Network Layer
主要功能：
- 路由选择与分组转发
- 异构网络互联（路由器）
- 拥塞控制：开环控制（静态）、闭环控制（动态）
1. IP Packet
1.1 格式
- 总长度： 16B 表示，单位 1B ；理论上能达到 65535 ，但是为了满足链路层的 MTU 现实中无法达到。
- 协议：标识传输层协议
- 首部检验和：只检验首部
- 可选： 0 ~ 40B
1.2 分片
需要传输的数据报长度超过了链路的 MTU 。
Identification 字段用于唯一地标识一个报文的所有分片。
用 Flags 字段（3 bits）标识同一数据报分片：
- Flags 共有 3 bits ，但只有后两位有意义
- 中间位 DF (Don't Fragment) ：1：禁止分片；0：允许分片
- 最低位 MF (More Fragment) ：1：后面还有分片；0：后面无
分片示例：
用「片偏移」字段表示某片在原分组中的相对位置，以 8B 为单位。
除了最后一个，每个分片的数据长度一定 是 8B 的整数倍。
1.3 IP 地址
1.3.1 IP 分类
D类：是多播地址。该类IP地址的最前面为“1110”，所以地址的网络号取值于224~239之间。一般用于多路广播用户。
E类：是保留地址。该类IP地址的最前面为“1111”，所以地址的网络号取值于240~255之间。
特殊 IP 地址：
| A类IPv4地址 | B类IPv4地址 | C类IPv4地址 | D类IPv4地址 | E类IPv4地址 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 网络标志位 | 0 | 10 | 110 | 1110 | 11110 |
| IP地址范围 | 1.0.0.0~127.255.255.255 | 128.0.0.0~191.255.255.255 | 192.0.0.0~223.255.255.255 | 224.0.0.0~239.255.255.255 | 240.0.0.0~247.255.255.255 |
| 可用IP地址范围 | 1.0.0.1~127.255.255.254 | 128.0.0.1~191.255.255.254 | 192.0.0.1~223.255.255.254 | ||
| 是否可以分配给主机使用 | 是 | 是 | 是 | 否 | 否 |
| 网络数量（个） | 126 (\(2^7 - 2\)) | 16384 (\(2^{14}\)) | 2097152 (\(2^{21}\)) | --- | --- |
| 每个网络中可容纳主机数（个） | 16777214 (\(2^{24}-2\)) | 65534 (\(2^{16}-2\)) | 254 (\(2^8-2\)) | --- | --- |
| 适用范围 | 大量主机的大型网络 | 中等规模主机数的网络 | 小型局域网 | 留给Internet体系结构委员会(IAB)使用【组播地址】 | 保留，仅作为搜索、Internet的实验和开发用 |
私有 IP 地址
1.3.2 Network Address Translation
路由器对目的地址是私有地址的数据报一律不转发。
软件层面根据 NAT 转换表进行目的地址、端口号的替换。
1.3.3 子网划分
分类的 IP 地址的弱点：利用率太低。
组织内部，对两级 IP 地址的主机号部分继续进行划分：子网号、主机号
（主机号至少两位二进制。）
使用子网时的分组传送：
- 提取目的 IP 地址 D
- 判断是否为直接交付：检查路由器直连的网络，即用各子网的掩码与 D 逐位与；若结果与子网匹配，则直接交付（转发给相应的接口）给目的主机。
- （间接交付）判断是否有特定主机路由：若有，则传给下一跳路由。
- （间接交付）检查路由表的每一行，用各子网掩码与 D 逐位与，若与该行的目的网络地址匹配，则传给下一跳路由。
- 若有默认路由
0.0.0.0，不属于上述情况的按默认路由走。否则报错。
1.3.4 无分类编址 CIDR
从定长子网掩码到变长子网掩码，进一步提高利用率。
- 消除了传统的 A、B、C 类地址，以及子网划分的概念。
- 记法： IP/前缀 。
- 融合子网地址、子网掩码；网络前缀都相同的连续 IP 地址组成一个「CIDR」地址块。
主机 IP 没有前缀长度
需要注意的是，子网有「IP/前缀」一说，但是主机可没有。因此，不能出现这样两个子网：
A: 198.16.0.0/20
B: 198.16.0.0/21
因为如果这样的话， A 、 B 两个子网中的主机地址是可能重复的！比如都是 198.16.0.1 ；而主机 IP 并没有前缀长度一说！
1.3.5 构成超网
将多个子网聚合成一个较大的子网（aka. 路由聚合）。
方法：缩短网络前缀。
