第四章 网络层

根据网络层的基本任务，可以将网络层抽象地划分为2个平面，即 控制平面 和 数据平面 ，划分示意图如下：

其中，

• 控制平面主要负责转发表的计算和路由表的生成(路由选择算法)。
• 数据平面的主要功能是根据转发表进行转发；转发表存储与数字平面中，会根据分组首部找到对应的输出端口。

SDN即Software-Defined Networking，即软件定义的网络，而传统路由器和SDN的区别主要在于控制平面，传统路由器每台路由器都有自己的路由选择算法，而SDN将若干台路由器的路由选择算法均集成到一个远程控制器中，远程控制器负责计算并分发转发表，路由器原来的路由选择处理器负责与远程控制器通信并接收表项。

远程控制器可能运行在高可靠性的远程数据中心中，或由ISP提供。

而SDN控制平面可以继续细分为：

1. 网络控制应用程序，负责监视、控制下层的网络设备
2. SDN控制器，负责维护准确的网络状态信息
   
   在这两层之间产生了两层API，即北向API和南向API，用"上北下南"即可进行记忆。
   北向API由网络控制层应用程序调用，南向API由SDN控制器调用。

路由算法主要可以分为：

• 静态路由算法：其指由网络管理员手动配置的路由信息，但是当网络拓扑结构发生变化时其需要网络管理员重新手动配置。通常应用于小范围、高稳定性要求的军事网络与商用网络。
• 动态路由算法：路由器间和与其相互连接的路由器间交换信息，并依靠算法优化得到的路径表。其会按照一定频率自动更新，可以适应不断变化的网络拓扑。

而路由选择协议可以进行分层设计，由于网络规模大，且部分单位的网络拓扑有保密需要，故可以将整个网络划分为若干自治系统(AS)。

总的来说，路由算法可以按照如下方式划分：

• 按照每个路由掌握的信息可以划分为：
  • 全局性动态路由算法：每个路由器都掌握完整的网络链路拓扑和链路费用信息，如OSPF协议。
  • 分散性动态路由算法：每个路由器只掌握物理相连的邻居及其拓扑费用，如RIP协议。
• 按照自治系统内外可以划分为：
  • 内部网关协议IGP：一个AS之内使用的路由选择协议，如RIP、OSPF协议
  • 外部网关协议EGP：AS之间使用的路由选择协议，如BGP协议(BGP-4)

IP协议主要规定了其数据传送的基本单元及其确切的数据格式，并规定如何处理分组、如何控制错误等。其数据报格式如下：

其中：

• 首部可以分为固定部分和可变部分，固定部分共20Byte，通常不使用可变部分。
• 数据部分主要为传输层的报文段
• 首部长度 共占用4位，范围[0, 15]，其单位为 4Byte 。实际由于固定部分的存在，其最小值为 20Byte 。
• 填充字段 当可选字段不为4Byte的整数倍时，使用填充字段填充到4Byte的整数倍。
• 区分服务 用于强调数字报的优先级，一般不使用。
• 总长度 为整个IP数据报的长度，最大值为 65535，单位为Byte。一般不会过大，否则超过MTU长度时会被分片。
• 标识 IP数据报的标识，同一IP数据报的多个分片的标识一致。一般是一个计数器，统计IP数据报号。
• 标志 长度为3位，但是最高位保留，各位含义如下：

• 不存在DF=1，MF=1的情况。
• 片偏移 该分片在原分组中的相对位置，单位为8Byte。除最后一个分片外，每个分片长度已定位8Byte的整数倍。拆分时会将一个IP数据报拆分为多个IP数据报，从每个小IP数据报的数据部分开始，到原数据报的位置的距离就是片偏移的大小。
  • 具体拆分规则：
    IP数据报拆分规则：
    IP数据报拆分时，会将一个长数据报拆分为多个短IP数据报。这些数据报的标识符相同，并使用MF、DF等标志位进行标记。
  • 具体偏移量计算规则：
    片偏移计算规则：
    在上述拆分规则下，以数据载荷为偏移量起始计算位置。
    
