网络层
Mar 31st, 2020
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Mar 31st, 2020
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在计算机网络中进行通讯的两个计算机之间可能要经过许多节点和链路,也可能要经过多个通过不同的路由器互连的通信子网。
网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送站从传输层所传下来的分组能够正确无误的按照地址找到目的站，并交付给目的站的传输层。
网络层是 通信子网的最高层 ，对上层用户屏蔽了子网通信的细节，如子网类型、拓扑结构、子网数目，向上层提供一致的服务、统一的地址。
基本功能 : 实现端到端的网络连接，屏蔽不同子网技术的差异，向上层提供一致的服务。
主要功能
路由选择和转发
通过网络连接在主机之间提供分组交换功能
分组的分段与成块，差错控制、顺序化等
好处 : 最佳路径、隔离广播、提高性能及安全性
主要采用无连接方式、分组交换方式(IP传输方式)
广播风暴：通过发送广播影响广播域中的所有接收者损害他人利益。 如何对应广播风暴： 1. 数据链路层：VLAN的方式隔离广播 2. 网络层：通过路由器隔离广播
大多数局域网的节点可以通过广播发出数据。(无连接)
WAN中大多数采用point to point的方式，即点到点的方式。(无连接)
Internet通信子网结构复杂(覆盖多个LAN、WAN)，经过多个节点、多个路径可达。
网络层向传输层提供的服务:面向连接 or 无连接?可靠交付应当由谁来负责?是网络还是端系统?
电信派 : 主要采用面向连接的方式。可靠性可由低层实现(通信子层)，在分组交换中采用VC(Virtual Circuit)。
Internet派 : 终端(host)都是智能设备，可以处理差错问题。底层通信的出错率已很低，没有必要在底层处理差错问题。所以采用无连接的方式，把每个报文封装在单独的地址里，独立路由，可靠性由高层实现。
Cerf and Kahn’s internetworking principles:
minimalism, autonomy - no internal changes required to interconnect networks
best effort service model
stateless routers
decentralized control
在传送数据之前，首先通过呼叫建立一条虚电路
所有分组沿同一条路径传送，并且按发出顺序到达目的地
类似电路交换
在 source-dest 路径上的路由器为每个报文(data flow)维护状态
建立连接之后，分组中只需要携带连接标识
可以在建立连接时协商参数、QoS、开销等
差错处理及流控可以由网络负责，也可以由用户主机负责
建立虚电路(Virtual Circuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源。虚电路表示这只是一条逻辑上的连接。
网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。
网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组(即 IP 数据报)独立发送，与其前后的分组无关(不进行编号)。
网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序(不按序到达终点)，当然也不保证分组传送的时限。差错由末端解决，如发送请求某个丢失的包。
由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务， 这就使网络中的路由器可以做得较简单。
虚电路
数据报
是否需要先建立连接
需要
不需要
分组中的目的地址
VC标识
完整地址
路由器中的路由表
需要为每个虚电路保存一个路由表
只需要一个简单的路由表
选择传输路径
在VC建立时选路 所有分组路由相同
每个分组独立选路 路由可能不同
路由器故障带来的影响
所有经过该路由器的VC都将终止
几乎不受影响
拥塞控制
易于实现
很难实现
差错控制和流量控制
由子网负责
由主网负责
经过一个中转站称为 “一跳”(hop) ，经过5个中转站称为5跳，总共经过6个广播域。
虚电路的路由表
路由表在建立虚电路(虚呼叫)时确定。分组在传送时只需携带虚电路号，虚电路号只具有本地意义，根据虚电路建立顺序由各主机、各结点自主排序，入出口号不一定相同。
数据报的路由表
每个分组都需要携带完整的目的地址。每个结点保存一个到网内其他结点的输出线选择表。
工作在OSI网络层中，实现下三层的转换，还具有中继器、网桥的功能，能够识别网络层协议、网络地址。它的主要功能如下:
划分子网;
进行信息隔离;
提高网络安全性;
具有路由选择最佳性;
容错和访问控制。
问：路由器和交换机的区别是什么？ 答：路由器是网络层中的定义，可以隔离广播，屏蔽底部差异性；交换机是数据链路层的定义。
Multiple incompatible LANs can be physically connected by specialized computers called routers
The connected networks are called an internetwork
The “Internet” is one (very big & successful) example of an internetwork
可以看出IP一个协议撑起上面的各种协议又能屏蔽下面各种协议的差异。 上层的主要协议：TCP 和 UDP 下层的主要协议：Ethernet 和 PPP
- Everything over IP - IP over Everything
向上为传输层如 TCP、UDP 提供服务
向下屏蔽数据链路层
中间由路由表(routing table)和IP协议和ICMP协议组成
其中路由表由 RIP, OSPF, BGP 等路由协议生成
IP 协议是核心
ICMP 是当IP出错的时候进行 error reporting
