一、网络层概念以及两种网络连接方式

1.1 概念

转发：指分组从输入链路接口到适当的输出链路接口的路由器本地动作

路由选择：涉及一个网络中的所有路由器，决定分组从源到目的地所采取的端到端路径。

转发表：每台路由去都具有一张转发表，根据分组的首部字段值在转发表中进行检索，然后进行转发。

交换机：链路层交换机，基于网络层字段中的值做转发决定

路由器：基于网络层字段中的值做转发决定。

网络层提供的是尽力而为的服务

虚电路网络：仅在网络层提供连接服务的计算机网络

数据报网络：仅在网络层提供无连接服务的计算机网络

网络层由是三部分组成：ip协议、路由选择部分、报告数据报中的差错以及对网络层信息请求进行响应的设施。

1.2 虚电路网络

1.2.1虚电路的组成：

 源和目的主机之间的路径、VC号、沿着该路径的每台路由器中的转发表表项。

1.2.2 数据传输过程：

1. 虚电路连接。传输层与网络层联系，网络层决定发送方与接收方之间的路径，以及该路径上的每条链路的VC号，最后在每台路由器的转发表上增加一个表项。在连接建立期间，网络层还会预留改路径上的资源（如带宽）
2. 数据传送。
3. 虚电路拆除。通知另一侧的端系统结束呼叫，并更新每台路由器上的转发表，删除相应表项。

1.2.3 网络层的虚电路连接与传输层的连接的区别：

• 传输层的连接建立仅涉及两个端系统，但网络层对于此完全不知情。
• 对于虚电路网络层，沿着两个端系统上的所有路由器都会参与虚电路建立，且每台虚电路都知道它的所有虚电路。

1.2.4信令报文和信令协议

信令报文：端系统向网络发送虚电路建立和拆除的报文，路由器之间用于建立虚电路的报文。

信令协议：用来交换信令报文的协议。

1.3 数据报网络

1.3.1 数据传输过程

1. 为分组加上目的端系统地址，并将分组推入网络
2. 分组达到路由器时，路由器根据目的地址前缀在转发表中进行匹配，当有多个匹配时，采用最常前缀匹配规则，并向该链路接口转发。

1.3.2 数据报网络的特点

• 路由器不维持连接状态信息，但维持转发状态信息，相对于来说变化时间较慢，
• 其转发表是根据路由选择算法来改变的
• 路由器的转发表随时都有可能会被修改，分组在这个过程中，可能会无序到达

1.3.3 虚电路和数据报网络的由来

• 虚电路的概念来源于电话界
• 因特网是一种数据包网络

二、路由器的工作原理

2.1 路由器体系结构

 2.2 输入端口

在输入端口会完成查找功能，转发表会从路由选择处理器经独立总线复制到输入线路卡，如上图虚线所示。三态内容可寻址存储器TCMA经常被用于查找转发表内容。

2.3交换结构

三种方式：

经内存交换、经总线交换、经互联网交换

2.4 输出端口

输出端口会取出存放在输出端口内存中的分组，并将其发送到输出链路上。

2.5 排队与丢包

 在输入端口与输出端口都会有一定的排队，随着队列的增长，路由器的缓存空间将会最终耗尽，当无内存可用于存储到达的分组时，将会出现丢包。

输出端口：当交换结构的处理速度比输出端口的速度快很多时，会出现排队以及丢包。分组调度程序会保证服务质量，选择进行发送的分组，而主动队列管理会算法则会选择丢弃的分组。

输入端口：当交换结构的处理速度比输入端口的速度慢很多时，会出现排队以及丢包。当出现了这种情况，而输出端口没有分组的竞争行为，这就是线路前部阻塞。

三、网际协议

3.1 数据报格式

IPV4数据报格式

版本号：指明了该数据报的ip协议版本（如：ipv4）

首部长度：数据部分从何开始

服务类型：区分不同类型的数据报

数据包长度

标识、标志、片偏移：与ip分片有关。在ipv6中不允许路由器上对分组分片

寿命：该数据包被一台路由器处理，该字段减1，直到为0被丢弃。

协议：指明ip数据报的数据部分应交由哪种传输层协议。tcp为6，udp为17

首部校验和：用于帮助路由器检测收到的ip数据报中的比特错误。

源和目的地址

选项：允许ip首部被扩展。在ipv6中已被舍弃 

数据：有效载荷

3.2 ip数据包分片

一个链路层帧能承受的最大数据为最大传送单元(MTU)，受MTU的限制，IP数据报中的数据被分为多个小ip数据报，用单独的链路层帧封装，然后向输出链路发送这些帧。这些每个较小的数据报为片。

在ipv4中，IP数据报的分片在路由器中进行，但重新组装是在端系统中。

标识：发送主机在生成一个数据包时，在贴上源地址和目的地址的同时，会将标识号加1。

标志：数据包进行分片之后，其他片的标志比特都为1，最后一片为0。

片偏移：偏移字段指示该片应放在IP数据报的哪个位置。

 3.3 IPV4

主机与物理链路之间的边界叫做接口，每台主机与路由器接口都要拥有自己的IP地址。

因特网的地址分配策略被称为无类别域间路由选择（CIDR），IP地址被划分为了两部分，a.b.c.d/x，x指出了第一部分的比特数。

3.3.1 动态主机配置协议

dhcp是一个客户服务器协议，客户通常是新达到的主机，它要获得ip地址在内的网络配置信息。

dhcp允许主机自动获取一个IP地址，该地址是临时的，每次与网络连接获取到的是随机，不一致的

4个步骤：

• DHCP服务器发现。新主机首先是要发现一台能与其交互的DHCP服务器，通过向udp分组中的端口67发送发现报文。
• DHCP服务器提供：DHCP在收到发现报文后，用DHCP提供报文作出相应。包含了发现报文的事物ID、向客户推荐的IP地址，网络掩码，以及IP地址租用期。
• DHCP请求：客户机选择一个DHCP服务器，并向其发送DHCP请求报文，回显配置参数。
• DHCP ACK：服务器用DHCP ACK报文做出响应，证实其参数。

