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第一章概述

1.1 计算机网络的含义与作用

计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
计算机网络简单定义：一些互相连接的、自治的计算机集合。
- 互相连接：互联互通、通信链路
- 自治：无主从关系

从0到1学计算机网络 - 图1

连通性：设备间彼此连通，交换信息
共享：信息共享、软硬件共享（软件如虚拟机，硬件如打印机）

1.2 因特网概述

1.2.1 网络、互联网、因特网
网络（Network）：多个计算机通过集线器或交换机等设备组建一个局域网。

互联网（Network of Networks，internet）：多个网络之间通过路由器连接起来形成互联网。

因特网（Internet）：最大的互联网，使用TCP/IP协议进行相互通讯

1.2.2 发展阶段

1969：分组交换网
1975：互联网
1983：TCP/IP成为标准协议
1985：企业网->地区网->主干网
1993：网络业务提供商(Internet Service Provider，ISP），分级ISP

1.3 因特网组成

1.3.1 边缘部分（用户直接使用的）

1.3.1.1 客户服务器方式（Client/Server，C/S）

1.3.1.2 对等方式（Peer-to-Peer，P2P）

1.3.2 核心部分（为边缘部分提供服务的）

1.3.2.1 数据交换方式-电路交换

电路交换（Circuit Switching）：电话通过一个或多个交换机进行通话与被释放（建立连接、通话、释放连接）。适合数据量大的实时通讯，通讯时独占资源。
优点
- 通信时延小
- 有序传输
- 无冲突
- 实时性强
缺点
- 建立连接时间长
- 线路独占，使用效率低
- 灵活性差
- 无差错控制能力
  1.3.2.2 数据交换方式-报文交换
报文交换（Message Switching）：报文一般比分组长得多；交换时延长。

从0到1学计算机网络 - 图10

优点
- 无需建立连接
- 存储转发，动态分配线路
- 线路可靠性较高
- 线路利用率高
- 多目标服务
缺点
- 有存储转发时延
- 报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间
  1.3.2.3 数据交换方式-分组交换
分组交换（Packet Switching）：利用路由器的存储转发功能，将数据进行分组转发。优点：高效、灵活、迅速、高效；缺点：时延、开销。还分为数据报交换和虚电路交换。

从0到1学计算机网络 - 图11

优点
- 无需建立连接
- 存储转发，动态分配线路
- 线路可靠性较高
- 线路利用率高
- 相对于报文交换，存储管理更容易
缺点
- 有存储转发时延
- 需要传输额外信息量
- 乱序到目的主机时，要对分组排序重组
数据报交换
- 无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同
- 每个分组携带源地址和目的地址
- 路由器根据分组的目的地址转发分组：基于路由协议/算法构建转发表；检索转发表；每个分组独立选路。
虚电路交换
- 连接服务：首先为分组确定传输路径（建立连接），然后沿着路径（连接）传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后（拆除连接）。

数据报和虚电路区别

1.3.2.4 三者区别

传输方式与时间比较
- 报文交换和分组交换都采用存储转发
- 电路交换传输时延最小
- 从信道利用率来看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换时延更小。

1.4 计算机网络在我国的发展

1994.4.20正式接入互联网

1.5 计算机网络的类别
网络分类
- 广域网和局域网：不仅仅通过网络覆盖范围区分二者，还要确定其使用的是广域网技术还是局域网技术。
- 广域网：花钱买服务，花钱买带宽
- 局域网：自己买设备，自己维护，带宽固定，网线距离一般不超过100M

