网络层
主要任务是实现网络互联，进而实现数据包在各网络间的传输
需要解决的问题：
- 网络层向运输层提供怎样的服务
- 网络层寻址问题
- 路由选择问题
TCP/IP体系的网际层提供的是无连接、不可靠的数据报服务
ATM、帧中继、X.25的网络层提供的是面向连接的、可靠的虚电路服务
💡 分组交换包括数据报和虚电路两种
编址方法
IPv4地址的编址方法经历了3个阶段
1、分类编址
- A类地址：网络号8位，最高位为0，主机号24位
- B类地址：网络号16位，最高两位为10，主机号16位
- C类地址：网络号24位，最高三位为110，主机号8位
- D类地址：多播地址，最高四位为1110
- E类地址：保留地址，最高四位为1111
💡 只有A类、B类和C类地址可分配给网络中的主机或路由器各接口 主机号全0的地址是网络地址，不能分配给网络中的主机或路由器各接口 主机号全1的地址是广播地址，不能分配给网络中的主机或路由器各接口
- A类地址理论上最小网络号为0000 0000，最大网络号为0111 1111，但是最小网络号『0』不能指派，只能作为源地址使用，表示“在本网络的本主机”，最大网络号『127』作为本地环回测试地址，也不能指派，所以可指派的A类地址网络号为
0000 0001~0111 1110，也就是1~126，总共126个，即$2^{8-1}-2$。每个网络中可分配的IP地址数量为$2^{24}-2=16777214$，要去掉全0的网络地址和全1的广播地址 - B类地址最小网络号为『128.0』，最大网络号为『191.255』，网络号共16位，最高两位固定10，所以可指派的网络数量为$2^{16-2}=16384$，每个网络中可分配的IP地址数量为$2^{16}-2=65534$
- C类地址最小网络号为『192.0.0』，最大网络号为『223.255.255』，网络号共24位，最高三位固定110，所以可指派的网络数量为$2^{24−3}=2097152$，每个网络中可分配的IP地址数量为$2^8-2=154$
💡 根据第一个十进制数判断网络类别：小于127为A类，128~191为B类，192~223为C类 地址
255.255.255.255是一个特殊的IPv4地址，只能作为目的地址使用，表示只在本网络上进行广播，各路由器均不转发
2、划分子网
从主机号借用一些位来作为子网号，子网掩码用1表示来网络号+子网号，用0表示主机号
3、无分类编址（CIDR）
用斜线后面的数字表示网络号的位数
可以进行路由聚合，将几个网络的最长前缀提取出来，只要存储这个最长前缀的网络就行
35.230.32.0/21 → 35.230.00100000.0
35.230.32.0/21 → 35.230.00101000.0
35.230.32.0/21 → 35.230.00110000.0
35.230.32.0/21 → 35.230.00111000.0
聚合后的网络为35.230.32.0/19
路由选择协议
- 静态路由选择：由人工配置的网络路由、默认路由、特定主机路由、黑洞路由等，一般只在小规模网络中使用
- 动态路由选择：路由器通过路由选择协议自动获取路由信息，适用于大规模网络
因特网采用分层次的路由选择协议，将多个网络划分为一个自治系统。
自治系统之间的路由选择称为域间路由选择，使用『外部网关协议EGP』这个类别的路由选择协议，例如BGP
自治系统内部的路由选择称为域内路由选择，使用『内部网关协议IGP』这个类别的路由选择协议，例如RIP、OSPF
内部网关协议
路由信息协议RIP，基于距离向量，适用于小型网络，使用UDP协议封装报文
RIP存在“坏消息传播得慢”的问题，又称为路由环路或距离无穷计数问题，可以采取以下措施
- 限制最大路径距离为15（16就表示不可达）
- 当路由表发生变化时就立即发送更新报文，而不是周期性发送
- 让路由表记录收到某特定路由信息的接口，而不让同一路由信息再通过此接口向反方向传送（即『水平分割』）
内部网关路由协议IGRP，基于距离向量，现已被EIGRP取代
增强型内部网关协议EIGRP，结合距离向量和链路状态
开放式最短路径优先OSPF（Open Shortest Path First），基于链路状态，使用IP协议封装报文
- 使用Dijkstra提出的最短路径算法，保证了不会出现路由环路
- 链路状态是指本路由器和哪些路由器相邻，以及相应链路的代价
- 不限制网络规模，更新效率高，收敛速度快
中间系统到中间系统IS-IS，基于链路状态
外部网关协议
边界网关协议BGP
