计算机网络之网络层
网络层概述
网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。如果您想用尽量少的词来记住网络层，那就是”路径选择、路由及逻辑寻址”。
网络层中涉及众多的协议，其中包括最重要的协议，也是TCP/IP的核心协议——IP协议。IP协议非常简单，仅仅提供不可靠、无连接的传送服务。IP协议的主要功能有：无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。与IP协议配套使用实现其功能的还有地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、因特网报文协议ICMP、因特网组管理协议IGMP。
IP协议详解
虚拟互连网络
实际的计算机网络是错综复杂的，物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异，当网络中的主机使用IP协议连接时，则无需关注网络细节。IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互连的网络，还使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据转发，IP协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题。
IP地址长度为32位，常分成4个8位，IP地址常使用点分十进制来表示(0~255.0~255.0~255.0~255)，也就是共有\(2^{32} = 4294961296\)个IP地址。下图是IP协议的格式：
我们来看看IP协议的首部：
| 4位版本 | 4位首部长度 | 8位服务类型（TOS） | 16位总长度（字节） | ||||
| 16位标识 | 3位标志 | 13位片偏移 | |||||
| 8位生存时间(TTL) | 8位协议 | 16位首部校验和 | |||||
| 32位源IP地址 | |||||||
| 32位目的IP地址 | |||||||
| 选项options（若有） | |||||||
| IP数据 | |||||||
版本：占4位，指的是IP协议的版本，通信双方的版本必须一致，当前主流版本是4，即IPv4，也有IPv6
首部位长度：占4位，最大数值为15，表示的是IP首部长度，单位是“32位字”（4个字节），也即是IP首部最大长度为60字节
总长度：占16位，最大数值为65535，表示的是IP数据报总长度（IP首部+IP数据）
TTL：占8位，表明IP数据报文在网络中的寿命，每经过一个设备，TTL减1，当TTL=0时，网络设备必须丢弃该报文。作用：避免数据在网络中无限传输，当这个网络报文找不到目的机器时，而进行无限传输，来浪费带宽资源
协议：占8位，表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的（如：TCP、UDP等）
| 协议名 | ICMP | IGMP | IP | TCP | UDP | OSPF | … |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 字段值 | 1 | 2 | 4 | 6 | 17 | 89 | … |
首部校验和：占16位，校验IP首部是否有出错
IP协议的转发流程
在数据链路层的学习中我们知道了MAC地址表，由于IP协议的转发是通过逐跳(hop-by-hop)来实现的，所以在网络层中，存在一个类似于MAC地址表的路由表，路由表是存储的目的IP地址和下一跳IP地址的映射，计算机或者路由器都拥有路由表。路由表如下：
| 目的IP地址 | 下一跳IP地址 |
|---|---|
| IP1 | IP4 |
| IP2 | IP5 |
| IP3 | IP6 |
| … | … |
A设备向C设备在网络层中传输数据的过程如下：
- A发出目的地为C的IP数据报，查询路由表发现下一跳为E
- A将数据报发送给E
- E查询路由表发现下一跳为F，将数据报发送给F
- F查询路由表发现目的地C直接连接，将数据报发送给C
现在结合数据链路层和网络层，再来看一下跨设备传输数据的过程：
- A发出目的地为C的IP数据报，查询路由表发现下一跳为E
- A将IP数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址是E
- 数据链路层填充源MAC地址A和目的MAC地址E
- 数据链路层通过物理层将数据发送给E
- E的数据链路层接收到数据帧，把帧数据交给网络层
- E查询路由表，发现下一跳为F
- E把数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址为F
- E的数据链路层封装数据帧并发送
- F的数据链路层接收到数据帧，把帧数据交给网络层
- F查询路由表，发现下一跳为C
- F把数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址为C
- F的数据链路层F封装数据帧并发送