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 性能指标

比特、字节换算
- 1B(byte，字节) = 8比特(bit)
- 1KB = 1024B
- 1MB = 1024KB
- 1GB = 1024MB
- 1TB = 1024GB
- 1PB = 1024TB
速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，也称为比特率（data rate、bit rate）。单位b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。
带宽：数据通信领域中，数字信道所能传送的最高数字率。单位b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。
吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据量。单位b/s，Mb/s等。
时延：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。
- 发送时延 = 数据块长度（比特）/信道带宽（比特/秒）
- 传播时延 = 信道长度（米）/信号在信道上的传播速率（米/秒）
- 处理时延：网络结点存储转发处理时间
- 排队时延：网络结点缓存队列排队时间
- 举例：车站买票，排队（排队时延），轮到买票时选择车次（处理时延），从售票口走到车上（发送时延），最后坐上车到目的地（传播时延）。
时延带宽积 = 传播时延*带宽。链路上能够承载的数据量是多少。
往返时间：从发送端发送数据开始到发送端an收到接收端确认的时间。
利用率：
- 信道利用率 = 有数据通过时间/（有＋无）数据通过时间
- 网络利用率 = 信道利用率加权平均值
- D = D0/1-U，D0网络空闲时的时延，D网络当前时延，U信道利用率。
- 利用率越高，时延越大
  1.6.2 非性能指标
费用
质量
标准化
可靠性
可扩展性
可升级性
管理与维护

1.7 计算机网络的体系结构

1.7.1 几个基本概念
ISO：国际标准化组织
OSI/RM：互联网法律上的国际标准
TCP/IP Suite：因特网事实上的国际标准
Network Protocols：数据交换遵守的规则、标准或约定
网络体系结构：计算机网络各层及其协议的集合

1.7.2 开放系统信息交换的几个概念
实体：entity，交换信息的硬件或软件进程。
协议：protocol，控制两个对等实体通信的规则。
服务：service，下层向上层提供服务，上层需要使用下层提供的服务来实现本层功能。
服务访问点：SAP，相邻两个实体间交换信息的地方。

1.7.3 体系结构与协议

从0到1学计算机网络 - 图17

1.7.3.1 七层协议简单解析

应用层：能够产生流量、能够和用户交互的应用程序
表示层：加密、压缩、开发
会话层：服务与客户端建立的会话
运输层：可靠传输建立会话、不可靠传输不建立会话、流量控制
网络层：IP地址编址、选择最佳路径
数据链路层：输入如何封装、添加物理层MAC地址
物理层：电压、接口标准

1.7.3.2 五层协议简单解析
每层数据单元

从0到1学计算机网络 - 图18

每层传输数据路径与操作

第二章物理层

物理层：解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。从数据位到电信号的转换，反之亦然。这是网络设备和电缆类型的考虑和设置。在这一层，数据的单位称为比特（bit）。
定理：香农定理、奈氏准则。
主要任务：为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体，确定与传输媒体接口有关的特性（定义标准）。特性：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性。
- 定义接口和媒体的物理特性
- 定义位的表示、数据传输速率、信号的传输模式
- 定义网络物理拓扑
传输介质：导向性传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤）、非导向性传输介质（无线电波、微波、红外线、激光）。
设备：中继器、集线器。
- 中继器：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与源数据相同，以增加信号传输距离，延长网络的长度。中继器两端网络传输速率相同，协议相同，且不具备存储转发能力，傻瓜式还原传输。基于5-4-3规则使用中继器。

集线器：对信号再生放大转发，对衰减信号放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输距离，延长网络长度。不能分割冲突域，因此不具备定向发送能力，是一个共享式设备。

直通电缆的标准颜色顺序：橙色/白色，橙色，绿色/白色，蓝色，蓝色/白色，绿色，棕色/白色，棕色。

第三章数据链路层

3.1 概念、功能作用
数据链路层：在不可靠的物理链路上，为网络层提供透明和可靠的数据传输服务。
功能：负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报。
- 结点：主机、路由器；
- 链路：两个结点间的物理通道（有线链路、无线链路）；
- 帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报；
- 数据链路：两个结点间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的软硬件加到链路上就构成数据链路。
作用：组帧、物理编址、差错控制、流量控制、接入控制。

3.2 组帧
组帧：在一段数据首尾添加许多控制信息，接收端收到物理层上交的比特流后就能根据首尾识别确定帧的界限。方法：字符计数法、字符填充法、零比特填充法、违规编码法。