IP协议是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一。由于IP协议可以使互连起来的许多计算机网络能够进行通信，因此，TCP/IP体系中的网络层常常称为网际层(internet layer)。
网络互连依赖于与硬件地址无关的逻辑地址(IP地址)。
Internet就是成千上万个IP子网通过路由器互连起来的国际性网络。
采用传统的硬件帧格式
路由器要连接异构网络，而不同类型网络的帧格式不同(如:Ethernet、ppp、IEEE802.5等);
路由器不能简单地格式化帧的头，因为两个网络可能使用不兼容的地址格式;而帧中的物理地址只作用在同一个网络中(一个广播域中)
必须采用统一的报文格式，即IP报文;并采用全球统一编址的、逻辑化的地址，即IP地址
一个独立于底层硬件的报文格式。 即IP数据报(datagram)
当1981年9月第一次对 IP地址进行标准化时,IP地址采用32位比特进行全球唯一标识。
32-bit IP 地址 由以下两部分组成: 网络号(N)+主机号(H)
路由器利用IP地址来区别不同的网络，实现网络的互连和隔离，保持各个网络的独立性。
网络号和主机号合起来才构成一个完整的IP地址。同一个网络中的主机IP地址，其网络号必须相同。
网络号由网络号前缀组成，主机部分全为零。
给定网络号前缀的所有主机共享网络号前缀，而每台主机由唯一的主机号进行标识。
处于不同网络的主机必须具有不同的网络号前缀，但可以具有相同的主机号。
IP 地址空间分为5类 : A类、B类、C类、D类、E类
各类具有不同的网络号前缀位数和主机号位数。
各类可分别表示不同大小的网络。
实际可供用户分配的只有A、B、C三类。
A类具有 8-bit 网络号前缀，其最高位置为0，其余7位为网络, 随后的 24-bit 为主机号。
最多可定义 2^7-2=126 个网络号(1~127)。
网络号全0是保留地址，意思是 本网络
网络号为127也是保留地址，作为本地软件 环回测试(loopback test) 本主机的进程之间的通信用。目的地址为环回地址的IP数据报永远不会出现在任何网络上，因为网络号为127的地址根本不是一个网络地址。
最多可定义 2^24-2=16,777,214 台主机。
全0的主机号字段表示该IP地址是 本主机 所连接到的 单个网络地址 (e.g. 本主机连接到 5.6.7.8，则连接到的网络地址为 5.0.0.0)
全1的主机号表示 所有的，因此全1的主机号表示该网络上的所有主机。
IP地址 : N.H.H.H
B类网络号 具有 16-bit 网络号前缀，其最高两位置为10，其余 14-bit 为网络号，随后为16位的主机号。
最多可定义 2^14-1=16,383 个网络号(128~191)。
前两位已经确定是01所以不可能出现全0或者全1的情况，但是实际上 128.0.0.0 是不可指派的，因而最小的可指派的网络号为 128.1.0.0 所以要减 1
最多可定义 2^16–2=65,534 台主机。
同理A类地址，减2是为了扣除全0和全1的情况。
IP地址 : N.N.H.H
C类具有 24-bit 网络号前缀，其中 3 个最高位置为110，其余 21-bit 为网络号, 随后为 8-bit 主机号。
最多可定义 2^21-1=2,097,152 个网络号(192~223)。
同理B类地址，192.0.0.0 是不可指派的，最小的可指派网络地址为 192.1.0.0，所以要减1
最多可定义 2^8–2=254 台主机。
同理A类地址，减2是为了扣除全0和全1的情况。
IP地址 : N.N.N.H
D类最高的前4为置为 1110 ，用于多广播(224~239)
224.0.0.0~239.255.255.255
举例:
224.0.0.1 LAN的所有系统
224.0.0.2 LAN的所有路由器
224.0.0.5 LAN的所有OSPF路由器
E类地址的最高前5位置为 11110 (240~255)
留作试验或未来的特殊使用
240.0.0.0~255.255.255.254
在A至C类IP地址中，有若干地址有专门的用途或特殊意义，不能分配给主机。具体如下:
网络地址 : 即主机号为全0，代表一个网络 例如 : 129.1.0.0，12.0.0.0
广播地址 : 即主机号为全1，代表一个广播域 例如 : 129.1.255.255，12.255.255.255
自 检 地 址 ( loopback address ) : 127.H.H.H (127.0.0.1)
网络号
主机号
源地址使用
目的地址使用
代表的意思
0
0
可以
不可以
在本网络上的本主机
0
host-id
可以
不可以
本网络上的某台主机 host-id
全1
全1
不可以
可以
只在本网络上进行广播(各路由器均不转发)
net-id
全1
不可以
可以
对net-id上的所有主机进行广播
127
非全0或全1的任何数
可以
可以
用于本地软件环回测试
127.0.0.1和0.0.0.0地址的区别 See Reference
问题 : 在内部使用的本地地址就有可能和互联网中某个 IP 地址重合，这样就会出现地址的二义性问题。
解决 : RFC1918指明了一些专用地址(private address)。专用(私有)地址只能用作本地地址而不能用作全球地址。在互联网中的所有路由器，对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。
好处 : 解决IPv地址不够的问题，安全性提高。
RFC1919规定:以下地址不能上Internet，只能作为内部地址或私有地址:
A类(1个广播域) : 10.0.0.0~10.255.255.255
B类(16个广播域) : 172.16.0.0~172.31.255.255
C类(256的广播域) : 192.168.0.0~192.168.255.255
在组建内部网时，应考虑这条规定
注意：可以使用的网络号要排除全0和全1，如A类可以使用的网络号为： 10.0.0.1~10.255.255.254
分等级地址结构。IP地址分为网络部分和主机部分，是某种意义上的 “分等级”。
IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。
路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组(而不考虑目的主机号)，这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。
IP地址与子网掩码确定了网络号及对应的广播域，一个路由器接口对应一个网络号
当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomed host)。
由于一个路由器至少应当连接到两个网络(这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络)，因此一个路由器至少有两个不同的 IP 地址。
按照Internet的观点，用switch (bridge)、hub(repeater)连接起来的若干个局域网仍为一个网络。因此，这些局域网都具有同样的网络号。
在IP地址中，所有分配到网络号的网络，不管是局域网还是广域网都是平等的。
IP地址有时也可用来指明一个网络的地址，host-id 全零(即网络号)。
大体有以下四种环境： 1. 通过同一根电缆直接连通(或广域网中虚电路点对点连接)。 2. 由中继器(hub)隔离。 3. 通过switch(bridge)隔离。 4. 通过路由器(相连的两个广播域必不相同)隔离。
前三种情况都属于在同一个网络(同一个广播域)，网络号必须相同。而对于路由器来说，路由器有几个口，就有几个网络号，一个网络号就是一个广播域(能够直接到达的)。 路由器只转发IP报文，而隔离广播消息。
一个有多个网络连接的计算机(常见为路由器)必须为每个连接分配一个IP地址。
IP地址除了标识一台特定的主机外，还标识一台主机与一个网络的连接。
注：两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明IP 地址。如指明 IP 地址，则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊“网络” ，指明可以方便检查出现的问题。现在常不指明 IP 地址。
编码死板：C类地址能容纳的主机太少，B类地址容纳的主机又太多，能否折中？
解决方式：
Subnetting —— 子网化
Classless InterDomain Routing (CIDR) 无类网络
ABC是classful网络 —— 分类的
子网编址是组织内部的系统管理者对网址的进一步划分。
只有本地路由器知道有多个物理网络，而且知道如何选择路由;对其他自治系 统的路由器来说，好象只存在一个物理网络。
与由两级组成的网络号不同, 子网由三级组成。
两级网络号：网络号前缀+主机号
三级网络号：网络号前缀+子网号+主机号
从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位。
网络号=网络号+子网号
IP地址::={<网络号>,<子网号>,<主机号>}
凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。
然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。
最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。
32位，4个字节，用带点的十进制表示。如255.255.255.0
二进制表示法中，“1”表示网络bit，“0”表示主机bit。
连续的掩码要求左边全为1，右边全为0。
它的作用是:将大网划分成若干小网，便于管理，具体划分由管理员分配。
每台设备都支持掩码。
路由是根据网络号加子网号来进行判断。
子网掩码中“1”的长度就是网络号的长度。
A类:缺省为255.0.0.0，前缀表示法，例如: 100.5.1.1/8，表示前8位为网络号+子网号
B类:缺省为255.255.0.0，前缀表示法，例如: 130.5.1.1/16，表示前8位为网络号+子网号
C类:缺省为255.255.255.0，前缀表示法，例如: 200.20.20.2/24，表示前8位为网络号+子网号
其中前缀也叫子网掩码长度，即左边“1”的个数。
在缺省状态下，同一类地址的主机如果网络号相同，这些主机都在同一广播域上。
举例： 128.10.0.0/19 划分子网方式： 首先，他是一个B类地址，网络号为前16位 128.10 其次/19表示前19位作为网络号+子网号码，说明有3位子网号 则8个子网分别为： 000_00000 - 0 - 128.10.0.0/19 001_00000 - 32 - 128.10.32.0/19 010_00000 - 64 - 128.10.64.0/19 011_00000 - 96 - 128.10.96.0/19 100_00000 - 128 - 128.10.128.0/19 101_00000 - 160 - 128.10.160.0/19 110_00000 - 192 - 128.10.192.0/19 111_00000 - 224 - 128.10.224.0/19
描述地址的时候一定要带上后面的 /xx，这是前缀表示法 十进制表示法的/19为 255.255.224.0
提高安全性。将网络由一个广播域变成多个广播域。
可提高网络的性能。
便于管理，节省IP地址。
为了减少网络地址数目可使多个物理 网络共享同一IP地址前缀。
对外可以聚合成一个网络号。
例题：
已知:某台路由器点对点WAN接口的IP地址为202.112.110.33/30 求: 该接口所对应的网络号，广播号，如果该主机为路由器，对方路由器接口的地址
解:
对IP地址和子网掩码进行逻辑与运算，可得网络号为202.112.110.32
取主机bit为全1，可得广播号为 202.112.110.35
所以，对方的IP为202.112.110.34，因为全0和全1都不能用
如果网络前缀之内的所有子网掩码一致，这样会存在浪费、效率等问题
如:一个C类地址202.112.120.0/24 需划分5个子网，主机数分别为60， 60，60，30，30，如何划分?