    例如以MTU为1500，首部大小20Byte计算，则第二个数据报的偏移地址为1480Byte，偏移量为 则有各IP分片的参数为：
    
    
• 生存时间(TTL，Time To Live)：即IP分组在网络当中的寿命，每经过一个路由器就会减一，当变为0时会被丢弃，并发送ICMP超时报文。防止无法交付的数据报无限制的在网络中兜圈。大部分(取决于版本)Windows下默认(即可修改)为128，Linux下默认为64。
• 协议字段 用于区分数据部分的协议，对应表如下：
  
  主要记忆TCP为6、UDP为17。(TCP很 6 、UDP会被 17 (遗弃))
• 首部检验和 仅检验首部字段，不检验数据部分。由于生存时间会被逐级递减，故每经过一级路由器，首部和首部检验和均会变化。
• 源地址 、 目的地址 ：存储IPv4地址，共32位。
• 可选字段 长度0-40Byte，可有可无。用于排错、测量、安全等措施。
• 填充字段 全 0 。

IP数据报拆分规则：
IP数据报拆分时，会将一个长数据报拆分为多个短IP数据报。这些数据报的标识符相同，并使用MF、DF等标志位进行标记。

片偏移计算规则：
在上述拆分规则下，以数据载荷为偏移量起始计算位置。

例如以MTU为1500，首部大小20Byte计算，则第二个数据报的偏移地址为1480Byte，偏移量为 则有各IP分片的参数为：

基本概念：

• IPv4地址：给连接到网络的每台主机的每个网络端口分配的一个32Byte的唯一标识符，即IP地址。

IP地址分段及其规则：

1. IP地址的至多前4位用于区分网络类别(前缀编码)：
   1. 0 开头为A类网络，对应网络号长度为8位
   2. 10 开头为B类网络，对应网络号长度为15位
   3. 110 开头的C类网络，对应的网络号长度为22位
   4. 1110 开头为多播地址
   5. 1111 开头为预留的E类网络。
      具体如下图所示：
      
2. 上述各类网络中，有一些特殊IP地址，具体如下：

3. 此外，还有一些私有IP地址，用于各类局域网：
   
   网段个数即网络号的数量。路由器对目的地址为私有IP地址的数据报一律不转发。
4. 因此，各类网络的最大可用网络数、最大可用网络号等结论如下：
   
   其中，最大主机数减2是因为：
   • 全0代表网络号
   • 全1代表广播地址
     B、C类最大网络号减1是因为：
   • 网络号全0时不可指派
     A类最大可用网络数减2是因为：
   • 网络号全0时不可指派
   • 127回环地址

NAT地址转换：
NAT：Network Address Translation，一般用于将若干个专用网(局域网)的IP转换为一个外部IP地址。NAT一般由路由器负责。

NAT主要依靠于NAT转换表完成，即将外网的IP地址和端口号和内网的IP地址和端口号进行绑定与转发：

在NAT技术下，外网设备将无法主动连接NAT中内网的设备，只能由内网设备主动连接外网IP。当内网中设备发送连接请求后，NAT应用将会分配一个外网端口并，建立映射并记录到NAT转换表中。

子网划分是对上述A、B、C、D类网络一个网络号所对应的大的网络划分成若干个小子网的一个技术。一个大子网划分成若干个小子网后，对外界依旧表现为一个大子网，外界不知道其内部如何分配IP。