从IP协议的转发流程中我们可以看到：数据帧每一跳的MAC地址都在变化，但IP数据报每一跳的IP地址始终不变。但我们会发现一个问题，在网络层中将数据报交给数据链路层，并且需要告知目的MAC地址，但是在网络层中只知道IP地址，我们是如何知道目的MAC地址的呢？这就是ARP协议做的事情了。
ARP协议
ARP(Address Resolution Protocol)地址解析协议，将网络层中的32位IP地址，通过ARP协议解析为数据链路层中的48位MAC地址。这个映射关系是存储在ARP缓存表中的。arp -a命令：查看ARP缓存表
| IP地址 | MAC地址 |
|---|---|
| 192.168.83.254 | 00-50-56-e0-33-40 |
| 192.168.83.255 | 01-00-5e-00-00-16 |
| 224.0.0.251 | 01-00-5e-00-00-fc |
| 239.1.2.3 | 01-00-5e-40-98-8f |
| 255.255.255.255 | 01-00-5e-7f-ff-fa |
ARP缓存表是ARP协议和RARP协议运行的关键，ARP缓存表缓存了IP地址到硬件地址之间的映射关系，ARP缓存表中的记录并不是永久有效的，有一定的期限。这是因为当你的网络设备，换个网络环境，网络设备的IP地址就可能会发生改变，ARP缓存表中的原来的记录就失效了。当ARP缓存表中有映射关系，就直接查询ARP缓存表；如果没有这个映射关系，ARP协议就会广播，并记录回应得地址信息。
RARP(Reverse Address Resolution Protocol)逆地址解析协议，其作用与ARP协议相反，即把数据链路层中48位MAC地址，解析位网络层中的32位IP地址。(R)ARP协议是TCP/IP协议栈里面基础的协议，ARP和RARP的操作对程序员是透明的，理解(R)ARP协议有助于理解网络分层的细节。
IP地址的子网划分
分类的IP地址
| 最小网络号 | 最大网络号 | 子网数量 | 最小主机号 | 最大主机号 | 主机数量 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 0(00000000) | 127(01111111) | \(2^7\) | 0.0.0 | 255.255.255 | \(2^{24}\) |
| B | 128.0 | 191.255 | \(2^{14}\) | 0.0 | 255.255 | \(2^{16}\) |
| C | 192.0.0 | 223.255.255 | \(2^{21}\) | 0 | 255 | \(2^{8}\) |
特殊的主机号：主机号全0表示当前网络段，不可分配为特定主机；主机号为全1表示广播地址，向当前网络段所有主机发消息
- A类地址网络段全0(00000000)表示特殊网络
- A类地址网络段后7位全1(01111111:127)表示回环地址
- B类地址网络段(10000000.00000000:128.0)是不可使用的
- C类地址网络段(192.0.0)是不可使用的
实际可使用各类IP地址如下：
| 最小网络号 | 最大网络号 | 子网数量 | 最小主机号 | 最大主机号 | 主机数量 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 1 | 127(01111111) | \(2^7\)-2 | 0.0.1 | 255.255.254 | \(2^{24}\)-2 |
| B | 128.1 | 191.255 | \(2^{14}\)-1 | 0.1 | 255.254 | \(2^{16}\)-2 |
| C | 192.0.1 | 223.255.255 | \(2^{21}\)-1 | 1 | 254 | \(2^{8}\)-2 |
127.0.0.1，通常被称为本地回环地址(Loopback Address)，不属于任何一个有类别地址类。它代表设备的本地虚拟接口，所以默认被看作是永远不会宕掉的接口。在Windows操作系统中也有相似的定义，所以通常在安装网卡前就可以ping通这个本地回环地址。一般都会用来检查本地网络协议、基本数据接口等是否正常的。
划分子网
随着互连网应用的不断扩大，原先的IPv4的弊端也逐渐暴露出来，即网络号占位太多，而主机号位太少，所以其能提供的主机地址也越来越稀缺，目前除了使用NAT在企业内部利用保留地址自行分配以外，通常都对一个高类别的IP地址进行再划分，以形成多个子网，提供给不同规模的用户群使用。这里主要是为了在网络分段情况下有效地利用IP地址，通过对主机号的高位部分取作为子网号，从通常的网络位界限中扩展或压缩子网掩码，用来创建某类地址的更多子网。但创建更多的子网时，在每个子网上的可用主机地址数目会比原先减少。
上图就把原来的C类地址划分成了两个子网。
但子网号这么多，有没有办法快速判断某个IP的网络号？这就是子网掩码的作用了，子网掩码是标志两个IP地址是否同属于一个子网的，也是32位二进制地址，其每一个为1代表该位是网络位，为0代表主机位。它和IP地址一样也是使用点式十进制来表示的。如果两个IP地址在子网掩码的按位与的计算下所得结果相同，即表明它们共属于同一子网中。
子网掩码由连续的1和连续的0组成，某一个子网的子网掩码具备网络号位数个连续的1