答：
202.112.120.0/26 (60台主机)
202.112.120.64/26 (60台主机)
202.112.120.128/26 (60台主机)
202.112.120.192/26
202.112.120.192/27 (30台主机)
202.112.120.224/27 (30台主机)
注：此题不严谨，30台主机+1个路由器的IP+网络地址的全0广播号+广播地址的全1主机号=至少33个IP
VLSM (variable length subnet mask)
当 IP 网络子网划分时，具有多个不同的子网掩码时，由于网络前缀具有不同的长度而被称为可变长掩码子网。
有效提高IP地址的资源利用率。
VLSM 允许内部地址空间进行递归划分，这样可以通过最高程度的聚合(route aggregation)以降低路由信息量。
由HQ连接到ABC的闪电⚡️形状的线段表示以太网，而以太网的点对点连接采用的是PPP协议，协议只要求网络中有4个IP号=连接双方+网络地址+广播地址，所以在PPP协议中能经常看到子网掩码是30的情况。
IP 是互联网的核心协议。
互联网经过几十年的飞速发展，到2011年2月，IPv4 的 32 位地址已经耗尽。
ISP 已经不能再申请到新的 IP 地址块了。
我国在2014-2015年也逐步停止了向新用户和应用分配 IPv4 地址。
解决 IP 地址耗尽的根本措施就是采用具有更大地址空间的新版本的 IP，即 IPv6。
IPv6 Header (40 Bytes)
IPv4 Header (20 Bytes)
Comparison
128 bit is represented as :
冒分十六进制表示法
8 integers (16-bit) separated by colons
each integer is represented by 4 hex digits
Example:
FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7664:3210
Skip leading zeros
Example:1080:0000:0000:0000:0008:0800:200 C:417A
is reduced to: 1080:0:0:0:8:800:200C:417A
A set of consecutive nulls is replaced by ::
(at most one :: inside an address)
the above address is reduced to :
1080::8:800:200C:417A
更大的地址空间 : 16字节，128位
首部的简化 : 只有7个固定域，撤消了有关分段的域和校验和域，以便更快地处理分组，提高路由器的吞吐量，缩短延时
更好地支持选项 : 选项是有次序的，以便路由器可简单地跳过与它无关的选项，加快分组的处理速度
增强了安全性 : 认证和隐私是关键特征
更加关注服务质量 : 以支持Internet上日益增长的多媒体应用
IPv6使用更小的路由表，使得路由器转发速度更快
IPv6增加了组播支持以及对流的控制，对多媒体应用很有利，对服务质量(QoS)控制也很有利。
IPv6加入了对自动配置的支持，对DHCP协议的改进和扩展，使得网络的管理更加方便和快捷。
IPv6具有更高的安全性，用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验。
IPv6具有更好的扩容能力。如果新的技术或应用需要时，IPV6允许协议进行扩充。
IPv6具有更好的头部格式，就简化和加速了路由选择过程，提高了效率。
向 IPv6 过渡只能采用逐步演进的办法，同时，还必须使新安装的 IPv6 系统能够向后兼容:IPv6 系统必须能够接收和转发 IPv4 分组，并且能够为 IPv4 分组选择路由。
两种向 IPv6 过渡的策略:
使用双协议栈
双协议栈(dual stack)是指在完全过渡到IPv6之前，使一部分主机(或路由器)装有两个协议栈，一个 IPv4 和一个 IPv6。
双协议栈的主机(或路由器)记为IPv6/IPv4，表明它同时具有两种 IP 地址 : 一个 IPv6 地址和一个 IPv4 地址。
双协议栈主机在和IPv6主机通信时是采用IPv6地址，而和 IPv4 主机通信时就采用 IPv4 地址。
根据DNS返回的地址类型可以确定使用IPv4地址还是 IPv6 地址。
由上图可以看出，双协议栈会损失部分信息，如流标号，只能保证传输的连通性
使用隧道技术
在 IPv6 数据报要进入IPv4网络时，把 IPv6 数据报封装成为 IPv4 数据报，整个的 IPv6 数据报变成了 IPv4 数据报的数据部分。
当 IPv4 数据报离开 IPv4 网络中的隧道时，再把数据部分(即原来的 IPv6 数据报)交给主机的 IPv6 协议栈。
IPv4的协议字段设置为41，表示IPv6数据报
每条路由表项均含有网络地址(网络号)和32bit的掩码 (十进制表示/斜线法表示)。
当一个分组到来时, 首先找出其目的地址。
路由表进行扫寻, 将目的地址与每个表项的 掩码进行逻辑与运算，并与每个表项的网络地址进行比较，得出最佳匹配。
必须要配置缺省路由，防止路由表找不到下一跳时报文传输被中断。
Windows下的网关(Gateway)就是路由器地址。
CIDR: Classless Inter-Domain Routing
有类 IP (Classful IP Address)路由的不足:
A、B、C类地址空间面临近期耗尽
全球网络路由表的快速增大(网络+子网)
32-bit IPv4 地址空间的最后耗竭
地址分配不够灵活，效率不高
CIDR支持有利于全球网络路由系统的两大重要特性:
消除A类、B类、C类地址分配的传统做法，这样可以促使IPv4地址空间的分配更加高效。
支持路由聚合，可以凭简单的路由表项 代表成千上万个传统有类路由的地址空间。
IPv4地址空间的高效分配:
用概括性的“网络前缀”思想取代传统的有类地址思想。
网络前缀决定网络号和主机号之间的分界点。
比用有类地址进行的8-bit, 16-bit 或24-bit网络号划分更能适应任意规模的网络。
具有相同前缀长度的所有前缀代表相同数量的地址空间。
例如, a/20 代表具有 20 bit的前缀长度，12 bit主机号，可支持分配2^12 (4096)个主机 地址。又称“斜线记法或表示法” (slash notation)。
路由表项最小化:
一条简单的路由表项可以指定在许多独立的网络地址中如何进行路由选择。
将世界划分为4个区域，并将一部分 C 类地址空间分配给这些区域。
194.0.0.0 – 195.255.255.255/7 -> 欧洲区域
198.0.0.0 – 199.255.255.255 -> 北美区域
200.0.0.0 – 201.255.255.255 -> 中美和南美区域
202.0.0.0 – 203.255.255.255 -> 亚太区域
剑桥大学 (2048) 194.24.0.0 – 194.24.7.255
牛津大学 (4096) 194.24.16.0 – 194.24.31.255
爱丁堡大学 (1024) 194.24.8.0 – 194.24.11.255
超网的作用是聚合路由。其具体做法如下:
将子网掩码中的一些位“1”改为“0”，做与子网掩码相反的过程，就能定义属于超网的地址范围。
采用CIDR技术，将Net id中的某些1改为0
一个超网就是一个广播域(网络号相同)
202.112.128.50，202.11.219.10用HUB能连通吗?如何能连通(最大前缀)?
202本来是C类地址，前24位都是网络号，但是可以使用子网掩码255.128.0.0或/9来实现连通，因为两个地址的最长公共前缀是九位
聚合地址块数必须是2^N (N＝1、2、 ……)
地址块必须是连续的地址块
开始地址必须能被地址数N整除(包括0)
地址分配也要符合聚合规则
查找路由表时可能有多个匹配结果，如何确定哪条最佳路径?
应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由(longest-prefix matching)
网络前缀越长，其地址块就越小，路由就越具体(more specific)
划分子网将一个大网划分为几个小网络。
划分子网是IP编址的层次结构中增加一个中间级。
掩码运算是从IP地址中提取网络号的过程。
VLSM中一个路由可用多个不同的子网掩码。
Supernet是将几个网络合并成一个网络。
CIDR可以有效分配地址和减少路由表项。
某网络IP地址为192.168.5.0/24，采用定长子网划分，子网掩码为255.255.255.248，则该网络的最大子网个数、每个子网的最大可分配地址个数分别是( ）。 A.32,8 B.32,6 C.8,32 D.8,30
根据 255.255.255.248 得到子网掩码为 /29，又因为192是C类地址所以29-24=5位剩余给子网地址，则 2^5=32
剩下主机位只有3位所以2^3-1-1=6个可分配地址(除去网络地址和广播地址）
某主机IP为180.80.77.55，子网掩码为255.255.252.0，若该主机向其所在子网发 送广播分组，则目的地址为( ）。 A.180.80.76.0 B.180.80.76.255 C.180.80.77.255 D.180.80.79.255
IP逻辑与子网掩码得到 180.80.01001100.0
子网掩码前缀表示是 /22 所以将最后10位改成1即是广播地址，选D
路由器收到3个分组，其目的IP分别是： 205.16.37.44 205.16.42.56 205.17.33.76 哪个分组属于超网205.16.32.0/21 ？
首先确定C类地址本来是24位网络号，现在超网的21位网络号则说明有3位可以用来分到同一组，2^3=8，所以同一超网的网络号为：205.16.32.0~205.16.39.255
所以答案为第一个
版本(version)：表示是IPV4还是IPV6
首部长度(head len.)：标记头部的长度，缺省时20字节，有时可能有特殊的字段加入，如timestamp
标志(flag) 占 3 位，目前只有前两位有意义。
标志字段的最低位是 MF (More Fragment)。
MF = 1 表示后面 “还有分片” 。MF = 0 表示最后一个分片。
标志字段中间的一位是 DF (Don't Fragment) 。
只有当 DF = 0 时才允许分片。
之所以要分片是因为数据太大每个帧装不下
分片发生在路由器中，根据MTU(Max Fragment Size.) 进行分片，不同的数据链路层的MTU可能不同
分片的聚合只发生在最后的目的地址上，中间转发的路由器不进行任何的聚合
目的地址接收到分片后根据 标识 和 片偏移 进行整合。
片偏移(12 位)指出：
较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。
片偏移以 8个字节 为偏移单位(注意不是8位）。
生存时间(8 位)记为 TTL (Time To Live)
数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。
防止因为找不到路由而变成了“太空垃圾”
第一个分片设置 fragflag=1 说明后面还有分片，没有偏移量
第二个分片设置 fragflag=1 说明后面还有分片，因为前面已经传输了1480B的数据所以 1480B/8B = 185
第三个分片设置 fragflag=0 说明是最后一个分片，偏移量是 1480*2/8=370
从网络层角度看，多了 (n-1)*20B
方式：通过逻辑地址广播呼叫，让符合者应答物理地址
IP地址 通过ARP 获得物理地址
物理地址 通过RARP 获得IP地址
