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77
docs/notes/计算机网络 - 网络层.md
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@ -1,4 +1,24 @@
[TOC]
<!-- GFM-TOC -->
* [概述](#概述)
* [IP 数据报格式](#ip-数据报格式)
* [IP 地址编址方式](#ip-地址编址方式)
* [1. 分类](#1-分类)
* [2. 子网划分](#2-子网划分)
* [3. 无分类](#3-无分类)
* [地址解析协议 ARP](#地址解析协议-arp)
* [网际控制报文协议 ICMP](#网际控制报文协议-icmp)
* [1. Ping](#1-ping)
* [2. Traceroute](#2-traceroute)
* [虚拟专用网 VPN](#虚拟专用网-vpn)
* [网络地址转换 NAT](#网络地址转换-nat)
* [路由器的结构](#路由器的结构)
* [路由器分组转发流程](#路由器分组转发流程)
* [路由选择协议](#路由选择协议)
* [1. 内部网关协议 RIP](#1-内部网关协议-rip)
* [2. 内部网关协议 OSPF](#2-内部网关协议-ospf)
* [3. 外部网关协议 BGP](#3-外部网关协议-bgp)
<!-- GFM-TOC -->
# 概述
@ -6,7 +26,7 @@
使用 IP 协议，可以把异构的物理网络连接起来，使得在网络层看起来好像是一个统一的网络。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/8d779ab7-ffcc-47c6-90ec-ede8260b2368.png" width="800"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/8d779ab7-ffcc-47c6-90ec-ede8260b2368.png" width="800"/> </div><br>
与 IP 协议配套使用的还有三个协议：
@ -16,27 +36,27 @@
# IP 数据报格式
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/85c05fb1-5546-4c50-9221-21f231cdc8c5.jpg" width="700"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/85c05fb1-5546-4c50-9221-21f231cdc8c5.jpg" width="700"/> </div><br>
- **版本** : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）两个值；
- **版本** : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）两个值；
- **首部长度** : 占 4 位，因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度，也就是 4 字节。因为固定部分长度为 20 字节，因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充。
- **首部长度** : 占 4 位，因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度，也就是 4 字节。因为固定部分长度为 20 字节，因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充。
- **区分服务** : 用来获得更好的服务，一般情况下不使用。
- **区分服务** : 用来获得更好的服务，一般情况下不使用。
- **总长度** : 包括首部长度和数据部分长度。
- **总长度** : 包括首部长度和数据部分长度。
- **生存时间** ：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。
- **生存时间** ：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。
- **协议** ：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。
- **协议** ：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。
- **首部检验和** ：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。
- **首部检验和** ：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。
- **标识** : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符。
- **标识** : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符。
- **片偏移** : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节。
- **片偏移** : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/23ba890e-e11c-45e2-a20c-64d217f83430.png" width="700"/>
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# IP 地址编址方式
@ -52,7 +72,7 @@ IP 地址的编址方式经历了三个历史阶段：
IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/cbf50eb8-22b4-4528-a2e7-d187143d57f7.png" width="500"/>
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## 2. 子网划分
@ -74,7 +94,7 @@ CIDR 的记法上采用在 IP 地址后面加上网络前缀长度的方法，
CIDR 的地址掩码可以继续称为子网掩码，子网掩码首 1 长度为网络前缀的长度。
一个 CIDR 地址块中有很多地址，一个 CIDR 表示的网络就可以表示原来的很多个网络，并且在路由表中只需要一个路由就可以代替原来的多个路由，减少了路由表项的数量。把这种通过使用网络前缀来减少路由表项的方式称为路由聚合，也称为 **构成超网** 。
一个 CIDR 地址块中有很多地址，一个 CIDR 表示的网络就可以表示原来的很多个网络，并且在路由表中只需要一个路由就可以代替原来的多个路由，减少了路由表项的数量。把这种通过使用网络前缀来减少路由表项的方式称为路由聚合，也称为 **构成超网** 。
在路由表中的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成，在查找时可能会得到不止一个匹配结果，应当采用最长前缀匹配来确定应该匹配哪一个。
@ -82,27 +102,27 @@ CIDR 的地址掩码可以继续称为子网掩码，子网掩码首 1 长度为
网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中，IP 数据报的源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/66192382-558b-4b05-a35d-ac4a2b1a9811.jpg" width="700"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/66192382-558b-4b05-a35d-ac4a2b1a9811.jpg" width="700"/> </div><br>
ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/b9d79a5a-e7af-499b-b989-f10483e71b8b.jpg" width="500"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/b9d79a5a-e7af-499b-b989-f10483e71b8b.jpg" width="500"/> </div><br>
每个主机都有一个 ARP 高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。
如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址，但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射，此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组，主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址，随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/8006a450-6c2f-498c-a928-c927f758b1d0.png" width="700"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/8006a450-6c2f-498c-a928-c927f758b1d0.png" width="700"/> </div><br>
# 网际控制报文协议 ICMP
ICMP 是为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会。它封装在 IP 数据报中，但是不属于高层协议。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/e3124763-f75e-46c3-ba82-341e6c98d862.jpg" width="500"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/e3124763-f75e-46c3-ba82-341e6c98d862.jpg" width="500"/> </div><br>
ICMP 报文分为差错报告报文和询问报文。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/aa29cc88-7256-4399-8c7f-3cf4a6489559.png" width="600"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/aa29cc88-7256-4399-8c7f-3cf4a6489559.png" width="600"/> </div><br>
## 1. Ping
@ -135,7 +155,7 @@ VPN 使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。
下图中，场所 A 和 B 的通信经过互联网，如果场所 A 的主机 X 要和另一个场所 B 的主机 Y 通信，IP 数据报的源地址是 10.1.0.1，目的地址是 10.2.0.3。数据报先发送到与互联网相连的路由器 R1，R1 对内部数据进行加密，然后重新加上数据报的首部，源地址是路由器 R1 的全球地址 125.1.2.3，目的地址是路由器 R2 的全球地址 194.4.5.6。路由器 R2 收到数据报后将数据部分进行解密，恢复原来的数据报，此时目的地址为 10.2.0.3，就交付给 Y。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/1556770b-8c01-4681-af10-46f1df69202c.jpg" width="800"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/1556770b-8c01-4681-af10-46f1df69202c.jpg" width="800"/> </div><br>
# 网络地址转换 NAT
@ -143,7 +163,7 @@ VPN 使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。
在以前，NAT 将本地 IP 和全球 IP 一一对应，这种方式下拥有 n 个全球 IP 地址的专用网内最多只可以同时有 n 台主机接入互联网。为了更有效地利用全球 IP 地址，现在常用的 NAT 转换表把传输层的端口号也用上了，使得多个专用网内部的主机共用一个全球 IP 地址。使用端口号的 NAT 也叫做网络地址与端口转换 NAPT。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/2719067e-b299-4639-9065-bed6729dbf0b.png" width=""/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/2719067e-b299-4639-9065-bed6729dbf0b.png" width=""/> </div><br>
# 路由器的结构
@ -151,7 +171,7 @@ VPN 使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。
分组转发结构由三个部分组成：交换结构、一组输入端口和一组输出端口。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/c3369072-c740-43b0-b276-202bd1d3960d.jpg" width="600"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/c3369072-c740-43b0-b276-202bd1d3960d.jpg" width="600"/> </div><br>
# 路由器分组转发流程
@ -162,7 +182,7 @@ VPN 使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。
- 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；
- 报告转发分组出错。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/1ab49e39-012b-4383-8284-26570987e3c4.jpg" width="800"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/1ab49e39-012b-4383-8284-26570987e3c4.jpg" width="800"/> </div><br>
# 路由选择协议
@ -219,4 +239,11 @@ BGP 只能寻找一条比较好的路由，而不是最佳路由。
每个 AS 都必须配置 BGP 发言人，通过在两个相邻 BGP 发言人之间建立 TCP 连接来交换路由信息。
<img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/9cd0ae20-4fb5-4017-a000-f7d3a0eb3529.png" width="600"/>
<div align="center"> <img src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/9cd0ae20-4fb5-4017-a000-f7d3a0eb3529.png" width="600"/> </div><br>
<div align="center"><img width="320px" src="https://cs-notes-1256109796.cos.ap-guangzhou.myqcloud.com/githubio/公众号二维码-1.png"></img></div>