3.3.2 网络地址转换

nat就是使路由器对外界隐藏了局域网的细节，统一对外界有一个ip地址，通过nat转换表，对应具体的设备。

1. 用户请求一个web网页，主机为其分配了任意一个源端口号，并将请求数据报发送到局域网中。
2. NAT路由器收到该数据报，为该数据报生成了一个新的源端口号进行替换，并将源IP地址替代为广域网一侧接口的IP地址。路由器也在它的nat路由转换表中增加一个表项。
3. web服务器返回响应请求，其目的地址是NAT路由器的地址，端口号也是nat生成的那个端口号。
4. web响应报文到达NAT路由器，路由器使用目的IP地址端口号从转换表中检索出局域网内部的IP地址和目的端口号，对该响应报文进行修改，并向局域网内部发送。

UPnP：通用即插即用协议，是一种允许主机发现并配置邻近NAT的协议，UPnP允许外部主机使用TCP或UDP向NAT化的主机发起通信会话。

3.4 因特网控制报文协议（ICMP）

　　因特网的网络层具有3个主要组件：IP协议、因特网路由选择协议、因特网控制报文协议

　　ICMP最典型的用途是差错报告，ICMP报文是作为IP有效载荷承载的，就像TCP和UDP报文作为IP有效载荷被承载那样，当一台主机收到包含ICMP的IP协议的时候，它分解出该数据报的内容给ICMP。

　　ICMP报文有一个类型字段，一个编码字段。

　　ping程序就是发送一个ICMP类型8编码0的报文到指定主机，还有一种ICMP源抑制报文，拥塞的路由器向一台主机发送抑制报文，以强制使其减小发送功率。

　　Traceroute程序，允许我们跟踪世界上任意一条主机到主机的路由，它也是由ICMP报文实现的。

3.5 IPV6

变化：

• 扩大的地址容量，从32比特增加到了128比特
• 简化高效的40字节首部
• 流标签与优先级。给属于特殊流的分组加上标签，这些特殊流是发送方要求进行特殊处理的流，如一种非默认服务质量或需要实施服务的流。

数据报格式

• 版本：用于标志ip版本号，IPV6的该值设置为6，但IPV4的并不是4
• 流量类型：与IPV4的TOS（服务类型）字段类似
• 流标签：用于标志数据报流
• 有效载荷长度
• 下一个首部：这一字段标志传输层协议
• 跳限制：转发数据报的每台路由器，减一，如果达到0，该数据报会被抛弃
• 源地址和目的地址
• 数据

与IPV4相比没有的：

• 分片/重新组装：IPV6不允许在中间路由器上进行分片与重新组装，这种操作只能在终端进行。该功能加快了网络中IP转发速度
• 首部检验和
• 选项

　　实现从IPV4到IPV6的迁移：双栈方法，使用该方法的节点既有IPV6，又有IPV6，具有两种IP地址。当收发数据的对方只有IPV4或IPV6，它就也只能以相应的数据报格式进行传输。IPV6到IPV4的数据报转换，可被复制，但是从IPV4到IPV6的转换时，IPV6中的某些字段在IPV4中没有对应部分，这些字段的数据就会丢失。

　　另一种双栈方法：建隧道。将两台IPV6路由器之间的IPV4路由器的集合称为一个隧道，在隧道的发送端，将IPV6包放到一个IPV4报文中去，该IPV4报文的目的地址指向另一个IPV6的接收端，中间的IPV4路由器将其作为普通数据报进行转发，隧道接收端的IPV6路由器最终收到该IPV4数据报，并确定其中还包含着IPV6包并取出，再为该IPV6包提供路由。

 3.7 路由选择算法

路由费用计算：物理长度、链路速度、与该链路相关的金融费用

广义分类：

• 全局式路由选择算法：用完整 的全局性的网络知识计算出从源到目的地之间的最低费用路径，全局式算法具有关于连通性和链路费用方面的完整信息。具有全局状态信息的算法被称为链路状态（LS）算法。
• 分散式路由算法：以迭代、分布式的方式计算出最低费用。每个节点仅有与其直接相连链路的费用知识。其中由距离向量算法（DV）

层次路由选择

• 路由器组织会通过自治系统（AS）进行管理自治。每个AS有一组在相同管理控制下的路由器组成(如相同的ISP或者相同的公司网络)。在相同的AS下的运行一样的路有选择算法，其中一台路由器负责向AS外转发分组，称其为王网关路由器。
• AS内部的路由器都知道转发分组给网关路由器的最短路径，各AS网关路由器之间采用自治系统间路由选择协议，各AS之间运行相同的AS间路由选择协议，BGP4
• AS内部路由选择协议：RIP、OSPF
• AS间路由选择协议：BGP

3.7.1 RIP（路由选择信息协议）

它是一种距离向量协议

网络层

原文：https://www.cnblogs.com/yujin123456/p/10462604.html