从0到1学计算机网络 - 图23

3.3 物理编址

物理地址：计算机与外界局域网通过通信适配器连接。适配器装有RAM和ROM（处理器和存储器），ROM有计算机的物理地址。也称为链路地址、MAC地址、LAN地址，它是局域网或广域网定义的节点地址。它包含在数据链路层所用的帧中，是最低级的地址。物理地址在网络(LAN或者WAN)中使用，这类地址的长度和格式是可变的。以太网使用6个字节(48位)物理地址，在网络接口卡(NIC)上标明，前24位由IEEE规定，后24位由厂家自己指定。
逻辑地址(IP地址)：与下面的物理网络无关，它唯一定义了连接到因特网的一台主机，32位。
端口地址：在TCP/IP分层体系结构中，赋于进程的标识符称为端口地址，它的长度是16位。
专用地址：有些面向用户的应用被设计为专用地址。例如，电子邮件的地址和统一资源定位符(URL)（如www.baidu.com）。这些地址由发送计算机转换成对应的端口地址和逻辑地址。
端口地址、逻辑地址、物理地址有什么不同？答：物理地址是节点的本地地址，数据链路层使用它将数据从一个节点传递到同一网络中的另一个节点。逻辑地址在网络层定义发送方和接收方，用于跨多个网络传递消息。端口地址(服务点)标识了站点上的应用程序。

3.4 差错控制
差错控制：位错、帧错（帧丢失、重复、失序）。
- 主要针对位错：检错编码（奇偶校验码、CRC循环冗余码）、纠错编码（海明码）。
  3.4.1 奇偶校验码
只能检查出奇数个比特错误，准确率为50%。

3.4.2 CRC循环冗余码

3.4.3 海明码

发现双比特错，纠正单比特错。

3.5 流量控制

因较高的发送速度和较低的接收能力不匹配造成的传输错误需要流量控制。
数据链路层的流量控制是点对点的，接收方收不下就不回复确认。
传输层的流量控制是端到端的，接收方会给发送方一个窗口公告。
控制方法：停止-等待协议、滑动窗口协议（后退N帧协议GBN、选择重传协议SR）

3.5.1 停止等待协议
无差错情况

有差错情况-数据帧丢失或检测到帧出错
- 发送方发完一个帧后，必须保留帧副本，以防重传此帧
- 数据帧和确认帧必须编号
- RTT=发送帧和确认帧的往返时间

有差错情况-确认帧丢失

有差错情况-确认帧迟到

3.5.2 滑动窗口协议

基于停止等待协议的信道利用率低这点，滑动窗口协议要求
- 增加帧序号范围
- 发送方需要缓存数据分组

3.5.2.1 后退N帧协议

累积确认；按序收，不按序丢弃；确认按序到达的最大号帧；窗口长度（采用n个比特对帧编号，1<=发送窗口大小<=2n-1）
协议过程

发送方需要确认的三件事

接收方需要确认的事

3.5.2.2 选择重传协议

对数据帧逐一确认；只重传出错帧；接收方有缓存；窗口长度（发送窗口max=接收窗口max=2n-1）
协议过程

数据帧的几种状态

发送方需要确认的事

接收方需要确认的事

3.5.3 三者区别

停止等待协议：简单但是信道利用率低

GBN：连续发送数据帧提高了利用率，但是重传时丢弃了已经正确传输的数据帧，传送效率低
SR：

3.6 局域网
局域网覆盖网络层次有物理层、数据链路层。普遍使用逻辑上总线型的多点接入技术。更偏向于数据传输。

3.6.1 以太网

以太网提供无连接、不可靠服务（无差错接收、不可靠传输）。
- 无连接：发送端、接收端无“握手过程”。
- 不可靠：不对接收的数据帧编号，不对发送方进行确认，错帧直接丢弃，差错由高层负责。

常见以太网

以太网MAC帧：
- IP帧头：有18字节，6字节目的mac；6字节源mac；2字节类型（主要是确认上层网络类型使用）；4字节FCS结束位；当帧进入发送前还需要在头部加入8字节的前序码，这部分一般不算在IP帧头部中。