2. Address Resolve Protocol
从目的 IP 获取目的 MAC ：
- 查询 ARP 缓存；若无，则请求：
- 判断目的 IP 是否在同一子网内；
- 在，构建目的 IP 对应的 MAC 地址的 ARP 请求分组；
- 不在，构建网关对应的 MAC 地址的 ARP 请求分组；
- 广播 ARP 请求分组 （目的 MAC 全 F ） 。
- 得到单播的 ARP 请求分组，更新 ARP 缓存。
3. Dynamic Host Configuration Protocol
基于 UDP ，应用层协议，C/S 模式，广播方式交互。
从服务器动态获取：IP、子网掩码、默认网关、DNS 服务器名称与IP地址
流程：
-
主机广播 DHCP 发现报文：有没有 DHCP 服务器；
-
DHCP 服务器广播 DHCP 提供报文：拟分配一个 IP 和相关配置；
-
主机广播 DHCP 请求报文（对上面收到的，先到先得）：询问是否可以开始使用收到的配置；
（广播的意义在于让没有选用的 DHCP 服务器知道它可以收回未使用的资源。）
- DHCP 服务器广播 DHCP 确认报文
4. Internet Control Message Protocol
为了更有效地转发 IP packet ，提高交付成功的机会。
- 差错报告
- 网络探寻
4.1 ICMP 报文格式
4.2 ICMP 差错报告
4.2.1 种类
- 终点不可达（无法交付时）
- ~~源点抑制（拥塞丢数据时）~~（已废弃）
- 时间超过：
- TTL=0
- 终点在规定时间内不能收到一个数据报的全部分片
- 参数问题（首部中有的字段的值不正确）
- 改变路由（重定向，告诉发送方应该走更好的路由）
注意不发送 ICMP 差错报告报文的情况：
- 对 ICMP 差错报告报文不再发送
- 对第一个分片的所有后续分片都不发送
- 对组播的
- 对特殊地址的（e.g.
127.0.0.1，0.0.0.0）
4.2.2 数据
4.3 ICMP 询问
- Echo request and reply （回应请求和回复）：测试可达性。
- 时间戳请求和回复：请对方回答当前的日期和时间，用于时钟同步或测量时间?
4.4 应用
ping：利用 Echo request and reply ，测试连通性。
traceroute：利用 ICMP 时间超过型的差错报告报文，跟踪传输路径。
5. 路由选择协议
5.1 Interior Gateway Protocol 内部网关协议
5.1.1 Routing Information Protocol
5.1.1.1 基础
分布式的基于距离向量的路由选择协议。 UDP 组播。
IP Header (e.g. 20Bytes)
UDP Header (8 Bytes)
RIP Packet
每个路由器维护：从自己到其它每一个目的网络的唯一最佳距离记录。
距离：从源端口到目的端口所经过的路由器的个数。
- 到直连网络的距离为 1（相当于算上自身）
- 最多 15 ； 16 表示网络不可达（这限制了 RIP 能够维护的网络大小）
通过交换信息维护路由表：
- 仅和相邻路由器交换信息
- 交换的是自身的路由表
- 每 30s 交换一次
5.1.1.2 更新路由表
- 修改收到的相邻路由器 X 发来的表项，“下一跳”改为 X ，距离都 +1 。
- 对每一项：
- 若路由表中无该项的目的网络，则加入（有胜于无）。
- 若有：
- 若下一跳是 X ，无条件更新（以新代旧；距离可能变远）。
- 若下一跳不是 X ，若距离小于原有表项中的记录，则更新（以优代劣）。
- 180s 没收到相信路由器 X 的更新路由表，则记 X 为不可达（距离 16 ）。
5.1.1.3 RIP 报文
5.1.1.4 特点
好消息传得快，坏消息传得慢：
当一个网段除了故障时， R1 和 R2 互相循环更新，一直到距离增长到 16 时二者才知道该网不可达。
5.1.2 Open Shortest Path First
OSPF ，开放最短路径优先协议。基于 IP 组播。
使用了 Dijkstra 提出的最短路算法 SPF 。
分布式的链路状态协议。
- 洪泛：向相邻的发送，相邻的又向相邻的发送。最后自治系统内所有路由器都能收到。
- 信息：与本路由器相邻的所有路由器的链路状态（和谁相邻，该链路的度量/代价——距离、时延、带宽……）。
- 只有当链路状态变化时才洪泛。
特点：
- 每 30min 更新 DB 中的链路状态。
- 收敛速度快，无坏消息传得慢的问题。
- 适用于大规模网络。
5.1.2.1 链路状态路由算法
- HELLO 问候分组：发现邻居节点。
- 设置到邻居的成本度量 metric 。
- 构造「Database Description 数据库描述分组」，向邻站发送所有项的摘要。