不管网络层使用的是什么协议传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。
每一个主机都有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)
命令：arp –a 查看 /-d 删除指定主机 /-s 设置静态主机
当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。
如没有，就广播
所以如果经过n个路由器才找到目的地址的时候，需要使用n+1次的ARP，每个路由器分别广播
ARP欺骗攻击——仿冒网关/欺骗网关/欺骗主机/ARP泛洪
攻击者发送伪造的网关ARP报文，欺骗同网段内的其它主机。
主机访问网关的流量，被重定向到一个错误的MAC地址，导致该用户无法正常访问外网。
IP协议是TCP/IP协议使用的传输机制，它是一种不可靠的、无连接的数据报协议，IP协议不提供检验或跟踪机制。
ICMP希望对IP包无法传输时提供报告，这些差错报告帮助发送方了解为什么无法传递，网络发生了什么问题，确定应用程序后续操作。
ICMP像一个更高层的协议使用IP(ICMP消息被封装在IP数据报中）。实际上，ICMP是IP的一个组成部分，同属于网络层，而且用IP进行传输和路由。
ICMP不能用来报告ICMP消息的错误，这样就避免了无限循环。当ICMP查询消息时通过发送ICMP来响应。
对于被分段的数据报，ICMP消息只发送关于第一个分段中的错误。
响应具有一个广播或组播目的地址的数据报时，永远不会发送ICMP消息。
响应一个没有源主机IP地址的数据报时永远不会发送ICMP消息。
总的来说，源地址不能为0、一个回送地址、一个广播地址或者一个组播地址。这些是为了防止过去允许ICMP差错报文对广播分组相应所带来的广播风暴。
ICMP报文有一个8字节的首部和一个可变长度的数据部分。
前4个字节对所有的类型都是共同的
第一个8比特字段是ICMP的类型，它定义了报文的类型。代码字段指明了发送此特定报文类型的原因。
最后一个共同的字段是检验和字段。首部的其余部分对每一种报文类型都是特定的。
Sample ICMP Messages
Source Quench: Please slow down! I just dropped one of your datagrams.
Time Exceeded: Time to live field in one of your packets became zero.” or “Reassembly timer expired at the destination.
Fragmentation Required: Datagram was longer than MTU and “No Fragment bit” was set.
Ping (Packet Internet Groper): Used to test
destination reachability
compute round trip time
count the # of hops to destination
may provide record route option.
Sample output:
Reply from 164.107.144.3: 48 bytes in 47 msec. TTL: 253
IP报文最大可达 65535 bytes
有些系统(如Win95)能够发送大于65535 bytes数据的ICMP报文
该报文在传输过程中被分成了多个片段
在目的端被重组后将超过IP报的最大尺寸
常常导致接受方覆盖掉内部的数据结构，从而导致整个系统崩溃
Traceroute: Exploit TTL and ICMP
Send the packet with time-to-live = 1 (hop)
The first router discards the packet and sends an ICMP “time-to-live exceeded message”
Send the packet with time-to-live = 2 (hops) etc…
Does not use optional features like record route
从1开始分别设置TTL去传输，看到第几个中转发生错误
Often abused by hackers
Ping can be used to “scan” a network.
通过ping和traceroute可以侦察网络的拓扑结构
Timestamp reply
used to identify unix machines
Address Mask requests
Building detailed network maps
Redirect
Hacker can cause your network to redirect its traffic to some other host
ICMP is the control sibling of IP
ICMP is used by IP and uses IP as network layer protocol
ICMP is used for ping, traceroute, and path MTU discovery.
网络层(网络互连）特点
经过许多节点和链路(无法广播问题）
经过不同通信子网 (不同寻址问题）
通讯双方可能要经过多条路径(路由选择问题）
路由作用: 完全依靠路标, 找到一条最佳路径(路径最短、速度最快、安全可靠、开销最小等)
Routing is the process of generating the routing table and forwarding a packet from one location to another.
Routers forward traffic to a logical destination in a computer network.