高速以太网

3.6.2 无线局域网

IEEE 802.11

802.11的MAC帧头格式

从0到1学计算机网络 - 图56

分类
- 有固定基础设施无线局域网

无固定基础设施无线局域网的自组织网络

3.6.3 介质访问控制（接入控制）

广播式链路：所有主机共享通信介质。应用于早期的总线以太网、无线局域网，常用于局域网。典型拓扑结构：总线型、星型。

3.6.3.1 轮询访问介质访问控制

轮询协议
- 主结点轮流“邀请”从属结点发送数据。
- 问题：轮询开销、等待延迟、单点故障（主结点）。

令牌传递协议：
- 令牌：特殊格式的MAC控制帧，不含任何信息。
- 控制信道使用，确保一个时刻只有一个结点独占信道。
- 每个结点都可以在令牌持有时间内获得发送数据的权利。
- 屋物理星型拓扑，逻辑环形拓扑。
- 令牌传送方式常用于负载较重、通信量较大的网络中。
- 问题：轮询开销、等待延迟、单点故障。

3.6.3.2 ALOHA协议

纯ALOHA：不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。

时隙ALOHA：把时间分成若干个相同时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一时间片开始时刻再发送。

3.6.3.3 CSMA协议

CSMA：Carrier Sense Multiple Access，载波监听多路访问控制。
发送帧之前，监听信道。

1-坚持CSMA：监听信道忙之后的坚持。
- 若某主机要发送消息，先监听信道。
- 空闲则直接传输，不等待。
- 若忙则一直监听，直到空闲马上传输。
- 若有冲突（一段时间内未收到肯定回复），则等待一个随机长时间再监听，重复以上过程。
非坚持CSMA：监听信道忙之后不继续监听。
- 若某主机要发送消息，先监听信道。
- 空闲则直接传输，不等待。
- 若忙则等待一个随机长时间后再监听。
p-坚持CSMA：监听信道空闲的处理。
- 若某主机要发送消息，先监听信道。
- 空闲则以p概率直接传输，不等待；概率1-p等待到下一时间槽再传输。
- 若忙则等待一个随机长时间后再监听。
三者区别

3.6.3.4 CSMA/CD协议（以太网）

CSMA/CD：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多点接入/碰撞检测。
电信号的传播速度是20万公里/s，帧长/速率>=2(传输距离/传输速度)

3.6.3.5 CSMA/CA协议（无线局域网）

CSMA/CA：Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听多点接入/碰撞避免。

CSMA/CA与CSMA/CD比较

3.7 广域网

广域网覆盖的网络层次有物理层、数据链路层、网络层。广域网使用点对点的全双工或半双工模式。更偏向于资源共享。
点对点链路：两个相邻节点通过一个链路相连。应用：PPP协议，常用于广域网。

3.7.1 PPP协议

PPP协议：Point-to-Point Protocol，点对点协议。
目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般使用PPP协议。
只支持全双工网络。
PPP协议

3.7.2 HDLC协议

HDLC协议：High-Level Data Link Protocol，高级数据链路控制。
在同步网上传输数据、面向比特的数据链路协议。
采用全双工通信。
CRC检验，对信息帧顺序编号，传输可靠性高。

3.8 虚拟局域网

VLAN：Virtual Local Area Network，虚拟本地局域网。
虚拟局域网（VLAN）是在局域网（LAN）的逻辑上划分成多个广播域，每一个广播域就是一个 VLAN。

从0到1学计算机网络 - 图78

帧格式

从0到1学计算机网络 - 图79

3.8.1 Trunk

实现交换机之间的VLAN通信
使用一条链路，通过标识区分不同VLAN数据
默认的VLAN1通过Trunk进行通信时，不带VLAN标签，其他VLAN带相应标签进行通信。
通信过程