其方法是将主机号的高几位拿来当做 子网号 ，并将"两级IP地址"转化为"三级IP地址"，如下图所示：

子网掩码：
将网络号和子网号对应的位置设置为1，主机号设置为0，对应的十进制码就是子网掩码。

将子网掩码和目的IP地址进行与位运算，即可得子网网络地址。对于应试教育，应当背诵子网的二进制和十进制对应表：

无分类编址CIDR：
无分类编址CIDR取消了原先A、B、C类网络的划分，将子网掩码的思想合并为可变长度的网络号的设计，如下图所示：
随后其在IP地址后添加斜杠 / 和网络前缀长度，例如 128.14.32.0/20 。
随后主机号：

• 全 0 表示网络号
• 全 1 表示广播地址
  并将 网络号/长度 即 128.14.32.0/20 称为CIDR地址块。

则有如下特性：

• CIDR的地址掩码规则和子网掩码一致。
• 最小地址的网络号全0，表示网络号
• 最大地址的网络号全1，表示广播地址

CIDR的应用：

1. CIDR可以用于将若干子网合并，构成超网：
   假设网络拓扑如下：
   其中路由器R2的若干个网口下定义了若干个子网(例如上图红色箭头所表示的两个端口和子网)，则此时路由器R1在传递R2的信息时，需要维护若干行的路由表：
   造成了大量无意义的路由表表项，则此时可以通过CIDR技术将若干子网重新合并为一个大的"超网"(此时网络前缀长度缩短)。
   本质只是将若干长前缀子网合并为短前缀网络；或者说将短前缀网络划分为若干长前缀子网...
2. 最长前缀匹配：
   回忆一下路由表：
   在收到数据包后，路由表会根据目的IP地址查表，但是目的网络地址不一定在表中，因此会将当前数据包的目的网络地址和表中所有已知目的网络地址进行与运算，找出重合度最高的表项，并从对应接口发出。
   例如给定路由表，尝试转发目的地址为 132.19.137.5 的地址：
   
   则有：
   • 132.0.0.0/8 重合长度为8位(最多匹配到前缀长度，可以与下一项对比)
   • 132.0.0.0/11 重合长度为11位
   • 132.19.232.0/22 重合长度为17位，但是不满足22位的子网前缀要求，故舍弃。
   • 0.0.0.0/0 表示默认网关，只有当所有表项均不匹配时会走此项，此时该数据包会被交付给其他路由。
     故转发至R2。

现在思考应用层如何发起和建立连接：

1. 主机A的应用程序通过指定主机B的IP地址申请建立socket接口。
2. 在传输层会被重新封装为IP数据报，到网络层时需要将IP数据报封装为数据链路层的报文，且需要指定下一跳主机的MAC地址。而如何确定下一跳主机的MAC地址就是ARP地址解析协议(Address Resolution Protocol)负责完成的。

ARP协议的主要工作流程：
0. 若在ARP缓存中找到目的IP的MAC地址，则会以该MAC地址为目标进行发送。

1. 当ARP缓存中找不到目标IP的MAC地址时，会使用MAC地址为 FFFF-FF-FF-FF-FF 来进行ARP广播，使得该局域网的所有主机都收到此请求(交换机在接收到广播MAC地址的报文后，会向所有端口转发该报文)。该数据帧结构如下：
   
2. 当目标地址为局域网内主机时，局域网内的目的主机会向源主机发送ARP响应分组，该分组包含目标主机的IP地址和MAC地址的映射关系(不然只有响应，源主机也不知道是谁响应的)，当源主机收到ARP响应后即会把IP地址和MAC地址的映射关系加入ARP缓存中。此过程路由器也会发送包含上述映射关系的ARP响应分组以协助局域网内目的主机通信。此时该响应ARP分组是单播分组(区别于广播分组)。含有目的IP地址和目的MAC地址的帧结构如下：
   
3. 当目标地址不在局域网内时，路由器会执行代理ARP操作，并发送含有目标IP地址和路由器MAC地址映射关系的分组，以告诉发送主机后续该IP地址可直接发送给路由器。通常主机在查询ARP缓存前，会先检查目的IP是否为局域网内设备，若不是局域网内设备，则会直接发送给网关(即路由器)。
4. 源主机在查询网关的MAC地址时所使用的操作类似于步骤1、2。