Routers perform two major functions:
Routing
Learning the logical topology of the network
Switching
Forwarding packets from an inbound interface to an outbound interface
Routing Goal
determine “good” path (sequence of routers) through network from source to dest.
路由协议的核心就是路由算法，即需要何种算法来获得路由表中的各路由表项。
The Internet consists of Autonomous Systems interconnected with each other
Two-level routing (Hierarchical):
Intra-AS: administrator is responsible for choice (AS内部)：RIP，OSPF
Inter-AS: unique standard - BGP
从路由算法能否随网络通信量或拓扑 自适应地进行调整变化来划分，可分两大类：
静态路由(非自适应路由选择）
简单、开销小，但不能及时适应网络状态的变化。
动态路由 (自适应路由选择）
能较好的适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销比较大。
Used by IP routers
Requires special software (Routing Daemon 路由守护进程routed)
Each router communicates with neighbors
Pass routing information
Use route propagation protocol
Distance vector: At every node, set up distance signposts to destination nodes (a vector)
Setup this by looking for neighbors’ signposts.
Link state routing: Get map of network (in terms of link states) and calculate best route locally
Distance Vector routing
"Vector" of distances (signposts) to each How to find distances ?
Distance to local network is 0. (Cisco 规定距离为0，教材和华为规定用1)
Look in neighbors’ distance vectors, and add link cost to
reach the neighbor
Find which direction yields minimum distance to particular
destination. Turn signpost that way.
Keep checking if neighbors change their signposts and
modify local vector if necessary.
Called the "Bellman-Ford algorithm"
设X是结点 A 到 B 的最短路径上的一个结点。
若把路径 A→B 拆成两段路径 A→X 和 X→B，则每一段路径 A→X 和 X→B 也都分别是结点 A 到 X 和结点 X 到 B 的最短路径。(可以反证）
Idea: At node i, for destination j:
Find neighbor/next-hop x that minimizes the sum
D(i,j) = C(i,x) + D(x,j)
D-V基本思想： 1. 每个路由器周期性的广播路由报文 2. 报文中含有(V, D)序偶组成，V--网络号Vector，D--距离Distance 3. 每个路由器收到路由报文后，依据(V, D)序偶，按照最短路径原则更新自己的路由表
路由刷新过程
路由器Ri收到Rj的路由报文(Vj ，Dj) 1. Ri路由表中没有Vj，则增加一项，(Vi=Vj，Di=Dj+1） 2. 已有，如果Dj+1 < Di，则Ri修改自己的表项，其中Vi不变，而Di=Dj +1。如果Dj+1 = Di ，nexthop=Rj (也有路由器厂商采用先入为主，即不变)。否则不变。 3. Ri 去往某目的地的路径经过Rj ，而Rj去往目的地的路径发生了变化： 1. 如果Rj 的V-D 表中不再包含去往Vi 的路径(断了)则Ri中相应的表项需删除。(timeout) 2. 如果Rj 去往目的地的距离发生了变化，则Ri 需修改自己的表项，Vi 不变，Di =Dj +1。(Dj为变化后的距离)
Router initial start up (Cold Starts)
Initial network discovery
一开始的时候加入所有直接与路由器相连的主机，距离为0(或者1)
Router checks update for new information
如果有新的主机IP则加入到路由表中
Router convergence is reached when
网络中所有路由的路由表中的网络信息都相同
Routers continue to exchange routing information
如果没有新的信息加入则路由收敛
Convergence must be reached before a network is considered completely operable
Speed of achieving convergence consists of 2 interdependent categories：
Speed of broadcasting routing information
RIP协议每30s检索一次，时间太长
Speed of calculating routes
计算时间很快忽略不计
RFC 1058 and 1723
Included in BSD UNIX in 1982
Distance vector algorithm
Distance metric: number of hops (max = 15 hops)
早期认为路由最多经过15个，所以hops号为16被设置为路由不通
e.g. 35、某自治系统采用RIP协议，若该自治系统内的路由器R1收到其邻居路由器R2的距离矢量中包含信息＜net1，16＞，则可能得出的结论是( ）
答案：R1不能进过R2到达net1
Distance vectors: exchanged every 30 sec via RIP Response Message (also called "RIP advertisement")
封装在 UDP 报文中, 端口号为 520 。
初始化：启动路由守护进程，它先判断启动了哪些接口，并在每个接口上发送一个请求报文要求其它路由器发送完整路由表；
接收请求：路由器将完整的路由表发送给请求者；
接收到响应：使响应生效, 更新路由表；
定期路由更新：每过30秒所有路由器会将完整路由表发送给相邻路由表；
触发更新：每当一条路由的度量发生变化时，发送那些发生变化的表项。
弥补定期更新造成的缓慢等待时间
更新定时器/组播定期更新时间 (update timer)
Rate (in seconds) at which updates are sent. The range is from 5 to 4,294,967,295. The default is 30 seconds.
设置路由器发送更新信息的速度
默认值为30秒
无效定时器/失效时间 (invalid timer)
Interval of time (in seconds) after which a route is declared invalid; it should be at least three times the value of the update argument. A route becomes invalid when no updates refresh the route. The route then enters into a holddown state where it is marked as inaccessible and advertised as unreachable. However, the route is still used to forward packets. The range is from 1 to 4,294,967,295. The default is 180 seconds.