在计算子网掩码时，我们要注意IP地址中的保留地址，即” 0″地址和广播地址，它们是指主机地址或网络地址全为” 0″或” 1″时的IP地址，它们代表着本网络地址和广播地址，一般是不能被计算在内的。
无分类编址CIDR
CIDR中没有A、B、C类网络号、和子网划分的概念，CIDR将网络前缀相同的IP地址称为一个“CIDR地址块”，注意网络前缀是任意位数的。
| 网络前缀 | 主机号 |
|---|
斜线记法：193.10.10.129/25 使用二进制表示：11000001.00001010.00001010.10000001
无分类地址CIDR相比原来的子网划分更加 灵活：
| CIDR前缀长度 | 掩码点分十进制 | 地址数 |
|---|---|---|
| /13 | 255.248.0.0 | 512K |
| /14 | 255.252.0.0 | 256K |
| /15 | 255.254.0.0 | 128K |
| /16 | 255.255.0.0 | 64K |
| /17 | 255.255.128.0 | 32K |
| /18 | 255.255.192.0 | 16K |
| /19 | 255.255.224.0 | 8K |
网络地址转换NAT技术
IPv4最多只有40+亿个IP地址，早期IP地址的不合理规划导致IP号浪费。在介绍NAT技术之前，首先要知道内网地址和外网地址。
- 内网地址：内部机构使用，避免与外网地址重复。三类内网地址如下：
- 10.0.0.0~10.255.255.255（支持千万数量级设备）
- 172.16.0.0~172.31.255.255（支持百万数量级设备）
- 192.168.0.0~192.168.255.255（支持万数量级设备）
- 外网地址：全球范围使用，全球公网唯一
网络地址转换技术是发生在本地路由器的，主要功能就是把内网的IP地址转成外网的IP地址来进行外部的通信，并且在接收到数据之后，再把外网IP地址映射成内网IP地址，转发到具体的某个设备上面去。
内网多个设备使用同一个外网IP请求外网的服务，外部怎么知道具体是哪个设备在请求的？网络地址转换NAT的英文全称是Network Address Translation，NAT技术用于多个主机通过一个公有IP访问互联网的私有网络中，外部主要是通过端口号来区分到底是内网的哪一个设备进行请求的，这其中有一个NA(P)T表表：示例如下：
| 方向 | 旧的地址和端口号 | 新的地址与端口号 |
|---|---|---|
| 出 | 192.168.2.11:6666 | 173.21.59.10:16666 |
| 出 | 192.168.2.10:7777 | 173.21.59.10:17777 |
| 入 | 173.21.59.10:16666 | 192.168.2.11:6666 |
| 入 | 173.21.59.10:17777 | 192.168.2.10:7777 |
NAT减缓了IP地址的消耗，但是增加了网络通信的复杂度
ICMP协议
ICMP协议全称是网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol）,ICMP协议可以报告错误信息或者异常情况
ICMP协议首部:
| 8位类型 | 8位代码 | 16位校验和 |
| ICMP报文数据 | ||
ICMP报文分为：差错报告报文和询问报文:
| ICMP报文种类 | 类型的值 | 报文类型 | 具体代码 |
| 差错报告报文 | 3（终点不可达） | 网络不可达 | 0 |
| 主机不可达 | 1 | ||
| 5（重定向） | 对网络重定向 | 0 | |
| 对主机重定向 | 1 | ||
| 11 | 传输超时 | – | |
| 12 | 坏的IP头 | 0 | |
| 缺少其他必要参数 | 1 | ||
| 询问报文 | 0或8 | 回送(Echo)请求或应答 | – |
| 13或14 | 时间戳(Timestamp)请求或应答 | – |
ICMP协议的应用
ping应用：我们可以通过ping命令进行简单的网络故障排查：
- ping本地回环地址，一般情况下，都会得到返回的，如果得不到返回，则说明你的计算机的协议栈出现了问题，这个时候就可能需要重装系统，或者是重新安装这个协议栈
- ping网关地址，即路由器地址，如果能得到返回的话，则说明本机到路由器的通路是通的，如果没有返回的话，则说明你的wifi，或者你的网线连接是有问题的
- ping远端地址，如果不通的话，则说明你的家到ISP之间的网络是故障的，此时就需要联系网络服务商（移动、电信、联通）进行排查。
Traceroute应用：Traceroute可以探测IP数据报在网络中走过的路径
路由概述
思考：路由表中的下一跳地址是怎么来的？下一跳地址是唯一的吗？下一跳地址是最佳的吗？路由器怎么多，他们是怎么协同工作的？为了解决这些问题，路由表需要一个好的算法去解决这些事情。路由算法实际上是图论的算法，由于网络环境复杂，使得路由算法要比图论的算法更复杂。
由于互联网的规模是非常大的，互联网环境是非常复杂的，所以我们需要对互联网进行划分。自治系统(Autonomous System)是指处于一个管理机构下的网络设备群，AS内部网络自行管理，AS对外提供一个或者多个出（入）口。自治系统内部路由的协议称为：内部网关协议(RIP、OSPF)， 自治系统外部路由的协议称为：外部网关协议(BGP)。
