網(wǎng)絡(luò)層

IP協(xié)議
- IPv4
  - IPv4地址
  - IPv4數(shù)據(jù)報
- IPv6
  - IPv4和IPv6的區(qū)別
  - 過渡技術(shù)
配套協(xié)議
- ARP
- ICMP
路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議
- 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議RIP
- 開放最短路徑OSPF
- 邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP

一 IP協(xié)議

1.1IPv4

IPv4地址

IP 地址的編址方式經(jīng)歷了三個歷史階段：

（1）分類的IP地址

IP地址由兩部分組成：網(wǎng)絡(luò)號和主機號廊营。不同分類具有不同且固定的網(wǎng)絡(luò)號長度。

IP 地址 ::= {< 網(wǎng)絡(luò)號 >, < 主機號 >}

（2）劃分子網(wǎng)

通過在主機號字段中拿一部分作為子網(wǎng)號拯坟，把兩級 IP 地址劃分為三級 IP 地址橱鹏。

IP 地址 ::= {< 網(wǎng)絡(luò)號 >, < 子網(wǎng)號 >, < 主機號 >}

要使用子網(wǎng)咱圆，必須配置子網(wǎng)掩碼。一個 B 類地址的默認(rèn)子網(wǎng)掩碼為 255.255.0.0，如果 B 類地址的子網(wǎng)號占兩個比特窟社，那么子網(wǎng)掩碼為 11111111 11111111 11000000 00000000，也就是 255.255.192.0绪钥。

注意灿里，外部網(wǎng)絡(luò)看不到子網(wǎng)的存在。

（3）無分類 / 構(gòu)成超網(wǎng)

無分類編址 CIDR的目的是按需分配程腹。它消除了傳統(tǒng) A 類匣吊、B 類和 C 類地址以及劃分子網(wǎng)的概念，使用網(wǎng)絡(luò)前綴和主機號來對 IP 地址進行編碼寸潦，IP地址從三級又回到了兩級編址色鸳。

IP 地址 ::= {< 網(wǎng)絡(luò)前綴號 >, < 主機號 >}

CIDR 的記法上采用在 IP 地址后面加上網(wǎng)絡(luò)前綴長度的方法，例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位為網(wǎng)絡(luò)前綴见转。CIDR 的地址掩碼可以繼續(xù)稱為子網(wǎng)掩碼命雀，子網(wǎng)掩碼首 1 長度為網(wǎng)絡(luò)前綴的長度。

CIDR把網(wǎng)絡(luò)前綴都相同的連續(xù)的IP地址組成一個“CIDR地址塊”池户，這種地址的聚合常稱為路由聚合或構(gòu)成超網(wǎng)咏雌。它使得路由表中的一個項目可以表示原來傳統(tǒng)分類地址的很多個（例如上千個）路由凡怎。

在路由表中的項目由“網(wǎng)絡(luò)前綴”和“下一跳地址”組成，在查找時可能會得到不止一個匹配結(jié)果赊抖，應(yīng)當(dāng)采用最長前綴匹配來確定應(yīng)該匹配哪一個统倒。

Q：子網(wǎng)掩碼的作用是什么？
為了方便路由器進行快速轉(zhuǎn)發(fā)使用的氛雪。
子網(wǎng)掩碼就是對網(wǎng)絡(luò)進行標(biāo)識房匆，大大減少了路由表的路由項，提高轉(zhuǎn)發(fā)速度报亩。

IPv4數(shù)據(jù)報

1.2 IPv6

IPv4和IPv6的區(qū)別

Q：IPv4和IPv6的區(qū)別：

IP地址方面：

地址空間增加：v4地址是32位浴鸿，v6地址是128位；
地址表示不同：v4是點分十進制弦追，v6是冒分十六進制岳链；
如：192.168.0.1 和 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344

ip數(shù)據(jù)報格式方面：

v6的頭部字段比v4精簡了很多，這樣可以使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸更快劲件。

過渡技術(shù)

雙協(xié)議棧：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備掸哑，服務(wù)器等支持兩種協(xié)議棧
隧道：通過隧道，IPv6分組被作為無結(jié)構(gòu)無意義的純數(shù)據(jù)封裝在IPv4的數(shù)據(jù)報中零远∶绶郑或者反過來，IPv4分組被作為春數(shù)據(jù)封裝在IPv6的數(shù)據(jù)報中牵辣。
地址轉(zhuǎn)換：把IPv4地址轉(zhuǎn)換到IPv6地址

二配套協(xié)議

與 IP 協(xié)議配套使用的還有三個協(xié)議：

地址解析協(xié)議 ARP（Address Resolution Protocol）
網(wǎng)際控制報文協(xié)議 ICMP（Internet Control Message Protocol）
網(wǎng)際組管理協(xié)議 IGMP（Internet Group Management Protocol）

ARP

網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)主機之間的通信摔癣，而鏈路層實現(xiàn)具體每段鏈路之間的通信。在通信過程中纬向，IP 數(shù)據(jù)報的源地址和目的地址始終不變择浊，而 MAC 地址隨著鏈路的改變而改變。

ARP 實現(xiàn)由 IP 地址得到 MAC 地址罢猪。每個主機都有一個 ARP 高速緩存近她，里面有本局域網(wǎng)上的各主機和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