得不到更新的路径经过多少秒后将被认为是无效的
默认值为180秒
保持定时器/死亡时间 (holddown timer)
Interval (in seconds) during which routing information regarding better paths is suppressed; it should be at least three times the value of the update argument. A route enters into a holddown state when an update packet is received that indicates that the route is unreachable. The route is marked as inaccessible and advertised as unreachable. However, the route is still used to forward packets. When holddown expires, routes advertised by other sources are accepted and the route is no longer inaccessible. The range is from 0 to 4,294,967,295. The default is 180 seconds.
指明在多少秒之内拒绝接受更好的路由信息。
默认值为180秒
刷新定时器/刷新时间 (flush timer)
Amount of time (in seconds) that must pass before the route is removed from the routing table; the interval specified should be greater than the sum of the invalid argument plus the holddown argument. If it is less than this sum, the proper holddown interval cannot elapse, which results in a new route being accepted before the holddown interval expires. The range is from 1 to 4,294,967,295. The default is 240 seconds.
设置路径从路由表中删除必须等待的时间。
默认值为240秒
Routing Information Protocol
RIPv1
RIPv2
Provides:
VLSM、CIDR support 可变长掩码和无类网络
Authentication
Multicasting (地址为：224.0.0.0)
Tags to support EGP/BGP routes
Uses reserved fields in RIPv1 header.
如果在Address Family 中的数据为FFFF,则整个报文为认证(authentication)报文。
路由标记：可带 AS 号，使RIP能够从 EGP/BGP routes. 中接受信息。
RIP problems
Counting-to-infinity problem (无穷计数/循环计数):
Simple configuration A->B->C. If C fails, B needs to update and thinks there is a route through A. A needs to update and thinks there is a route thru B.
No clear solution, except to set “infinity” to be small (e.g. 16 in RIP)
Slow convergence after topology change (30s update一次导致收敛很慢):
Due to count to infinity problem
Information propagates every 30s
Black-holes(黑客攻击告知一个假的路由地址使得信息都向假地址发送，没有返回响应):
If one node goes broken and advertises route of zero to several networks, all nodes immediately point to it.
Broadcasts consume non-router resources (在RIPv1中采用广播的方式，在RIPv2中用组播缓解了这种消耗)
Metric: hop count <=15 hop is not the best metric (收到hop的最大值的限制只能构建小型网络)
No load balance 没有流量均衡/负载均衡
Properties of Distance Vector Algorithm
Good news propagate fast (A、B之间恢复链路)
Bad news propagate slowly: the count-to-infinity problem (A、B之间中断)
解决方法
水平分割 (split horizons)
路由器不向收到某条路由到来的方向回传此路由。
失败情况：如下图:
开始时，A和B到D的距离都为2，C到D的距离为1。
假设CD线路断了， C发现直达D的线路断了，于是C很快认定D不可达了。
使用水平分割，A和B都不能到达D。
但是，A认为B有一条通向D长度为2的路径，通过B经过3个结点可到达D。
类似，B也这样认为。于是两个结点每交换一次信息，到达D的距离就增加1，直至加大无穷。
毒性逆转 (poison reverse)
把跳数设为16(不可达）并把这条路径告诉邻居路由器。
保持定时器 (hold down timer)
某路径删除后一定时间内拒绝接收新的路由信息。
触发更新 (Triggered Update)
当某个路径的度量改变了，路由器立即发出更新信息。
RIP Summary
Routing within an autonomous system (IGP)
Unreliable transport (uses UDP)
Broadcast or multicast delivery
Can propagate a default route (书4-55，画出路由表，注意缺省路由)
Implemented by Unix program routed
DV protocol with hop count as metric
Infinity value is 16 hops; limits network size
Includes split horizon with poison reverse
Routers send vectors every 30 seconds
With triggered updates for link failures
Time-out in 180 seconds to detect failures
RIPv1 specified in RFC1058
www.ietf.org/rfc/rfc1058.txt
RIPv2 (adds authentication etc.) in RFC1388
www.ietf.org/rfc/rfc1388.txt
Example
虽然在下方的两个host都是 /25，但是因为最后一段一个是0一个是128，所以为了聚合的话设置的路由的子网掩码只能是两者的逻辑与的最长前缀个数，即/24，所以选D
简单步骤:
发现邻居结点，并学习它们的网络地址。
测量到每个邻居结点的延迟或开销。
将所有学习到的内容封装成一个分组。
将这个分组用泛洪法发送给所有其它路由器。
生成一个网络拓扑图。
利用Dijkstra算法计算最小生成树，从而得到该节点（树根）到其它路由器的最短路径。
最小生成树
带权连通图中,总的权值之和最小的带权生成树为最小生成树。最小生成树也称最小代价生成树，或最小花费生成树。
只能利用图中的边来构造最小生成树；