VLAN间通信

3.8.2 VLAN信息的传播（VTP协议，思科私有协议）

VLAN中继协议VTP
从一个控制点维护整个企业网上VLAN的增加、删除、重命名

3.8.3 链路聚合（eth-trunk、以太通道）

3.8.4 STP

Spanning Tree Protocol，生成树协议
解决链路聚合的环路（广播风暴）问题，也称破环协议
逻辑上断开环路，防止广播风暴的发生
当线路故障时，阻塞接口被激活，恢复通信，起备份线路的作用
生成树算法步骤
- 选择根网桥（交换机）
- 选择根端口
- 选择指定端口
如何选择根网桥？
- 根据网桥ID选择，网桥ID是唯一的
- 选择交换网络中网桥ID最小的交换机成为根网桥
- 网桥ID构成：2字节的网桥优先级+6字节网桥的MAC地址
- 取值范围：0~65535，默认值：32768
- 值越低，优先级越高，按照4096倍数调整优先级值
如何选择根端口？
- 在非根网桥中选择根端口
- 比较1：到根网桥最低的根路径成本
- 比较2：直连的网桥ID最小
- 比较3：直连端口ID最小（端口优先级+端口编号）
- 根路径成本：网桥到根网桥的路径上所有链路的成本之和

端口ID格式（8位端口优先级+8位端口编号；取值范围：0~255；默认128；值越小，优先级越高；按照16倍数调整）
- 如何选择指定端口？
端口所在交换机到达根路径成本较低
所在交换机网桥ID值最小
端口ID值最小
根网桥上的端口全是指定端口
在每个网段上，选择1个指定端口
- STP利用BPDU选择根网桥，计算路径成本
- 交换机端口的5种STP状态
转发、学习、倾听、阻塞、禁用

由于STP在进行倾听、学习时，延迟时间较长，所以有了快速生成树协议
3.8.5 RSTP

Rapid Spanning Tree Protocol，快速生成树协议
RSTP角色：根端口、指定端口、替代端口、备用端口
RSTP端口状态：丢弃、学习、转发
备份端口是指定端口的备份
替代端口是根端口的替代
边缘端口机制：
- 与终端连接的端口
- 根端口快速切换机制
- 指定端口快速切换机制
所有VLAN共享一个生成树（STP/RSTP）
无法实现不同VLAN在多条Trunk链路上的负载分担，所以有了MSTP

3.8.6 MSTP
Multi Spanning Tree Protocol，多生成树协议
基于实例计算多个生成树，实例间实现负载分担

3.8.7 生成树保护机制

BPDU保护：在边缘端口设置BPDU保护
命令：
- stp tc-protection enable
- stp edged-port enable
  3.9 设备
设备：网桥、交换机。

3.9.1 网桥
网桥：根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后确定将帧转发到哪一个接口，或者丢弃（即过滤）。
网桥可分为透明网桥和源路由网桥。

3.9.2 交换机

交换机：分割冲突域，实现全双工通信。不使用CSMA/CD协议，仍采用以太网帧格式，用户独享带宽。

交换机分类：直通式交换机、存储转发式交换机。

	分割冲突域	分割广播域
集线器	否	否
交换机	可	否
路由器	可	可

交换机的堆叠和级联

第四章网络层

4.1 功能

将分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务，网络层传输单位是数据报。
路由选择与分组转发（选择最佳路径）
异构网络互联（通过路由器进行手机、电脑、wifi、数据等的互联）
拥塞控制
- 若所有结点都来不及接收分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取某种措施缓解拥塞。
- 开环控制：静态方式
- 闭环控制：动态方式
  4.2 数据交换方式
见“1.3.2”章节

4.3 路由表和路由转发

4.4 路由算法与路由协议概述

4.4.1 路由算法
路由算法包括：静态路由算法和动态路由算法。
路由表/转发表：选择最佳路由，最佳路由只能是相对于某一种特定要求下得出较为合理的选择。

从0到1学计算机网络 - 图93

4.4.1.1 静态路由算法

也称非自适应路由算法。
由管理员手工配置路由信息。
优点：简单、可靠，在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果很好，广泛用于高度安全性的军事网络或较小的商业网络。
缺点：路由更新慢，不适用大型网络。

4.4.1.2 动态路由算法
也称自适应路由算法。
路由器之间彼此交换信息，按照路由算法优化路由表。
优点：路由更新快，使用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化。
缺点：算法复杂，增加网络负担。
动态路由算法分为：
- 全局性：链路状态路由算法OSPF，所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息。
- 分散性：距离向量路由算法RIP，路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用。
  4.4.2 路由选择协议
自治系统AS：在单一技术管理下的一组路由器。这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定AS间的路由。
一个AS内的所有网络都属于一个行政单位管辖，一个AS的所有路由在本AS内都必须连通。
路由选择协议包括：
- 内部网关协议IGP：AS内部使用的协议，如RIP、OSPF
- 外部网关协议EGP：AS间使用的协议，如BGP