- 检查 DD 分组中的摘要：若都有，则忽略；若没有/需要更新，则发送「LSR 链路状态请求分组」，请求需要的信息。
- 收到 LSR 分组，发送「LSU 链路状态更新分组」进行更新。
- 更新完毕，邻站返回「LSAck 链路状态确认分组」进行确认。
只要一个路由器的链路状态变化：
- 泛洪「LSU 分组」。
- 更新完，返回「LSAck 分组」。
- 根据数据库，使用 Dijkstra 构造到其他节点见的最短路径。
5.1.2.2 OSPF 区域
将自治系统再划分为区域，每个区域有 32bits 的区域标识符。
目的：缩小LSDB规模，减少网络流量。
5.1.2.3 报文
要交换的信息量大，应使报文长度尽量短，所以直接用 IP 。
5.2 Exterior Gateway Protocol 外部网关协议
Border Gateway Protocol
- 基于 TCP
- 路径向量协议
- 每个 AS 一个 BGP 发言人
- 与相邻 AS 的 BGP 发言人交换信息
- 交换：网络可达性的信息；i.e. 到某网络要经过的一系列 AS
- 发生变化时，更新有变化的部分
报文格式（基于 TCP ）：
由于网络环境复杂，需要保证可靠传输，所以用 TCP 。
报文类型：
- OPEN 报文：建立关系，认证发送方。
- UPDATE 报文：通告新路径或撤销原路径。
- KEEPALIVE 报文：周期性证实邻站连通性，或作为 OPEN 的确认。
- NOTIFICATION 报文：报告先前报文的差错，或关闭连接。
最后选择的是较好的路径。
6. Multicast 组播
目的：减少重复，提高效率；避免主干网的拥塞。
组播分发树；到达离用户端尽可能近的节点时才开始复制、分发。
组播路由器：运行组播协议。
组播地址：D 类地址（并非全部）；
特点：
- 没有可靠交付，应用于 UDP 。
- 不产生 ICMP 差错报文。
- Internet 范围内组播 + 硬件组播（组播 MAC 地址）。
6.1 Internet Group Management Protocol 网际组管理协议
IGMP 工作的两个阶段：
Round 1：
- 某主机要加入组播组，向组播组的组播地址发 IGMP 报文，声明自己要加入。
- 本地组播路由器收到，利用 IGMP 把这组成员关系发给 Internet 上的其它组播路由器。
Round 2：
- 本地组播路由器周期性探测 LAN 上的主机，以知道它们是否还是组播组的成员。
- 只有有一个主机响应，组播路由器就认为此组活跃；几次探寻都没响应，就认为没有，就不再把这组成员关系发给其它的组播路由器。
6.2 组播路由选择协议
找出以源主机为根节点的组播转发树。
- 不同多播组对应于不同的多播转发树🌲；
- 同一多播组，对不同源点也会有不同的多播转发树
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（分散）/密集（在 LAN 内，离得近）
7. Mobile IP
以固定的 IP 地址，实现跨越不同网段的漫游功能。
8. IPv6
8.1 数据报格式
基本首部长度 40B 固定，路由器通常不处理拓展首部，提高首部处理效率。
- Flow Label ：标识一组数据报（一段“流”）。
- Payload Length ：基本首部后面跟着的有效载荷的长度，以 8B 为单位。
- Next Header ：下一首部的类型。e.g. 跟着的是 TCP ；或者跟着的拓展首部的类型。（对应 IPv4 的协议字段。）
与 IPv4 对比的特点：
- 16B 地址。
- 移除 checksum ，减少处理时延。
- 即插即用，自动配置，不需要 DHCP 。
- 首部长度必须是 8B 的整数倍（IPv4 首部是 4B 的整数倍）。
- IPv6 只能在主机处分片。如果路由器处发现其大于 MTU ，则返回 ICMPv6 分组过大。
- （资源预分配）
8.2 地址形式
冒号 16 进制： 共 128 bits ， 16B ；每 2 个字节用冒号分开（共8段），每段用 4 位 16 进制表示。
2402:f000:2:c001:ddc0:2401:b162:3190
零压缩：一连串连续的 0 可以被一对冒号取代。（只能省略一次。）
三种基本类型：
- 单播：一对一通信
- 多播：一对多通信（做目的地址）
- 任播：任播地址被分配给两个以上的接口；前往任播地址的分组会被路由到最近（e.g. 路由器跳数最少）的接口。（做目的地址）
8.3 IPv6 到 IPv4 过渡
8.3.1 双栈
8.3.2 隧道
6 in 4 和 4 in 6 隧道
把一种协议的数据报放入另一种的载荷部分发送。
9. 设备：路由器
互联不同网络层协议的网段。
路由表是根据路由选择算法得出的：
转发表由路由表得来。（除了软件，也可以由硬件实现。）