网络层篇
前言、网络层概述:
OSI参考模型 TCP/IP参考模型
应用层 应用层
表示层
会话层
传输层 传输层
**网络层** **网络层**
数据链路层 网络接口层
物理层
| 模型名 | 目标 |
| 应用层 | 为计算机网络提供接口和服务 |
| 表示层 | 数据处理(便曾解码、加密解码) |
| 会话层 | 管理(建立、维护、重连)通信会话 |
| 传输层 | 管理端到端的通信连接 |
| 网络层 | 数据路由(决定数据在网络中的路径) |
| 数据链路层 | 管理相邻节点之间的数据通信 |
| 物理层 | 数据通信的光电物理特性 |
相邻物理节点传输？
路由器
网络层IP协议相关
IP协议
子网划分
简单路由过程
网络层其他协议
ARP协议和RARP协议
ICMP协议
IP的路由算法
路由的概述
内部网关路由协议
外部网关路由协议
一、IP协议详解
(1)、虚拟互联网络
实际的互联网络是错综复杂的
物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异
当网络中的主机使用IP协议连接时，则无需关注网络细节
(2)、意义:
IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互联的网络
IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据妆发
IP协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题
(3)、IP协议组成:
4位版本 4位首部长度 8位服务类型(TOS) 16位总长度字节
16位标识 3位标志 13位片偏移
8位生存时间(TTL) 8位协议 16位首部校验和
32位源IP地址
32位目的IP地址
选项options(若有)
IP数据
版本:占4位，指的是IP协议的版本，通信双方的版本必须一致，当前主流版本是4,即IPv4,也有IPv6
首部长度位：占4位，最大数值为15，表示的是IP首部长度，单位是32字(4个字节)，也即是IP首部最大长度为60字节
8位服务类型：我们不关注
总长度:占16位，最大长度为65535，表示的是IP数据报总长度(IP首部+IP数据)
TTL:占8位，表明IP数据报文在网络中的寿命，没经过一个设备。TTL减一，当TTL=0时，网络设备必须丢弃报文
协议:占8位，表明IP数据所携带的具体数据是什么协议，如(TCP、UDP等)
| 协议名 | ICMP | IGMP | IP | TCP | UDP | OSPF | … |
| 字段值 | 1 | 2 | 4 | 6 | 17 | 89 | … |
二、IP协议转发流程
(1)、hop-by-hop(逐跳)
(2)、路由表简介:
A通过网卡发送数据帧
数据帧到达路由器，路由器取出前6字节
路由器匹配MAC地址表，找到对应的网络接口
路由器往该网络接口发送数据帧
(3)、IP协议的转发流程
数据帧的每一跳的MAC地址都在变化
IP数据报每一跳的IP地址始终不变
三、ARP和RARP协议
(1)、ARP(address Resolution Protocol)地址解析协议
网络层IP32位地址
- ARP ->数据链路层MAC48位地址
位置和构成
| 目的地址 | 源地址 | 类型 | 帧数据 | CRC |
| 6 | 6 | 2 | 46-1500 | 4 |
| 类型 0806 | ARP请求/应答 | PAD |
| 2 | 28 | 18 |
| 硬件类型 | 协议类型 | 标记 | 发送端以太网地址 | 发送端IP地址 | 目的端以太网地址 | 目的端IP地址 |
| 2 | 2 | 4 | 6 | 4 | 6 | 4 |
(2)、RARP(Reverse Address Resolution Protocol)逆地址解析协议
数据链路层MAC48位地址
- RARP -> 网络层IP32位地址
(3)、共性
(R)ARP协议是TCP/IP协议栈里面基础的协议
ARP和RARP的操作对程序员是透明的
理解(R)ARP协议有助于理解网络分层的细节
四、IP地址的子网划分
(1)、分类的IP地址
A类地址:8位网络号，24位主机号,0
B类地址:16位网络号，16位主机号,10
A类地址:24位网络号，8位主机号,110
| … | 最小网络号 | 最大网络号 | 子网数量 | 最小主机号 | 最大主机号 | 主机数量 |
| A | 1 | 127(01111111) | 2^7-2 | 0.0.1 | 255.255.254 | 2^24-2 |
| B | 128.1 | 191.255 | 2^14-1 | 0.1 | 255.254 | 2^16-2 |
| C | 192.0.1 | 223.255.255 | 2^21-1 | 1 | 254 | 2^8-2 |
特殊的主机号
主机号全0表示当前网络段，不可分配为特定主机
主机号全唯1标识广播地址，像当前网络段所有主机发送信息
特殊的网络号
127.0.0.1，通常称为本地回环地址(Loopback Address),不属于任何一个有类别地址类，它代表设备的本地虚拟端口，所以默认被看做是永远不会宕机的接口。在Windows操作系统中也有相应的定义，所以通常在安装网卡前就可以ping通这个本地回环地址。一般都会用来检测本地网络协议、基本数据接口是否正常。
A类地址网络段全0(00000000)表示特殊网络
A类地址网络段后七位全1(01111111:127) 表示回环地址
B类地址网络段(10000000.00000000:128.0)是不可使用的
C类地址网络段(192.0.0)是不可使用的
D类地址:前四位1110…
E类地址: 前四位1111..
