第四章 网络层

主要是关于网络互联问题。

因特网采用的设计思路是这样的：网络层向上（即运输层）只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据服务。网络在发送分组时不需要先建立连接，每一个分组独立发送，与其前后的分组无关。网络层不提供服务质量的承诺。

网际协议IP是最重要的因特网标准协议之一，与IP协议配套使用的还有四个协议：

地址解析协议ARP

逆地址解析协议RARP

网际控制报文协议ICMP

网际组管理协议IGMP

所谓虚拟互联网络也就是逻辑互联网络。互联起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但利用IP协议就可以使这些性能各异的网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络。这种使用IP协议的虚拟互联网络可简称为IP网。（就好像黑盒，不管里面的具体结构，不管多复杂，看成一个东西就行）

路由器其实就是一台专用计算机> <

互联网可以由多种异构网络互联组成。（但同时使用IP协议，所以看上去是一个统一的网络）。

整个的因特网就是一个单一的、抽象的网络，IP地址就是给因特网上的每一个主机（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位标识符。

IP地址分类

每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中第一个字段是网络号，它标志主机（或路由器）所连接到的网络（一个网络在整个因特网范围内是唯一的）。第二个字段是主机号，它标志该主机（路由器）(一个主机号在它前面的网络号所指明德网络范围内是唯一的)。

下图重要！！！

A类：1到126

B类：128.1到191.255

C类：192.0.1到223.255.255

IP地址与硬件地址

地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP

现在使用的DHCP协议包含了RARP协议的功能，因此现在RARP不单独使用了。

每个主机都设有一个ARP高速缓存（ARP cache），里面有本局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。

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。

IP数据报的格式

选项

划分子网和构造超网

子网掩码

划分子网增加了灵活性，但却减少了能够连接在网络上的主机总数。

使用子网划分后，路由表必须包含以下内容：目的地网络地址，子网掩码和下一跳地址。

无分类编址CIDR（构造超网）

网际控制报文协议ICMP

ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。

ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。

ICMP的一种重要应用就是分组网间探测PING，用来测试两个主机之间的连通性。PING使用了ICMP回送请求与回送回答报文，ping是应用层直接使用网络层ICMP的一个例子，它没有通过运输层的TCP或UDP。

因特网的路由选择协议

理想的路由算法

算法必须是正确的和完整的

算法在计算上应简单

算法应能适应通信量和网络拓扑的变化

算法应具有稳定性

算法应是公平的

算法应是最佳的

如果从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，则可分为两大类：

静态路由选择策略：也叫做非自适应路由选择，简单，开销较小，但不能及时适应网络状态的变化，适用于简单的小网络。

动态路由选择策略：也叫做自适应路由选择，能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销较大，适用于较复杂的大网络。

因特网采用的路由选择协议主要是自适应的（即动态的）、分布式路由选择协议。

因特网采用分层次的路由选择协议。因特网将整个互联网划分为许多较小的自治系统（记为AS）。

一个AS使用了多种内部路由选择协议和度量，但重要的是一个AS对其他AS表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略。

因特网将路由选择协议划分为两大类，即：

内部网关协议IGP（Interior Gateway Protocol）:在一个自治系统内部使用的路由选择协议

外部网关协议EGP(External Gateway Protocol)

自治系统之间的路由选择也叫域间路由选择，而在自治系统内部的路由选择叫做域内路由选择。

内部网关协议RIP

RIP：路由信息协议，一种分布式的（每一个路由器都不断地和其他一些路由器交换路由信息）基于距离向量的路由选择协议，是因特网的标准协议，其最大优点就是简单。适用于小型网络。

RIP协议的特点：

仅和相邻路由器交换信息

路由器交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。

按固定的时间间隔交换路由信息。

OSPF：开放最短路径优先。主要特征就是使用分布式的链路状态协议，而不是像RIP那样的距离向量协议。

OSPF的特点：

向本自治系统中所有路由器发送信息（洪泛法）

发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态。

只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器用洪泛法发送此信息。

外部网关协议BGP

BGP：边界网关协议，BGP是不同AS的路由器之间交换路由信息的协议。

路由器的构成

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。

IP多播

IP多播可分为两种：

在本局域网上进行硬件多播

在因特网范围进行多播。

在局域网上进行硬件多播

IP多播需要网际组管理协议IGMP和多播路由选择协议

IGMP协议是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

多播数据报可以由没有加入多播组的主机发出，也可以通过没有组成员接入的网络。

虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

专用地址：只能用作本地地址而不能用作全球地址，在因特网中的所有路由器，对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。

虚拟专用网VPN：利用公用的因特网作为本机构个专用网之间的通信载体的专用网（为了解决大型机构不同地方专用网之间的通信问题，比如大型公司BAT都有自己的VPN，可以让员工在公司和家里都可以利用公司数据环境等进行工作）。

所有通过因特网传送的数据都必须经过加密。

网络地址转换NAT

计算机网络 chapter 4 网络层