4.1 网络层功能概述

功能：向上提供简单灵活，无连接的，尽最大努力交付的数据报服务

  1. 异构网络互联：使用相同的网际协议（Internet protocol，IP），让各网段在逻辑上看起来像是一个整体
  2. 路由和转发：routine and forward，路由选择，形成路由表，分组转发，从合适的端口发送

  3. 拥塞控制：在传输层有重点介绍

    4.2 IP协议

    解决用什么在网际间传送信息的问题

    4.2.1 IPv4

  4. IP数据报的格式：

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  5. IP数据报分片：在以太网中，IP数据报的长度在46~1500字节之间（包含20字节的IP首部），在被封装成MAC帧之后，加上首尾18个字节，则就有了CSMA/CD最小帧长64字节；MTU，为IP数据报的最大长度，也即数据链路层能承载的最大数据量；因此需要对较大的数据进行分片，即对长IP数据报的数据部分单独拿出来，分成更小的IP数据报，偏移为8B的倍数

  6. IP地址的划分：

    1. 标准IPv4的地址：
      1. 第四章 网络层 - 图3
        1. 127开头的地址是环回地址，即发送后会直接从主机的另一个端口传回，不会出现在网络中
        2. 0.0.0.0表示未知主机，只用作源IP地址，表示只知道目的IP而不知道源IP的数据报
        3. 全1的IP地址表示整个网络广播，但是因为路由器的隔离，因此只是受限广播地址
    2. 子网划分：为了增加IP地址的利用率，因此出现的子网划分的机制，即在原先的两级IP变成“网络号，子网号，主机号”三级IP地址
      1. 子网掩码、逐位与操作，去除主机号，得出网络号
    3. CIDR：不再使用网络号和主机号的分类等概念，用后面的数字表示网络前缀
      1. 在进行子网划分时，需要将主机号为全1和全0的去除，因为全0的表示整个子网，全1表示广播，如果有主机选择了这两个IP地址，那么路由器将无法知道到底要发给主机还是发送给全网广播；但是用CIDR就不会有二义性，因为CIDR采用最长前缀匹配，主机的网络前缀更长，因此路由将选择这个主机而不是整个网络
      2. 划分地址有定长和不定长的区别，定长划分时直接用二进制位数去运算，比如要分成个7网络，则拿3位作为子网号，后面的用作主机号即可，注意这里需要减去全0和全1的两种情况；而不定长划分就有一定技巧了，可以选择如下的按需一一分配，也可以选择00000- 01111 ~ 10000- 10111 ~ 11000- 11111这种方法

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  7. NAT：私有网络与共有网络分割开，由于私有网络的地址是可以重复的，因此这一操作将会大大增加IP地址的利用率；

    1. 具体操作为路由器中建立一个NAT转换表，当私有网络中的IP将访问互联网时，则将私有IP转换为对应的公有IP；
    2. 由此一般的路由器不改变IP地址，仅仅只工作在网络层，而NAT路由器还需要转换IP，因此需要传输层的参与

      4.2.2 IPv6

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      4.2.3 IP组播

  8. 概念：为了使一个IP分组能够发送给多个目的主机，而不是给每个目的主机发送一个单独的分组，因此采用IP组播技术；组播采用的是D类地址，范围为224~239；采用的是IGMP协议

  9. 组播IP与以太网MAC帧的映射：01-00-5E，MAC帧的前3个字节不能变，第4个字节的第一个比特为0，后23位比特照搬

  10. IGMP协议（Internet Group Management Protocol）：构造以源节点为根节点的组播转发树

    4.2.4 移动IP

  11. 概念：解决主机IP移动至另一局域网后的数据传输问题；与DHCP动态分配IP不同

  12. 过程：在原先的网络中有一个归属代理，现在所处的网络中有一个外部代理，当现在有IP数据报要发送给主机时，数据路由至子网，子网内没有对应的主机号，此时数据包将转交给归属代理，外部代理和归属代理将通过隧道通信，主机与外部代理通信得到数据报

    4.2.5 DHCP协议

  13. 概念：新加入网络的计算机自动获得IP地址无需手动；应用层协议，使用UDP传送数据

  14. 过程：C/S服务，客户机先广播请求发现DHCP服务器，DHCP服务器收到后广播提供服务消息，客户机收到后发送请求IP地址消息，服务器收到后确认并分配IP地址
    1. 这样的C/S模型在应用层中用到，因此是应用层的协议，而且在主机没有IP地址的情况下也没办法仅通过IP层完成服务；至于为什么用UDP，因为TCP需要知道详细的IP地址以建立连接

4.3 路由协议

解决将IP数据报往哪发的问题

4.3.1 自治系统与层次路由

  1. 自治系统（Autonomy System）：非同一自治系统的路由器无法直接连通

  2. 层次：根据路由选择协议是在自治系统内还是自治系统外，分为内部网关IGP和外部网关EGP

    4.3.2 路由选择协议

    4.3.2.1 RIP协议及算法

  3. routine information protocol细节：

    1. 每30秒与相邻的路由器交换全部的信息，最终所有路由器中的路由转发表将完整；
    2. 定义下一跳为16时为不可到达
    3. 实现简单，但路由数量太多时会让路由表太长；而且一旦有故障会收敛很慢
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      4.3.2.2 OSPF协议及算法

  4. open shortest path first细节：

    1. 洪泛法向网络中的所有路由器发送自己的部分信息，同时将网络进一步分成更小的区域，减少了洪泛法带来的数据通信压力
    2. RIP只能找最短跳数，但是OSPF可以用迪杰斯特拉算法以其他条件作为度量
    3. 收敛快，只在发生改变时更新，收敛结束时，所有路由都会得到一个网络拓扑

      4.3.2.3 BGP协议

  5. border gateway protocol细节：

    1. 只能找到比较好的路径，而非最优路径
    2. 三者比较
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        4.3.3 路由转发

        4.3.3.1 IP数据报的转发过程

  6. 网络层中的数据依靠IP地址进行传输，但是在向下封装的过程中，路由器仅仅知道下一跳路由器的IP地址是不够的，因为链路层的传输需要知道MAC地址，因此路由转发过程需要实现IP地址到MAC地址的映射

  7. 在路由转发过程中，需要增加IP数据报的成功交付的可能，因此需要差错报告和询问机制

    4.3.3.2 ARP协议

  8. Address Resolution Protocol细节：

    1. 由于其能看见端口号，因此在传输层
    2. 通过比对主机中的ARP高速缓存，得到IP与MAC的映射；当高速缓存中没有时，就向全网发送全1的ARP请求，当某主机接收到后就响应请求，并将映射关系写进高速缓存

      4.3.3.3 ICMP 协议

  9. Internet Control Message Protocol细节：

    1. 差错报文以IP数据报的形式发送，因此是网络层协议
    2. 计算机网络中的各类错误都需要ICMP的参与
    3. 询问机制是个啥？

      4.3.4 路由设备

      路由器，交换机，集线器；因特网的路由选择