(2)、划分子网
| 网络号 | 子网号 | 主机号 |
(3)、无分类编址CIDR
CIRR中没有A、B、C类网络号和子网划分的概念
CIDR将网络前缀相同的IP地址称为一个“CIDR地址块”
| 网络前缀 | 主机号 |
网络前缀是任意位数的
斜线记法:
193.10.10.129/25
| CIDR前缀 | 掩码点分十进制 | 地指数 |
| /13 | 255.248.0.0 | 512k |
| /14 | 255.252.0.0 | 256k |
| /15 | 255.254.0.0 | 128k |
| /16 | 255.255.0.0 | 64k |
| /17 | 255.255.128.0 | 32k |
| /18 | 255.255.192.0 | 16k |
| /19 | 255.255.224.0 | 8k |
相比原来子网划分更加灵活
五、网络地址转换NAT技术
IPv4最多只有40+亿个IP地址
早期IP地址的不合理规划导致IP号浪费
内网地址
内部机构使用
避免与外网地址冲突
外网地址
全球范围使用
全球公网唯一
(1)、三类内网地址
10.0.0.0~10.255.255.255 (支持千万数量级设备)
172.16.0.0~172.31.255.255 (支持百万数量级别设备)
192.168.0.0~192.168.255.255 (支持万数量级设备)
(2)、网络地址转换技术(Network Address Translation)
NAT技术用于多个主机通过一个公网IP访问互联网的私有网络中
NAT技术减缓了IP地址的消耗，但是增加了网络通信的复杂度
五、ICMP详解
网际控制报文协议(internet Control Message Protocol)
ICMP协议可以报告错误信息或者异常信息
IP首部 IP数据报的数据
IP数据报的数据
帧首部 帧数据 帧尾部
ICMP报文首部 ICMP报文数据
构成
| 8位类型 | 8位代码 | 16位效验和 |
| ICMP报文 | … | … |
差错报告报文
| ICMP报文种类 | 类型的值 | 报文类型 | 具体代码 |
| 差错报告报文 | 3(终点不可达) | 网络不可达 | 0 |
| … | … | 主机不可达 | 1 |
| … | 5(重定向) | 对网络重定向 | 0 |
| … | … | 对主机重定向 | 1 |
| … | 11 | 传输超时 | - |
| … | 12 | 坏的IP头 | 0 |
| … | … | 缺少必要参数 | 1 |
询问报文
| ICMP报文种类 | 类型的值 | 报文类型 | 具体代码 |
| 询问报文 | 0或8 | 回应(Echo)请求或应答 | - |
| 询问报文 | 13或14 | 时间戳(Timestamp)请求或应答 | - |
六、ICMP应用
(1)、Ping应用
向目标IP发送ICMP的32字节(最少20字节头部)询问报文
Ping回环地址127.0.0.1
Ping网关地址
Ping远端地址
(2)、Traceroute应用
Traceroute可以探测IP数据报在网络中走过的路径。
当数据报文的TTL=0时，ICMP终点不可达差错报文，网络设备丢弃该报文。
初始封装一个TTL=1的数据报文，当终点跳的目标主机是不可达状态时，就会循环或再次封装一个TTL+=1的数据报文，直到找到目标主机的确切位置。
tracert github.com
七、网络层路由概述
一、算法本质:
下一跳地址是怎么来的？
下一跳地址是唯一的吗？
下一跳地址是最佳的吗?