4.4.2.1 RIP协议和距离向量路由算法

动态路由算法RIP：内部网关协议，使用的路由算法为距离向量路由算法，适用于小网络。

RIP报文格式

路由表是由路由器之间交换信息所建立的。
RIP协议和谁交换信息？多久交换一次？交换什么信息？

路由表如何更新？答：距离向量算法

RIP协议的特点：好消息传的快，坏消息传得慢

4.4.2.2 OSPF协议和链路状态路由算法

动态路由算法OSPF：内部网关协议，使用的路由算法为链路状态路由算法，适用于大网络。

和谁交换？交换什么？多久交换？

OSPF算法步骤

OSPF区域
- R3、4、5、6、7：主干路由器
- R3、4、7：区域边界路由器
- R6：自治系统边界路由器
- R1、2、8、9：普通下层区域内部的路由器

OSPF主要特点

4.4.2.3 BGP协议-外部网关协议

BGP协议概述

BGP协议交换信息的过程
- BGP所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列AS。当BGP发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各AS的较好路由。

BGP协议报文格式

BGP协议特点

BGP最常用版本：BGP-4，有四种报文

4.4.2.4 三种协议的比较

4.4.2.5 补充：IS-IS协议

IS-IS：一般用于运营商内部
OSPF：一般用于企业内部

4.4.2.6 路由协议优先级

值越低，优先级越高

4.4.3 策略路由

文章参考：https://blog.csdn.net/kkfloat/article/details/39940623

策略路由（PBR）是一种比基于目标网络进行路由更加灵活的数据包路由转发机制。路由器将通过路由图决定如何对需要路由的数据包进行处理，路由图决定了一个数据包的下一跳转发路由器。在路由器转发一个数据报文时，首先根据配置的规则对报文进行过滤，匹配成功则按照一定的转发策略进行报文转发。这种规则可以是基于标准和扩展访问控制列表，也可以基于报文的长度；而转发策略则是控制报文按照指定的策略路由表进行转发，也可以修改报文的IP优先字段，策略路由也可以在一定程度上实现流量工程，使不同服务质量的流或者不同性质的数据（语音、FTP）走不同的路径，因此，策略路由是对传统IP路由机制的有效增强。

4.4.4 VRRP虚拟冗余网关协议

提供了局域网上的设备备份机制。

4.5 IP数据报和地址

4.5.1 IP数据报格式

4.5.2 IP数据报分片

最大传送单元：MTU，Maximum Transmission Unit。链路层数据帧可封装数据的上限。
以太网的MTU是1500字节。
总长度单位：1B
片偏移单位：8B
首部长度单位：4B

4.5.3 IPv4地址-分类的IP地址

IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。
IP地址：{<网络号><主机号>}

A类地址减网络号全0、网络号全1（127）；主机号减全0和全1
B类地址减网络号全0（10000000.00000000）；主机号减全0和全1
C类地址减网络号全0（11000000.00000000.00000000）；主机号减全0和全1

4.5.4 网络地址转换NAT

Network Address Translation，NAT
在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装NAT之后的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

4.5.5 子网划分与子网掩码

4.5.5.1 子网划分

分类的IP地址空间利用率低
两级IP地址不灵活
子网划分规范

4.5.5.2 子网掩码

子网掩码是连续的1和连续的0组成
网络号全1，主机号全0
子网掩码中1的个数取决于IP地址网络号的位数，因为路由器要识别目的IP地址属于哪个子网，需要用目的IP地址要和子网掩码做与运算得出子网网络地址（求子网号）
子网掩码中0的个数取决于IP地址主机号的位数，因为路由器要识别目的IP地址属于哪个子网，需要用目的IP地址要和子网掩码做与运算得出子网网络地址（求主机号）
与运算：都为1才是1，其余为0
或运算：有1则为1，其余为0
异或运算：不同为1，相同为0

