网络层

本文主要参考eaglebear2002的博客

使用IP地址（而不使用硬件地址）的原因：

设备数量和供应商多
规格不一致
定位复杂

一、网络层概述

对于不同帧使用同一的方案进行处理
希望通过路由选择算法进行路径的选择和转发，对第二层是透明的。（即第二层的具体实现不影响第三层）
第三层只能避免拥塞（流量控制在第四层）

第三层职责

通过网络来移动数据，划分广播域，跨网段传播数据。
使用分层寻址方案（IP地址）
细分网络
减少交通拥堵，基于IP做分段和传达
与其他网络交谈

一般，第三次负责的是联通和传达，而数据可靠性由终端设备（第四层及以上）来进行保证（不然会带来比较大的计算量）

第三层设备概述

1、路由器：

互连网段或网络（不同网段的分割）
根据 IP 地址做出合理的决定
确定最佳路径，根据路由表。
将数据包从入站端口切换到出站端口

路由器转发的只会是不同网段的地址

二、IP地址和子网划分

首部部分：蓝框部分
版本号：4bit，IP协议版本（IPv4或IPv6）
首部长度：4bit，最长60字节（一个单位表示4字节，而4bit最多表示15位）
服务类型：8bit，用来获得更好的服务，前6位区分服务码，后2位保留
总长度：16bit，首部+数据长度（最大65535字节，但是大多数不超过1500字节（帧大小限制））
标识：16bit，用来给报文分片然后合并（按照标识的计数）
标志：3bit，最高位0，DF位表示是否允许分片（0允许1不允许），MF位表示是否为最后一个分片（0表示是）
片偏移：13bit，表示分组在分片后在原分组中的位置，8个字节为偏移单位。如果标识号相同，那么就根据片偏移进行重拍，偏移小的靠前（因为先发未必先到，所以要重排）

报文分配：

根据报文数据在原分组中的位置确定偏移

生存时间：8bit，数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。最大值为255，路由器每转发一次，就会对生存时间 -1，减小为 0 后，就会丢弃掉，并且通知给发送方我已经丢弃掉这个报文（防止环上回路问题）
协议：8bit，指出数据使用何种协议，来确定交给哪个进程
首部检验和：16bit，只检验首部，不包括数据部分。传输前后的检验和应该相同（不同说明传输出现差错）

网络层地址

IPv4地址为32位长，包括两个部分：网络ID+主机ID

网络ID：标识网段，标识设备所连接的网段
主机ID：标识网段上的特定设备，由网络管理员分配

IP地址

分类：A、B、C、D、E类地址

Class A	N	H	H	H
Class B	N	N	H	H
Class C	N	N	N	H

N标识网络ID，H标识主机ID

具体划分方法：

A类地址：开头固定为0，0-127
B类地址：开头固定为10（只有一个1），128-191
C类地址：开头固定为110（有两个1），192-223
D类地址：开头固定为1110（三个1），224-239，为多播地址（组播）
E类地址：开头固定1111（四个1），240-255，为研究

host不能全取0或1（全0标识网段地址，全1标识广播地址）

主机的数量：

A类：2^24-2
B类：2^16-2
C类：2^8-2
减去2：不能为全0或全1，为保留地址

专用地址空间

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

IPv6有效解决了IPv4耗尽的问题（长度达到128位，是v4的32位的四倍）

子网划分

子网：将网络划分为较小的网络，提供额外寻址灵活性（小的局域网可以完成隔离）

需要从主机字段借来几位。

子网划分只需要本网段网络管理员在本地分配，减小了广播域，提高网络利用率

可借用位数

子网不能为全0或全1，因此需要减去两个

可以借用的最小位数：2（其中两个需要给保留地址（全0和全1），剩下两个可以表示不同子网）

可以借用的最大位数：全部主机位中保留两位给主机号即可。

子网掩码

网络位和借用的位赋为1，其他为0

在计算需要几位主机位时，记得需要把用位数算出来的可表示的值减2

计算时，将每八个位看成一个十进制数字，表示出来。

有的时候子网掩码会在IP地址后面加一个斜杠和数字(/24)，这也表示的是子网掩码，意思是前面有24个1

子网网络地址：直接将地址和子网掩码按位与运算

三、第三层设备

路由器

两个功能：

路径选择
分组转发

路径选择：

根据链路带宽、跳数、延迟选择到达目的地的路径的下一条地址

路由器连接网络，每个网络都需要网络号（包含在网络设备的IP地址中），IP地址是我们配置的，有层次的（确定网段）
路由器有端口，记录网段IP地址，并且一个路由器可能有不同网段的IP地址（分隔网段）
路由器连接在这个网段的端口的IP地址即为这个网段的网关。路由器在每个网段的端口的IP地址都是不一样的

发送过程：

A5想要发送给B5，先把帧放到总线上，被路由器接收，发现目的地是B5（解封装），于是检查路由表，寻找到对应的端口B1，形成新的帧转发，其mac地址变成了B5的mac地址