路由器这么多，他们是怎么协同工作的？
路由算法实际上是图论算法，但是由于网络环境复杂，路由算法要比图论算法复杂
要求:
算法是正确的，完整的；
算法在计算上应该尽可能的简单;
算法可以适应网络中的变化
算法是稳定和公平的
规模:
互联网的规模是庞大的
互联网的环境是复杂的
二、自治系统(Autonomous System)
对互联网进行划分
一个自愈系统(AS)是处于一个管理机构下的网络设备群
AS内部网络自行管理，AS对外提供一个或者多个出(入)口
自治系统内部路由的协议称为:内部网关协议(RIP、OSPF)
自治系统外部路由的协议称为:外部网关协议(BGP)
八、内部网关协议之RIP协议
一、距离矢量(DV)算法
每一个节点使用两个向量Di和Si
Di描述的是当前节点到别的节点的距离
Si描述的是当前节点到别的节点的下一个节点是什么
每一个节点与相邻的节点交换向量Di和Si的信息
每一个节点都会根据交换的信息更新自己的节点
Dij = min(dix+dij)
Di1表示从节点i到节点1的距离
Si1表示从节点i到节点1的下一个节点
n标识节点的数量
二、RIP协议过程
RIP(Routeing Information Protocol)协议
RIP是使用DV算法的一种协议
RIP协议把网络的跳数(hop)作为DV算法的距离
RIP协议每隔30s交换一次路由信息
RIP协议认为跳数>15的路由则为不可达路由
RIP协议缺点:
故障信息传递慢,更新收敛时间过长;
自己不思考、视野不够;
RIP协议特点:
实现简单，开销很小;
限制了网络的规模;
1、路由器初始化路由信息(两个向量Di和Si);
2、对相邻路由器X发过来的信息，对信息的内容经行修改(下一跳地址设置为X,所有距离加1);
i.检索本地路由，将信息中新的路由插入到路由表里面
ii.检索本地路由，对于下一跳为X的，更新为修改后的信息
iii.检索本地路由，对比相同目的地的距离，如果新信息的距离更小，则更新本地路由表信息
3、如果三分钟没有收到相邻的路由信息，则把相邻路由设置为不可达(16跳)
九、dijkstra(迪杰斯特拉)算法
Dijkstra是著名的图算法
Dijkstra算法解决有权图从一个节点到其他节点的最短路径问题
“以起始点为中心，向外层层扩展”
最短路径问题?
1、初始化两个集合(S,U)(S为只有初始顶点点A的集合，U为其他顶点集合)
2、如果U不为空，对U集合顶点进行距离的排序，并取出距离顶点A最小的一个顶点D
i.将顶点D纳入S集合
ii.更新顶点D到达U集合所有点的距离(如果距离更小则更新，否则不更新)
iii.重复ii步骤3、直到U集合为空，算法完成
十、内部网关路由协议之OSPF协议
一个为解决RIP协议缺点产生的协议
(1)、链路状态(LS)协议
向所有路由器发送信息
消息描述该路由器与相邻路由器的链路状态(包含距离、时延、带宽…,由网络管理人员决定，连接另一个路由器的代价)
只有链路状态发生变化时，才发送更新消息
(2)、OSPF协议过程
OSPF(Open Shortest Path First:开放最短路径优先)
OSPF协议的核心是dijkstra算法
向所有路由器发送信息
获得网络中所有的消息
–>每个路由都可以获得完整的网络拓扑
也称为链路状态数据库
“链路状态数据库”是全网一致的消息描述该路由器与相邻路由器的链路状态
OSPF协议更加客观、更加先进只有链路状态发生变化时，才发送更新消息
减少了数据交换，更快收敛OSPF的五种消息类型
问候消息(Hello)
链路状态数据库描述信息
链路状态请求信息
链路状态更新消息
链路状态确认消息
路由器接入网络
–>路由器向邻居发送问候消息
–>与邻居交流链路状态数据库
–>广播和更新未知路由
| RIP协议 | OSPF协议 |
| 从邻居看网络 | 整个网络的拓扑 |
| 在路由之间累加距离 | Dijkstra算法计算最短路径 |
| 频繁、周期更新，收敛很慢 | 状态变化更新，收敛很快 |
| 路邮件拷贝路由信息 | 路由间传递状态信息，自行计算路径 |
十一、外部网关路由协议之BGP协议
(1)、BGP(Board Gateway Protocol:边际网关协议)
BGP协议是运行在AS之间的一种协议
互联网的规模很大
AS内部使用不同的路由协议
AS之间往往需要考虑除网络特征以外的一些因素(政治、安全…)
BGP协议能够找到一条到达目的地比较好的路由
(2)、BGP发言人(speaker)
BGP并不关心内部网络拓扑
AS之间通过BGP发言人进行路由信息交换和交流信息
BGP Speaker可以人为配置策略
