中存放本局域网各主机和路由器IP地址到硬件地址的映射表。

同一局域网中，ARP解决IP地址到硬件地址映射问题：当主机A向本局域网内某主机B发送IP报，先在自己的ARP高速缓冲中查看有无主机B的IP地址。

如果有，根据IP地址找到对应的硬件地址，将硬件地址写入MAC 帧中，然后把该MAC帧发往此硬件地址。

当B刚入网，或A刚开机ARP高速缓冲中是空的，则A自动运行ARP，找出B的硬件地址。

1)ARP进程在本局域网广播发送一个ARP请求分组，主要内容是“我的IP地址是209.0.0.5，硬件地址是00-00-C0-15-AD-18,我想知道IP地址为209.0.0.6主机的硬件地址”。

2)本局域网所有主机都收到此分组，但是只有目的IP会写入自己的硬件地址，以普通的单播ARP响应分组响应。

同时，B也会把A的IP地址与硬件地址写入自己的ARP高速缓冲中。

3)A收到后，将B的IP和硬件地址写入ARP高速缓冲中。

不同局域网中，ARP解决IP地址到硬件地址映射问题：A无法直接找到远程主机B的硬件地址。

A首先将A所在局域网的路由器IP解析为硬件地址，将IP数据报传送到路由器。

路由器从转发表中找到下一跳路由，同时用ARP 解析出下一跳路由的硬件地址…直至最后。

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。

为什么这样说?当主机A要与另一个网络主机B通信时，首先A是通过ARP找到路由器R1，这是一次ARP的使用，即在A和R1的局域网中使用，由R1找B或与B相连的路由器R2，是在R1和B或R1和R2的局域网中使用的ARP，这是又一次使用ARP，所以说ARP是解决同一个局域网上的IP地址和硬件地址的映射问题。

7.ARP高速缓冲每一个映射项目都设置了生存时间。

超过生存时间的项目就删除掉。

B的网络适配器（网卡）坏掉等都会造成B的硬件地址变化。

8.既然在网络链路上传递的帧最终是按照硬件地址找到目的主机的，那么为什么不直接使用硬件地址进行通信，而是使用抽象的IP地址并调用ARP来寻找相应的硬件地址？（I P 地址的意义）因为全世界存在各种各样的网络，使用不同的硬件地址。

要使这些异构的网络能够相互通信需要非常复杂的硬件地址转换工作，这由用户主机来完成几乎是不可能的，有了统一的IP地址，通信就像连在一个网络上，并且ARP工作过程是由软件自动完成的。

9.网际控制报文协议ICMP为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功机会，使用ICMP(Intetnet Control Message Protocol),ICMP不是高层协议，而是IP层协议。

ICMP分为两种：ICMP差错报告报文和ICMP询问报文ICMP询问报文请求报文的应用ping应用层直接使用网络层ICMP的一个例子，没有通过TCP或UDPICMP差错报告报文时间超时的应用traceroute IP数据报中包含不可交付的UDP10.路由选择协议（核心：路由算法）：使用何种方式获得路由表中各项目由算法能否随网络的通信量或拓扑自适应进行调整分为静态路由选择策略：非自适应路由选择，简单，开销小，不能适应网络变化，适合简单小网络动态路由选择策略：自适应、复杂，开销大，能适应网络变化因特网采用的路由选择协议：自适应(动态的)、分布式路由选择协议11.自治系统(AS)：单一技术管理下的一组路由器即一个自治系统内使用的是相同的路由选择策略。

由路由选择协议是在自治系统内使用还是系统外使用分为：内部网关协议和外部网关协议。

（由历史原因称为网关协议其实是路由器协议）内部网关协议(IGP)：RIP和OSPF（力求最佳路由）外部网关协议(EGP)：BGP-4（力求较好路由，不兜圈）12.路由信息协议RIP(Routing Information Protocol)RIP协议让一个自治系统内所有路由器（交换信息时只和相邻路由器交换）都和自己相邻的路由器定期交换信息，并不断更新其路由表，使得每一个路由器到每一个目的网络的路由器都是最短的。

基于距离向量路由选择协议最大特点简单缺点：限制网络规模，最大距离为15每次交换完整路由表，随网络扩大，开销增大“坏消息传的慢”跳数：即到目的网络的距离(与路由器直接相连的网络距离为1,RIP允许一条路径最多包含15个路由器，因此跳数为16表示不可达)RIP协议特点（与哪些路由器交换信息，交换什么信息，什么时候交换）1)仅与相邻路由器交换信息2)交换信息为当前本路由器所知道的全部信息。

包括，我到本自治系统所有网络的距离，到每个网络的下一跳路由(只知道下一跳路由，不知道整个网络拓扑结构)3)按固定时间交换:30秒距离向量算法：首先，对每一个相邻路由器发送RIP报文（使用了UDP，即RIP报文+UDP首部+IP 首部构成IP数据报），报文包括“目的网络N，距离d，下一跳路由是R”然后，接受到的路由器进行分析：1）对地址为X的路由器发来的报文，先将所有报文的下一跳路由改为X,并将所有距离+1。

（对于本网络来说，如果准备按X发来的报文项目通信目的网络，则须经过X，即下一跳路由为X，而与目的网络的距离为X到目的网络的距离+1）。

2）对修改后的报文，与自己原路由表对比：a.原路由表中，没有此目的网络N，直接添加b.原路由表有目的网络N，比较下一跳路由地址，若原来下一跳路由地址也是X,直接更新（网络状态可能发生变化，因此以此次新信息为准）c.若下一跳地址不是X，则比较距离d，以小的为准d.否则什么也不做3）若3分钟没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由器距离标为16（不可达）4）返回一个RIP报文最多包括25个路由，RIP报文最大长度4(首部)+25*20(一个路由器信息20字节) = 504字节13.开放最短路径优先OSPF(Open Shortest Path First)最主要特征：使用分布式链路状态协议OSPF协议特点(与RIP比较)1）向本自治系统所有路由器发送信息，但是使用洪泛法发送，路由器向所有相邻的路由器发送信息，而每一个相邻路由器也会把此信息发送给其相邻的路由器（不发给刚刚发来信息的路由器），这样，整个系统都能收到。

（RIP只给相邻发送）2）发送信息：相邻所有路由器链路状态。

包括本路由器和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”（费用，距离，时延，带宽），可以知道整个网络拓扑。

（RIP只发送到所有网络距离和下一跳路由）3）只有链路状态发生变化，才以洪泛法再次发送信息。

（RIP定期）OSPF将自治系统划分为更小范围，区域。

OSPF只在自己区域交换信息，而不再是整个自治系统。

减少整个网络上通信量，此时只知道本区域网络拓扑。

OSPF报文直接使用IP数据报（OSPF+IP首部）OSPF五种分组类型1）类型1，问候分组，确定邻站可达性(10秒交换一次)2）类型2，数据库描述分组，向邻站发送自己的链路状态数据库摘要信息3）类型3，链路状态请求分组，向对方请求发送某些链路状态详细信息4）类型4，链路状态更新分组，用洪泛法全网更新链路状态协议核心部分5）类型5，链路状态确认，对更新的确认14.外部网关协议——BGP(边界网管协议)BGP是不同AS的路由器之间交换路由信息的协议不同的AS为什么不能使用内部网关协议：1）英特网规模太大，使得AS之间路由选择非常困难。

主干网已超过5万路由前缀，使用链路状态数据库（OSPF方法），用Dijkstra计算花费时间也很长。

不同的AS中，度量的量度也不一样，不能通用。

2）AS之间的路由选择协议必须考虑相关策略。