路由算法
路由算法的本质是距离矢量（DV）算法， 距离矢量（DV）算法介绍如下：
- 每一个节点使用两个向量\(D_i\)和\(S_i\)
- \(D_i\)描述的是当前节点到别的节点的距离
- \(S_i\)描述的是当前节点到别的节点的下一节点
- 每一个节点与相邻的节点交换向量\(D_i\)和\(S_i\)的信息
- 每一个节点根据交换的信息更新自己的节点信息
现在假设有A的距离矢量信息，收到的距离矢量信息如下图：
A通过B到各个节点得距离矢量信息如下：
A通过C到各个节点得距离矢量：并更新下一条的节点
A通过D到各个节点得距离矢量：并更新下一条的节点
A通过F到各个节点得距离矢量：并更新下一条的节点
RIP协议
RIP(Routing Information Protocol)协议，RIP协议是使用DV算法的一种路由协议。RIP协议把网络的跳数(hop)作为DV算法的距离，每隔30s交换一次路由信息，认为跳数>15的路由则为不可达路由。
RIP协议的过程
- 路由器初始化路由信息(两个向量\(D_i\)和\(S_i\))
- 对相邻路由器X发过来的信息，对信息的内容进行修改（下一跳地址设置为X，所有距离加1）
- 检索本地路由，将信息中新的路由插入到路由表里面
- 检索本地路由，对于下一跳为X的，更新为修改后的信息
- 检索本地路由，对比相同目的的距离，如果新信息的距离更小，则更新本地路由表
- 如果3分钟没有收到相邻的路由信息，则把相邻路由设置为不可达(16跳)
RIP协议的优缺点：
- 优点：实现简单，开销很小。
- 缺点：故障信息传递慢。也就是随便相信“隔壁老王”，“自己不思考” “视野不够”。因为RIP协议每一个路由器它只看到相邻路由器的信息，而看不到更远的路由器信息，这也限制了网络的规模。
内部网关路由协议之OSPF协议
链路状态（LS）协议
链路状态（LS）协议：向所有的路由器发送消息，也就是一传十、十传百，只和相邻的路由器交换信息。消息描述该路由器与相邻路由器的链路状态，每隔30s交换路由信息，只有链路状态发生变化时，才发送更新信息。
Dijkstra（迪杰斯特拉）算法
Dijkstra算法是著名的图算法，Dijkstra算法解决有权图从一个节点到其他节点的最短路径问题，“以起始点为中心，向外层层扩展”。
Dijkstra（迪杰斯特拉）算法定义：
- 初始化两个集合(S, U)（S为只有初始顶点点A的集合，U为其他顶点集合）
- 如果U不为空， 对U集合顶点进行距离的排序，并取出距离A最近的一个顶点D
i. 将顶点D的纳入S集合
ii. 更新通过顶点D到达U集合所有点的距离（如果距离更小则更新，否则不更新）
iii. 重复2步骤 - 直到U集合为空，算法完成
OSPF协议的过程
OSPF(Open Shortest Path First：开放最短路径优先)，OSPF协议的核心是Dijkstra算法。OSPF协议的过程：路由器接入网络，路由器向邻居发出问候信息，与邻居交流链路状态数据库，广播和更新未知路由。
| RIP协议 | OSPF协议 |
|---|---|
| 从邻居看网络 | 整个网络的拓扑 |
| 在路由器之间累加距离 | Dijkstra算法计算最短路径 |
| 频繁、周期更新，收敛很慢 | 状态变化更新，收敛很快 |
| 路由间拷贝路由信息 | 路由间传递链路状态，自行计算路径 |
外部网关路由协议之BGP协议
BGP(Border Gateway Protocol: 边际网关协议)，BGP协议是运行在AS之间的一种协议。由于互联网的规模很大，AS内部使用不同的路由协议。
AS之间需要考虑除网络特性以外的一些因素（政治、安全…），BGP(Border Gateway Protocol，边界网关协议)，BGP协议能够找到一条到达目的比较好的路由，AS之间通过BGP发言人来进行路由信息的交换。BGP发言人(speaker)：BGP并不关心内部网络拓扑，AS之间通过BGP发言人交流信息，BGP Speaker可以人为配置策略。
总结：网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能；网络层的基本数据单位为IP数据报；包含的主要协议：IP协议（Internet Protocol，因特网互联协议）、ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）、ARP协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议）以及RARP协议（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析协议）。网络层重要的设备是路由器。常见的路由选择协议有：RIP协议、OSPF协议。RIP协议 ：底层是贝尔曼福特算法，它选择路由的度量标准（metric)是跳数，最大跳数是15跳，如果大于15跳，它就会丢弃数据包；OSPF协议 ：Open Shortest Path First开放式最短路径优先，底层是迪杰斯特拉算法，是链路状态路由选择协议，它选择路由的度量标准是带宽，延迟。