使用子网时分组转发

4.5.6 无分类编址CIDR

CIDR中子网号可全0全1
无分类域间路由选择

构成超网/路由聚合：将多个子网聚合成一个较大的子网。
- 将网络前缀缩短
- 最长前缀匹配：使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果，应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。
  4.5.7 IPv6
IPv6为什么会出现？
- 32位IPv4地址空间被分配殆尽
- CIDR、NAT只是延缓IPv4地址空间被分配殆尽的速度
- 通过改进数据报首部格式支持快速处理、转发数据报
- 支持QoS，Quality of Service，服务质量，指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。

版本：指明了协议版本，总是6。
优先级：区分数据报的类别和优先级。
流标签：“流”是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报。所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标签。
下一个首部：标识下一个扩展首部或上层协议首部。
跳数限制：相当于IPv4的TTL。

IPv6地址表示形式

IPv6基本地址类型
- 单播：一对一通信，可做源地址+目的地址
- 多播：一对多通信，可做目的地址
- 任播：一对多中的一个通信，可做目的地址，一般选择离最近的通信
IPv4和IPv6区别

IPv6向IPv4的过渡策略

4.5.8 IP组播

IP数据报的三种传输方式

4.5.8.1 单播

单播：在发送者和每—接收者之间需要单独的数据信道。

4.5.8.2 组播

组播：组播提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）。
运行组播协议的路由器：单播协议可运行，组播协议可运行。

IP组播地址（如何确定哪些主机是一个组播组？）

4.5.8.2.1 硬件组播

硬件组播

4.5.8.2.2 因特网范围内组播协议

IGMP协议：一个路由器内部使用的协议，组播路由器通过IGMP协议可以知道自己所连接的局域网当中是不是还存在可以接收数据报的主机。（ICMP和IGMP都使用IP数据报传递报文）

IGMP的两个工作阶段

组播路由选择协议：路由器之间进行路径选择。目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。

组播路由选择协议三种算法
- 基于链路状态的路由选择
- 基于距离-向量的路由选择
- 协议无关的组播(稀疏/密集)
  4.5.9 移动IP
  4.5.9.1 相关术语
  
  4.5.9.2 通信过程
  
  4.6 IP协议
  4.6.1 ARP协议
发送数据过程

4.6.2 RARP协议

文章参考：https://blog.csdn.net/qq_32503701/article/details/89503330

4.6.3 DHCP协议

主机如何获得IP地址？
- 静态获取：如一个网段内按序分配（IP地址、子网掩码、默认网关）
- 动态获取：DHCP服务器

4.6.4 ICMP协议

网际控制报文协议
- ICMP差错报文
- ICMP询问报文

ICMP应用
- ping：测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文。
- traceroute：跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文。
  4.6.4.1 ICMP差错报文（5种状态）
终点不可达：当路由器或主机不能交付数据报时，就向源点发送终点不可达报文（无法交付）
源点抑制：当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢（拥塞丢数据，不会用到）
时间超过：当路由器收到生存时间TTL=0的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把己收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。（TTL=0）
参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。（首部字段有问题）
改变路由（重定向）：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器（可通过更好的路由）。（值得更好的路由）

4.6.4.2 ICMP询问报文

询问报文的种类，其中后两种已不再使用。

4.7 网络层设备

4.7.1 路由器

4.7.2 前三层设备的区别

4.7.3 三层交换机

二层交换机和路由器在功能上的集成产生了三层交换机。

第五章传输层

5.1 概述

只有主机才有的层次。
使用网络层的服务，为应用层提供通信服务。
传输层功能
- 传输层提供进程和进程之间的逻辑通信。
- 网络层提供主机之间的逻辑通信。
- 复用和分用
  - 复用：发送方不同的进程都可以使用同一个传输层的协议进行通信，应用层所有的应用进程都可以通过传输层再传输到网络层。
  - 分用：接收方在传输层剥去报文的首部后能够把数据送交给正确的多个进程，传输层从网络层收到数据后交付指明的应用进程。
- 对收到的报文进行差错检测。
- 有两种协议：TCP、UDP。
传输层两个协议的区别
- TCP：可靠传输
- UDP：不可靠传输