IP地址分配

动态地址分配：RARP（反向地址解析协议）、BOOTP（BOOTstrap协议）、DHCP（动态主机配置协议）

四、ARP协议

Address Resolution Protocol 地址解析协议（单网段内）

解决下一跳走哪里的问题，使计算机能够查找与IP地址关联的计算机的mac地址，即IP地址->Mac地址

ARP示例：

首先需要查询ARP table，寻找有没有目的IP地址，如果没有，就发送一个request请求（将Mac地址全设为1，作为广播发送），然后每个主机如果不是目标主机就丢弃，是目标主机就记录下来发送给对方作为应答。同时对方记录下主机A的MAC地址。同时主机A的ARP表中也会更新这一项，然后再次形成一个数据帧发送出去

ARP请求时本网段形成的，不能跨网段进行广播

不在同一网段怎么交流？

默认网关（连接到路由器）
代理ARP（Proxy ARP）

ARP对应目的方不是本地？

路由器把Router MAC地址给你，在路由器另一端口形成新的帧

ARP攻击

一个机器发送无用帧，将cache写满（解决方法：一段时间不处理，等记录失效）

四、网络层设备

面向连接的网络设备

传输数据前先要建立连接，数据有序传输，差错需要接收方处理，可靠传输，代缴高

无连接的网络服务

分别对待每个数据包，无需建立连接、缓存，不处理报文丢失，可靠性低（报文数量少时可以提高效率）

电路交换

先建立一个虚电路关系，报文走对应的虚电路。属于面向连接，数据在同一虚拟电路上传播。强于面向连接。

报文交换

数据包传输时可以切换路径、乱序到达。根据各种标准为每个数据包确定路径，将原始数据分为很多子报文。基于packet switched进行实现，出现问题只需重传对应部分报文

五、网络协议操作

routed protocol 被动可路由协议：支持网络层的协议

Non-routable protocol 不可路由协议：不支持网络层的协议，

路由协议的的分类

静态路由：网络管理员在路由器中手动输入信息
动态路由：路由器在运行过程中互相学习信息（手动维护代价较大）

静态路由：用于隐藏部分网络，安全，测试网络中的特定链接，

动态路由：维护路由表，适应不断变化的网络状态。打开后会启动进程，学习网上的信息，根据算法生成路由表。

routing protocol 主动可路由协议，用来构建路由表

Routed Portocol 用于路由器之间，用来保证路由器之间连通（完成转发），保证路由器有效连通。
Routing Protocol 用于做各自的路由表的生成：路由器彼此交换信息。
Routing Protocol 决定 Routed Protocals

动态路由协议的分类

**内部网关协议：**可在自治系统中使用（RIP,IGRP,OSPF）
**内部网关协议：**在自治系统之间路由数据包（EGP，BGP）

自治系统是逻辑的划分，不是物理层次的划分

内部网关协议的分类：DVP and LSP：

DVP（距离矢量协议）：RIP,IGRP，在路由器之间添加距离向量，将路由表的副本传给邻居路由器。
LSP（链路状态协议）：获取整个网络拓扑的通用视图，计算到其他路由器的最短路径，事件触发的更新，将链路状态路由更新到其他路由器。

RIP：DVP的代表

指数是跳数，最大为15
每30秒更新一次
并非选择最快的路径
产生大量的网络流量

OSPF：LSP的代表

指标为带宽、速度、流量，可靠性和安全性（本科阶段只考虑带宽）
事件触发的更新

IGRP and EIGRP

基于距离向量的最大网关协议
IGRP最大跳数255，EIGRP指标由带宽、负载、延迟和可靠性组成
90秒更新一次
EIGRP是IGRP的高级版本

六、可变长度子网掩码VLSM

经典路由：无子网掩码，会造成网络号的浪费。

VLSM：有子网掩码，允许单个自治系统的网路具有不同的的子网掩码。

可以在主机少的网络上使用长掩码，主机多的子网上使用短掩码。

路由网络连接上使用30位子网掩码255.255.255.252
用户网路的子网掩码为255.255.255.0
也可以使用更少的子网掩码（1000个用户）（255.255.252.0）

VLSM被称为子网划分，用于最大化寻址效率，缩小IPv4和IPv6之间的差距

VSLM的优缺点

会导致地址空间浪费：（广播地址和网络号都无法使用）

表示方法：192.168.1.1/30，其中的/30就表示前面多少位表留给网络位

VLSM的例子

我们需要为四个路由器划分网段，其中KL、Perth、Sydney、Singapore分别需要28，60，12，12个主机。

KL需要5为主机号；Perth需要6位主机号，Sydney、Singapore需要4位主机号
首先我们可以为Perth分配网络号，即将子网掩码设为26位（255.255.255.192），就可以划分成四个子网，其中一个给Perth使用，可以给Perth的网段记为192.168.10.0/26。剩下三个记为unused。
我们可以将剩下三个unused网段每个划分为更小的网段。即再借用一位。我们就可以将剩下的三个网段分成六个更小的网段，即1923168310.64/27、192.168.10.96/27等等。其中我们可以选择192.168.10.64/27作为KL的子网掩码。然后再将剩下的标记位unused
接下来继续将其划分的更小，将子网掩码设为28位，就可以得到从192.168.10.96/28一直打192.168.10.240/28的所有网段。将这这里面的前两个网段分配给Sydney和Singapore，然后再将剩余的网段置为unused。
为WAN连接分配地址。每个WAN连接需要两个IP地址，需要2位来表示。从192.168.10.128/28上可以划分成192.168.10.128/30和192.168.10.132/30两个网段。

**注意：**只有未使用的（unused）子网才可以进一步划分子网。