ARP的四种典型情况：

1. 主机A要给局域网内主机B发送数据：此时主机A会用ARP找到目标主机的MAC地址。
2. 主机A要给外网设备发送数据：此时主机A会用ARP找到网关，并将数据发送到网关。
3. 路由器要给局域网内主机B发送数据：路由器使用ARP找到主机B的MAC地址。
4. 路由器要给外网设备B发送数据：路由器通过ARP找到可以与设备B通信的另一网关的MAC地址。(对于树形拓扑，则会找到第一个父节点；对于总线型拓扑则会找到B的父节点)

ARP缓存通常10-20min更新一次。

DHCP协议(Dynamic Host Configuration Protocol)：
负责分配网络内主机的IP地址。

DHCP协议的性质(红色要考)：

• 是应用层协议
• 使用C/S模式
• 基于UDP
• 客户端与服务端之间使用广播方式进行交互，对应UDP地址为 255.255.255.255
• 允许地址重用：
  • 当IP地址对应的主机离开网络后，该IP地址可以给一个新的设备重新使用
• IP地址支持租用期，支持在用地址续租

DHCP工作流程：

1. 申请获得动态IP的主机发送一个DHCP发现报文，申请DHCP服务器的服务
2. DHCP服务器广播DHCP提供报文，DHCP服务器为主机拟分配一个IP
3. 主机广播DHCP请求报文，确认使用
4. DHCP服务器广播DHCP确认报文，同意使用

使用广播的好处：

1. 对于多DHCP服务器的情况，使用广播可以使各服务器之间同步。
2. 由于使用UDP协议，在DHCP工作完成之前，主机没有可用IP，故无法使用单播。

ICMP协议(Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议)：
ICMP是一种网络层协议，用于在 IP 网络中传递控制信息和错误消息。

ICMP协议的性质：

1. 是网络层协议，ICMP报文会成为IP数据报的载荷。
   
2. 主要负责传递控制信息和错误消息、网络探寻等。
3. ICMP差错报文有：
   1. 终点不可达
   2. 源点抑制：由于路由器或者主机发送拥塞而丢弃报文时，就可以向源点发送源点抑制报文，降低源数据发送速率(已取消，基本不用)
   3. 超时报文：路由器收到TTL=0的数据报时，除了丢弃该数据报以外，还要向源点发送超时报文。
   4. 参数问题：首部字段有问题的IP数据报会被返回该报文
   5. 重定向报文：路由器希望主机下一次将IP数据报发送给别的更好的路由时使用该报文(你是一个好主机，你值得一个更好的路由)。
      ICMP差错报文的格式通常为：
      
      其会保留原IP数据报的首部和载荷部分的前8个字节。
4. 不应当发送ICMP差错报文的情况：
   1. 对ICMP差错报文出错时再发送ICMP差错报文
   2. 对一个IP数据报的分片的后续分片不再发送ICMP差错报文
   3. 对具有组播地址的IP数据报不再发送ICMP差错报文
   4. 特殊地址(不可作为源地址的特殊地址)不再发送ICMP差错报文，例如 0.0.0.0 或 127.0.0.0 ，选择题会考察。
      
5. ICMP询问报文和回答报文：
   主机或路由器向特定主机发送询问报文，则该主机应当回复回答报文。常见的询问报文有：
   1. 回送请求报文和回答报文：例如上图的Ping。
   2. 时间戳请求报文和回答报文，用于询问某个主机其当前时间，用来测量和同步时间。
   3. 掩码地址请求和回答报文，已不再使用
   4. 路由器询问和通告报文，已不再使用
6. 基于ICMP的常用应用有：
   1. ping 命令，工作在应用层，基于ICMP询问报文
   2. tranceroute 或 trancert ，工作在网络层，基于ICMP超时差错报文(一点点的增加TTL)