《计算机网络》网络层笔记思维导图
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思维导图大纲
《计算机网络》网络层笔记思维导图模板大纲
第一节 网络层的功能
异构网络互连
路由与转发
路由选择
分组转发
拥塞控制
区分拥塞控制和流量控制
拥塞控制：全局性，涉及网络中所有的主机，路由器及导致网络传输能力下降的所有因素
流量控制：点对点，主要控制发送方发送数据的速率
拥塞控制的方法
开环控制：静态预防，再设计网络的时候就将有关发生拥塞的因素考虑周全，力求网络在工作时不产生拥塞。
闭环控制：动态，基于反馈环路，事前不考虑有关发生拥塞的各种因素，采用检测网络系统去监视，及时检测拥塞，然后将拥塞信息传到合适的地方，以便调整网络系统的运行
第二节 路由算法
静态路由算法/非自适应路由算法
网络管理员手工配置路由信息
动态路由算法/自适应路由算法
距离-向量路由算法
所有结点都定期的将它们整个路由选择表传送给所有与之直接相连的结点
路由选择表内容
每条路径的目的地（另一结点）
路径的代价（也称为距离，RIP算法中距离定义为跳数）
典型算法是RIP算法
好消息传得快，坏消息传得慢，慢收敛，可能遇到路由环路的问题
链路状态路由算法
每个参与该算法的结点都有完整的网络拓扑信息
结点主动测试所有邻接结点的状态
节点定期的将链路状态传播给所有其他结点
具有快速收敛的特性
三个特征
使用泛洪法，将信息发送至本自治系统中的所有路由
发送的信息是与路由器相邻的所有路由器的链路状态
只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有的路由器发送消息
典型算法是OSPF算法
层次路由
内部网关协议（IGP）
RIP和OSPF
外部网关协议（EGP）
BGP
第三节 IPv4分组
IPv4分组格式
重要字段
首部长度：4位，以4字节为单位
总长度：16位，单位为字节
标识：16位，分片的时候用来标志是同一分组
标志：三位，最低位为MF，MF=1表示后面还有分片，MF=0表示最后一个分片，中间一位是DF，只有DF=0时才允许分片
片位移：13位，以8字节为单位，每个分片的长度一定是8B的整数倍
生存时间TTL
协议：8位，6代表TCP，17表示UDP
源地址字段：4B，表示发送方的IP地址
目的地址字段：4B，表示接收方的IP地址
最大传输单元（MTU）：数据链路层一个帧允许传输的最大数据量，以太网的MTU位1500B，很多广域网的MTU为576B
IPv4分组在进行分片后，会在目的主机进行组合
IP地址
五类IP地址
特殊用途的IP地址
主机号全0表示网络本身
主机号全1表示本网络的广播地址，即直接广播地址
127.0.0.0保留为环路自检地址
32位全0，即0.0.0.0表示本网络上的主机自身
32位全1，表示整个TCP/IP网络的广播地址，即受限广播地址
网络地址转换（NAT）
是传输层协议
私有IP地址/可重用地址
A类：10.0.0.0~10.255.255.255
B类：172.16.0.0~172.31.255.255
C类：192.168.0.0~192.168.255.255
映射方式是{ip地址：端口}
普通路由器在转发IP数据报的时候，不改变其源IP地址和目的IP地址，且只涉及到IP地址，所以工作在网络层
NAT路由器在转发IP数据报的时候，一定会改变其IP地址，且涉及到端口号，所以工作在网络层和传输层
NAT的表项需要管理员添加，如果遇到位置源IP或端口发来的数据报，就直接丢弃
子网划分与子网掩码
如果路由表项是一台主机不是子网，那么子网掩码应该是255.255.255.255
默认网关的子网掩码是0.0.0.0，IP地址是0.0.0.0
无分类域间路由选择CIDR
地址解析协议（ARP）
ARP表：每个主机都设有一个ARP高速缓存，用来存放本局域网上各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表，使用ARP动态维护。
ARP工作在网络层
ARP请求分组：广播
ARP相应分组：单播
动态主机配置协议（DHCP）
动态的分配IP地址，允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手动参与
基于UDP，所以工作在应用层
运行过程
DHCP客户机广播“DHCP发现”消息
DHCP服务器广播“DHCP提供”消息
DHCP客户机广播“DHCP请求”消息
DHCP服务器广播“DHCP确认”消息
DHCP服务器分配给DHCP客户机的IP地址是临时的，这段时间称为租用期。
网际控制报文协议（ICMP）
ICMP是IP层协议
ICMP差错报告报文
终点不可达：不能交付数据
源点抑制：因为拥塞丢弃数据
时间超过：生存时间TTL为零
参数问题：首部字段检查不正确
改变路由（重定向）：路由器把更好的路由发送给主机，下次生效
不发送ICMP报文的情况：
对ICMP差错报文不在发送ICMP差错报文
对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文
具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错控制报告报文
对具有特殊地址的数据报都不发送ICMP差错控制报告报文
ICMP询问报文：
回送请求和回答报文：主要应用PING
时间戳请求和回答报文：主要应用Traceroute
掩码地址请求和回答报文
路由询问和通告报文
第四节 IPv6
解决IP地址耗尽的方法
使用无类别编制CIDR