如果主機 A 知道主機 B 的 IP 地址膳帕，但是 ARP 高速緩存中沒有該 IP 地址到 MAC 地址的映射，此時主機 A 通過廣播的方式發(fā)送 ARP 請求分組薇缅，主機 B 收到該請求后會發(fā)送 ARP 響應(yīng)分組給主機 A 告知其 MAC 地址危彩，隨后主機 A 向其高速緩存中寫入主機 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。

ICMP

ICMP 是為了更有效地轉(zhuǎn)發(fā) IP 數(shù)據(jù)報和提高交付成功的機會泳桦。ICMP允許主機或路由器報告差錯情況和提供有關(guān)異常情況的報告汤徽。

它封裝在 IP 數(shù)據(jù)報中，作為其中的數(shù)據(jù)部分灸撰，但是不屬于高層協(xié)議谒府。

ICMP 報文分為差錯報告報文和詢問報文拼坎。

Ping：Ping 是 ICMP 的一個重要應(yīng)用，主要用來測試兩臺主機之間的連通性完疫。

Ping 的原理是通過向目的主機發(fā)送 ICMP Echo 請求報文泰鸡，目的主機收到之后會發(fā)送 Echo 回答報文。Ping 會根據(jù)時間和成功響應(yīng)的次數(shù)估算出數(shù)據(jù)包往返時間以及丟包率壳鹤。

Traceroute：Traceroute 是 ICMP 的另一個應(yīng)用盛龄，用來跟蹤一個分組從源點到終點的路徑。

三路由選擇協(xié)議

路由選擇可分為：

靜態(tài)路由選擇/非自適應(yīng)路由選擇：由人工配置的路由芳誓。其特點是簡單和開銷較小余舶，但不能及時適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。適用于很簡單的小網(wǎng)絡(luò)锹淌。
動態(tài)路由選擇/自適應(yīng)路由選擇：能較好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化匿值，但實現(xiàn)較為復(fù)雜，開銷也比較大赂摆。適用于較復(fù)雜的大網(wǎng)絡(luò)挟憔。

互聯(lián)網(wǎng)采用的路由選擇協(xié)議主要是自適應(yīng)的，能隨著網(wǎng)絡(luò)通信量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而自適應(yīng)地進行調(diào)整库正。

互聯(lián)網(wǎng)可以劃分為許多較小的自治系統(tǒng) AS曲楚，在AS內(nèi)部和AS之間分別進行路由選擇。比如一個大的ISP就是一個AS褥符。這樣龙誊，互聯(lián)網(wǎng)就把路由選擇協(xié)議劃分為兩大類：

自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由選擇：RIP 和 OSPF
自治系統(tǒng)間的路由選擇：BGP

內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議RIP

RIP 是一種基于距離向量的路由選擇協(xié)議。使用跳數(shù)作為距離度量喷楣，直接相連的路由器跳數(shù)為 1趟大。跳數(shù)最多為 15，超過 15 表示不可達(dá)铣焊。

RIP的特點：（和那些路由器交換信息逊朽？交換什么信息？在什么時候交換信息曲伊？）

僅與相鄰路由器交換信息叽讳。
路由器交換的信息是當(dāng)前路由器所知道的全部信息，即自己現(xiàn)在的路由表坟募。
按固定的時間間隔交換路由信息岛蚤。

RIP 協(xié)議實現(xiàn)簡單，開銷小懈糯。但是 RIP 能使用的最大距離為 15涤妒，限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時赚哗，要經(jīng)過比較長的時間才能將此消息傳送到所有路由器她紫。

開放最短路徑OSPF

開放最短路徑優(yōu)先 OSPF硅堆，基于Dijkstra 提出的最短路徑算法 SPF，使用鏈路狀態(tài)作為距離度量贿讹。

鏈路狀態(tài)包括與哪些路由器相連以及鏈路的度量/代價渐逃，代價用來表示費用、距離围详、時延朴乖、帶寬等，這些由網(wǎng)絡(luò)管理人員來決定助赞。

OSPF 具有以下特點：（和那些路由器交換信息买羞？交換什么信息？在什么時候交換信息雹食？）

向本自治系統(tǒng)中的所有路由器發(fā)送信息畜普，這種方法是洪泛法。
發(fā)送的信息就是與相鄰路由器的鏈路狀態(tài)群叶，這只是自己知道的部分信息吃挑。
只有當(dāng)鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，路由器才會發(fā)送信息街立。

所有路由器都具有全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖舶衬，并且是一致的。相比于 RIP赎离，OSPF 的更新過程收斂的很快逛犹。

邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP

AS 之間的路由選擇很困難，主要是由于：

互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模很大梁剔；
各個 AS 內(nèi)部使用不同的路由選擇協(xié)議虽画，無法準(zhǔn)確定義路徑的度量；
AS 之間的路由選擇必須考慮有關(guān)的策略荣病，比如政治码撰、安全、經(jīng)濟等問題个盆。

所以BGP 只能尋找一條比較好的路由脖岛，而不是最佳路由。

每個 AS 都必須配置 BGP 發(fā)言人颊亮，AS之間通過在兩個相鄰 BGP 發(fā)言人之間建立 TCP 連接來交換路由信息鸡岗。

BGP所交換的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)行的信息就是要到達(dá)某個網(wǎng)絡(luò)所要經(jīng)過的一系列AS。

BGP發(fā)言人根據(jù)所采用的策略编兄，從收到的路由信息中找到到達(dá)各自AS的較好的路由。也就是構(gòu)造連通樹形結(jié)構(gòu)声登。