自顶向下 | 带你遨游网络层

前言

• 网络层的知识点非常繁多，本文仅是基于《计算机网络 自顶向下》而总结的一些重点知识点，如果想要详细了解网络层的知识，可以看下《自顶向下》
• 本文已经收录到我的Github个人博客，欢迎大佬们光临寒舍：我的GIthub博客

学习导图：

学习导图

对于互联网的网络层来说，其提供的服务非常简单，包括：

• 转发
• 路由选择

网络层可能提供的服务

网络服务模型：

• 确保交付
• 保证延迟的确保交付
• 有序交付
• 确保最小带宽
• 确保最大时延抖动
• 安全性服务

那么 IP 协议提供以上哪些服务呢？

答案就是：一个也不提供

• 不 确保交付
• 不 保证延迟的确保交付
• 不 有序交付
• 不 确保最小带宽
• 不 确保最大时延抖动
• 没有 安全性服务

数据报网络

IP 协议构建的网络就属于数据报网络

特点：

• 无需建立连接，维持状态信息
• 使用转发表决定分组输出端口
• 通过最长前缀匹配原则进行查询转发表

路由器工作原理

• 输入端口 ：从物理层接收数据，拆封分组、查看相应协议层头部，查询转发表放进发送队列
• 交换结构 ： 负责发送队列到输出队列的运输
• 输出端口 ：拿到输出队列的数据，然后封上相应协议层的头部，送给物理层
• 路由选择处理器 ： 负责执行路由选择，更新转发表，以及一些控制功能

网络层的三个主要组件

IP 协议

IPV4 数据报格式

IPV4数据报

• 版本：规定了 IP 协议版本
• 首部长度
• 服务类型：区分不同类型的 IP 数据报
• 数据报长度
• 标识、标志、片偏移：用于 IP 数据报分片
• 寿命：一个数据报可以被路由处理的次数
• 协议：用于 IP 的多路复用和分解，即应将数据交付给上层的那个协议，TCP 还是 UDP
• 首部检验和
• 源和目的 IP 地址
• 选项：用于扩展 IP 首部
• 数据

IPV4 编址

• 总长度为 32 位

• 一般以 8 位一组

• 子网：具有相同的前半部分地址的一组 IP 地址构成的网络

• 编址方案：

• 无类别域间路由选择
• 分类编址

IPv4 和 IPv6 的区别

1. 扩展了寻址能力。
V6 有 128位地址，v4只有32位。相当于扩展了4倍。
2. 报头格式简化
V6 相对于 V4来说，报头简化了很多
3. 对可选项更大的支持
V6 在 V4 的基础上，支持更多可选项操作，比如 对 IP层安全支持，对IP层漫游支持等功能。
4. 支持自动配置
IPv6节点通过 地址自动配置 来获得 V6地址 和网关地址，
5. 身份验证和保密
v6中加入了身份验证、数据一致性等保密性内容
6. 允许继续扩充协议
新的应用扩展也是在 V6 中支持的。

DHCP

是一种用于自动分配 IP 地址且即插即用的协议，使用 UDP 作为运输层服务

对于一个新加入网络的电脑：

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1. DHCP 服务器发现。通过设置源 IP 地址为 0.0.0.0，且目的 IP 地址为 255.255.255.255 的 UDP 分组，在网络中广播
2. DHCP 服务器提供。DHCP 监听到广播，使用一个 DHCP 提供报文 向客户作出响应 (继续以广播的形式发出，因为此时客户依旧没有自己的 IP 地址)
3. DHCP 请求。客户得到响应后，发送一个 DHCP 请求报文，回显响应的配置参数
4. DHCP ACK。服务器回应一个 DHCP ACK 报文，响应客户的请求报文

NAT

从目的来说，NAT 技术使得多台电脑可以通过一个公共 IP 上网，且不发生冲突。

其行文的核心在于，从路由器 (具备公共 IP 的设备) 拦截所有的分组，修改其 IP 地址和端口，并记录这种修改产生相应的映射，发送修改后的分组，接收时执行相反的步骤。

路由选择算法

分类

全局还是分散：

• 全局式路由选择算法 (链路状态算法)
  • 需要事先知道网络总体的分布图
• 分散式路由选择算法 (距离向量算法)：
  • 无需知道网络总体的分布图

动态还是静态：

• 静态路由选择
• 动态路由选择

是否负载敏感：

• 负载敏感算法
• 负载迟钝算法

因特网控制报文协议 (ICMP)

• 用于主机和路由器彼此沟通信息
• 最典型的用途是差错报告
• 构建于 IP 协议之上 (因为其报文位于为 IP 数据报的数据字段)

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本文参考链接：

• 《计算机网络-自顶向下方法》

• 《计算机网络-自顶向下方法》重点笔记

• 第四章-网络层-IP协议

• 计算机网络笔记——网络层简要笔记