使用网络地址转换NAT
使用IPv6，扩大地址空间
IPv6主要特点
字节数16B
只有在源结点才允许分片，是端到端的，传输路径中的路由器不能分片
如果收到的IPv6数据包太大无法发送到链路上，路由器会直接丢弃
IPv6首部长度不可变
IPv6的首部是8B的整数倍，而IPv4是4B的整数倍
IPv6的优点
扩大了地址空间
简化了IP分组头
IPv6的目的地址
单播：一对一，点对点
多播：一对多
任播：目的站是一组计算机，但在交付的时候只交付给其中一台计算机，通常是距离最近的
IPv6地址的缩写简化
第五节 路由协议
内部网关协议（IGP）
路由信息协议RIP
距离向量协议的一种
是应用层协议，基于UDP
发送的路由表项是<目的网络N，距离d，下一跳路由X>
路由器到自己直连的网络距离为1，每经过一个路由器距离加1
RIP允许一个路径最多只能包含15个路由器，距离等于16时，表示网络不可达
默认在任意两个使用RIP的路由器之间每30秒广播一次RIP路由更新信息
如果超过180秒还没有收到相邻路由器的更新路由表，就将此相邻路由器记为不可达路由器，将距离设置为16
RIP特点
仅和相邻路由器交换信息
路由器交换的信息是当前路由器所知道的全部信息，即自己的路由表
按固定的时间间隔较换路由信息
RIP缺点
限制了网络规模，最多距离15
交换的信息是整个路由表，所以网络规模越大，开销也越大
网络出现故障的时候，会出现“慢收敛”，更新过程的收敛时间长
RIP优点
实现简单，开销小，收敛过程较快
开放最短路径优先协议OSPF
分布式链路状态路由算法
发送的信息是与本路由相邻的所有路由器的链路状态，即本路由器和哪些路由器相邻，及该链路的“度量”（或代价）
与RIP协议的区别
向本自治系统中的所有路由器发送信息，使用“洪泛法”，而RIP只向自己邻近的几个路由发送信息
发送的信息是本路由知道的部分信息，只是与本路由器相邻的路由器的链路状态信息，而在RIP协议中，发送的是路由表，即路由器已知的全部信息
只有当链路状态发生改变时，才会使用洪泛法发送信息，并且更新收敛速度快，而RIP协议是定期交换路由表的信息
OSPF是网络层协议，RIP是应用层协议
OSPF特点
如果到同一个网络有多条相同代价的路径，那么可以将通信量分配给这几条路径，即多路径间的负载平衡
每个链路状态都带上一个32位的序号，序号越大，状态越新
使用Dijkstra最短路径算法
路由表存储的不是完整的最优路径，只是下一跳地址
OSPF的五种分组类型
问候分组：隔一阵子检查临近路由是否可达
数据库请求分组：路由器刚开始工作的时候初步建立链路数据库
链路状态请求分组：向其他路由器请求自己缺少的链路
链路状态更新分组：链路状态变动的时候，洪泛法更新
链路状态确认分组：对更新分组进行确认
外部/边界网关协议（BGP）
只是力求找到一条能够到达的比较好的路由，而不是最佳
发送的信息是目的网络前缀，下一跳路由器，到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列（即路径）
是一种路径向量路由选择协议
是应用层的协议，基于TCP
BGP发言人由管理员选择
在BGP刚运行的时候，BGP的临站较换整个BGP路由表，但以后只需要在发生变化的时候更新有变化的部分
BGP-4
四种报文
打开报文（Open）：用来与相邻的BGP发言人建立关系
更新报文（Update）：用来发送某一路由的信息，以及列出要撤销的多条路由
保活报文（Keepalive）：确认打开报文并周期性的证实临站关系
通知报文（Notification）：发送检测到的错误
第六节 IP组播
组播的概念
组播一定基于UDP
将一个分组发送给多个目的主机，通过给组播地址发送一个分组，该组播地址标识一组地址。
主机使用IGMP（因特网组管理协议）加入组播组。
主机组播时仅需要发送一份数据，在数据经过分叉时及逆行复制然后转发，减轻了网络负载
需要支持组播协议的路由器，称为组播路由器。
组播地址
IP组播使用D类地址，每个D类IP地址标志一个组播组
注意事项
组播数据报也是“尽最大努力交付”，不提供可靠交付
组播四肢只能是目的地址，不能是源地址
组播数据报不会产生ICMP差错报文
不是所有的D类地址都可以作为组播地址
IGMP协议/因特网组管理协议
IGMP不知道IP组播包含的成员数，也不知道成员分布，
IGMP让连接到本地局域网上的组播路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出了某个组播组。
三种组播路由算法
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（PIM）
第七节 移动IP
概念：
移动结点以固定的网络IP地址实现跨越不同网段的漫游功能
三个功能实体
移动结点
移动代理
归属代理/本地代理
外部代理/外埠代理
归属代理使用隧道技术移交移动结点的数据给外埠代理
移动结点移动到外地网络的时候，需要将转交地址通知给归属代理，进行“移动绑定”/绑定
移动结点到达外部网络的时候，既不能直接发送数据，也不能直接接收数据，都要通过归属代理
第八节 网络层设备
路由器的任务
连接不同的网络（异构网络），并进行路由转发
路由器的构成
路由选择/控制部分
组成部件是路由选择处理机
分组转发
组成部件是交换结构、一组输入端口、一组输出端口
转发表和路由表
不是同一个东西，转发表是从路由表中得到的
路由表总是由软件实现的，转发表可以由软件实现，也可以由特殊的硬件实现
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