计算机网络(4):网络层-考研笔记

4.0 重点

名词解释

“IP 网关” 与 “IP 路由器” 同义
“互连网” 与 “互联网” 同义

4.1 网络层的功能

异构网络互联

中继系统
- 物理层：中继器，集线器
- 链路层：网桥，交换机
- 网络层：路由器
- 网络层以上：网关

路由与转发

路由选择：确定路径
分组转发：处理分组

拥塞控制

开环控制
闭环控制

4.2 路由算法

静态路由与动态路由

静态路由算法
动态路由算法
- 距离向量路由算法
  - RIP(The Routing Information Protocol) 算法
    - 和邻居交换路由表
    - 计算最短跳数
- 链路状态路由算法
  - OSPF(Open Shortest Path First) 算法
    - 泛洪发送链路信息
    - 用 Dijkstra 算法计算最短路径
层次路由
- 内部网关协议（Interior Gateway Protocol, IGP）
  - RIP, OSPF
- 外部网关协议（Exterior Gateway Protocol, EGP）
  - BGP(Border Gateway Protocol)

4.3 IPv4

IPv4 分组

分组格式
- 固定头部长度：20B
- 片偏移单位：8B
- 总长度单位：1B
- 首部长度单位：4B
- MF(More Fragment)：为1时代表还有更多分片，0时代表是最后一个分片
- DF(Don’t Fragment)：为1时禁止分片
转发流程
- 获取目的地址
- 直接交付或者间接交付
- 给指明地址的路由，如果存在
- 给对应网络的路由，如果存在
- 给默认路由器，如果存在
- 报告转发分组错误

IPv4 地址

A 类
- 首部 ”0“ 占 1 位
- 网络号占 7 位
- 主机号占 24 位
B 类
- 首部 “10” 占 2 位
- 网络号占 14 位
- 主机号占 16 位
C类
- 首部“110” 占 3 位
- 网络号占 21 位
- 主机号占 8 位
D类
- 多播地址
- 首部”1110″ 占 4 位
E类
- 保留地址
- 首部“1111” 占 4 位
特殊地址
- 主机号全 0 ：网络本身
- 主机号全 1 ：本网络广播地址，或称直接广播地址
- 127.0.0.0 ：环路自检地址
- 全 0 ：表示网络上的本机
- 全 1 ：表示整个网络的广播地址，又称受限广播地址
私有地址
- A 类：10.0.0.0~10.255.255.255
- B 类：172.16.0.0~172.31.255.255
- C 类：192.168.0.0~192.168.255.255

NAT（Network Address Translation）

{私有地址：端口} 映射为 {公有地址：端口}

子网划分与子网掩码、CIDR

子网划分
子网掩码
无分类域间路由（Classless Inter-Domain Routing, CIDR）

ARP(Address Resolution Protocol)：地址解析协议

获取 IP 至 MAC 的映射

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol):动态主机配置协议

动态请求和分配主机 IP

ICMP(Internet Control Message Protocol)

4.4 IPv6

4.5 路由协议

自治系统(Autonomous System, AS)

单一技术管理下的一组路由器
使用内部路由选择协议

域内路由与域间路由

内部网关协议（Interior Gateway Protocol, NGP）
- RIP(Routing Information Protocol)
- OSPF(Open Shortest Path First)
外部网关协议（External Gateway Protocol, EGP）
- BGP(Border Gateway Protocol)
  - 传递协议：TCP
  - 路径选择：非最佳
  - 交换节点：相邻路由器
  - 交换内容：第一次整个路由表，之后则交换有变化部分

4.6 组播

IP 组播地址

即 D 类地址(首部”1110″)，范围：224.0.0.0~239.255.255.255
IP 组播地址映射至 MAC 组播地址
- MAC 为 “0000 0001 0000 0000 0101 1110 0″+IP组播地址后23位

IGMP 与组播路由算法

IGMP(Internet Group Management Protocol)
建立组播转发树路由算法
- 基于链路状态的路由选择
- 基于距离-向量的路由选择
- 建立在任意路由协议上（协议无关的组播 Protocol Independent Multicast, PIM）

4.7 移动IP

功能实体

移动节点
本地代理
外部代理

4.8 网络层设备

路由器

组成
- 交换结构
- 一组输入端口
- 一组输出端口
数据表
- 路由表
  - 目的 IP
  - 子网掩码
  - 下一跳 IP
  - 接口
- 转发表
  - 目的站
  - 下一跳