在配置BGP时，每个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“发言人”。不同自治系统的BGP发言人要交换路由信息，首先需要建立TCP连接，端口号为179
IPv4数据报的首部格式
固定部分20字节，可变部分40字节
版本：4Bit，比如4
首部长度：4Bit，以4字节为单位，最小为5，表示只有固定部分的20字节
区分服务：8Bit
总长度：16Bit，表示IP数据报的总长度，首部+数据载荷，以字节为单位，以太网帧的最大传送单元（MTU）为1500字节，因此IP数据报总长度不能超过MTU
标识：16Bit，属于同一数据报的各分片应该具有同样的标识
标志：3Bit
- DF（Don’t Fragment）：1表示不允许分片，0表示允许分片
- MF（More Fragment）：1表示后面还有分片，0表示这是最后一个分片
- 保留位，设置为0
片偏移：13Bit，指出分片数据报的数据载荷部分偏移其在原数据报的位置多少字节，以8字节为单位，即每个分片的长度一定是是8字节的整数倍
生存时间TTL：8Bit，以跳数为单位，路由器转发IP数据报时，将IP数据报的生存时间减1，不为0就转发，否则丢弃
协议：8Bit，指明IP数据报的数据部分是何种协议数据单元，1表示ICMP报文，2表示TGMP报文，6表示TCP报文，17表示UDP报文
首部检验和：16Bit，用来检测首部在传输过程中是否出现差错
源IP地址：32Bit
目的IP地址：32Bit
可选字段：最大40字节
填充字段：确保首部长度为4字节的整数倍
网际控制报文协议ICMP
Internet Control Message Protocal
主机或路由器使用ICMP来发送『差错报告报文』和『询问报文』
💡 ICMP报文被封装在IP数据报中发送
- ICMP差错报告报文共有5种
- 终点不可达：主机或路由器不能交付数据报
- 源点抑制：由于拥塞而丢弃数据报
- 时间超过：IP数据报的TTL字段被减为0
- 参数问题：IP数据报在传输过程中出现误码
- 改变路由：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由
- ICMP询问报文有2种
- 回送请求和应答：由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送应答报文。用来测试目的站是否可达
- 时间戳请求和回答：请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。用来时钟同步和测量时间
ICMP应用举例
- 分组网间探测PING：Packet Internet Groper，用来测试主机之间的联通性，应用层直接使用网际层的ICMP协议，使用ICMP回送请求和应答报文
- 跟踪路由：Unix中是traceroute，Windows中是tracert，用来测试IP数据报从源主机到目的主机要经过哪些路由器，在Unix版本中，在运输层使用UDP协议，网络层使用ICMP协议的差错报告报文
虚拟专用网VPN
虚拟专用网（VPN，Virtual Private Network）：利用公用的因特网作为本机构各专用网之间的通信载体，也称为IP隧道技术
网络地址转换NAT
网络地址转换（NAT，Network Address Translation）：通过将专用网络地址转换为公用地址，从而对外隐藏内部管理的IP地址
💡 路由器对目的地址是私有地址的IP数据报一律不转发
私有IP地址又称为可重用地址
专用网内部的主机不能直接充当服务器使用
使用NAT时需要再专用用连接到因特网的路由器上安装NAT软件，NAT路由器至少有一个有效的外部全球抵制。使用本地地址的主机和外界通信时，NAT路由器使用NAT转换表将本地地址转换成全球地址，或将全球地址转换成本地地址。NAT转换表中存放着{本地地址：端口}到{全球地址：端口}的映射关系，使用端口号的NAT也称为网络地址与端口号转换NAPT（Network Address and Port Translation）
💡 NAT协议工作在传输层
动态主机配置协议DHCP
动态主机配置协议（DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol）：用于给主机动态地分配IP地址，提供了即插即用联网的机制
💡 DHCP是应用层协议，基于UDP
使用客户端/服务器方式，需要IP地址的主机在启动时就向DHCP服务器广播发送发现报文，这是该主机就成为DHCP客户，DHCP服务器先在其数据库中查找该计算机的配置信息，若找到，则返回找到的信息，若找不到，则从服务器的IP地址池中取一个地址分配给该计算机
DHCP服务器的回答报文称为提供报文
