网络层

网络层服务¶

从发送主机向接收主机发送数据段

路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域

网络层核心功能：转发与路由

网络层拥塞控制策略¶

例：ATM ABR控制拥塞

ABR：如果发送方路径拥塞，将发送速率降低到最低保障速率

RM：由发送方发送，交换机设置RM cell位，NI bit表示速率不许增长，CI bit表示拥塞指示

虚电路网络与数据报网络¶

数据报网络提供网络层无连接服务，虚电路网络提供网络层连接服务

类似于传输层的无连接服务UDP和面向连接服务TCP，不同之处在于：是主机到主机服务，同时也是网络核心的实现

虚电路¶

从一个源主机到目的主机，类似于电路的路径（是逻辑连接）

分组交换
每个分组的传输利用链路的全部带宽
源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能

每个分组携带虚电路标识（VC ID），而不是目的主机地址

虚电路经过每个网络设备，维护每条经过它的虚电路连接状态

链路、网络设备资源，可以面向VC进行预分配

VC的具体实现¶

每条虚电路包括：

从源主机到目的主机的一条路径
虚电路标识（VC ID），沿路每段链路一个编号
沿路每个网络层设备都利用转发表记录经过的每一条虚电路

沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址

同一条VC，在每一段链路上的VCID通常不同

VC转发表¶

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VC路径上的每个路由器都需要维护VC连接的状态信息

虚电路信令协议¶

主要用于VC的建立维护与拆除
应用于虚电路网络
目前Internet不采用

数据报转发表¶

由路由算法确定通过网络的端到端路径，转发表确定在本路由器如何转发分组

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存在40多亿个IP地址，为了减少路由表大小，将IP地址分组，当IP地址属于某个范围，则使用相对应的链路接口转发

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最长前缀匹配优先¶

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在检索转发表时，优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口

路由器体系结构¶

IP协议¶

IP数据报分组格式¶

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IP相关协议¶

ICMP协议¶

全称为互联网报文控制协议

ICMP协议是IP协议的一部分，用于报告网络层事件和错误

ICMP报文分为两类：

差错报告报文
- 目的不可达
- 源抑制
- 超时/超期
- 参数问题
- 重定向
网络探寻报文
- 回声请求与应答报文
- 时间戳请求与应答报文

几种不发送ICMP差错报告报文的特殊情况：

对ICMP差错报告报文的响应，不发送ICMP差错报告报文

除了第1个IP数据报分片外，对后续所有分片都不发送

对所有多播IP数据报，不发送ICMP差错报告报文

对具有特殊地址的IP数据报不发送ICMP差错报告报文

ICMP报文封装到IP数据报中传输

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如何获得IP地址？¶

硬编码：静态配置

动态主机配置协议DHCP¶

从服务器动态获取
- IP地址
- 子网掩码
- 默认网关地址
- DNS服务器名称与IP地址

由客户端（DHCP Client）向服务器（DHCP Server）提出配置申请，DHCP Server为网络上的每个设备动态分配IP地址、子网掩码、默认网关地址，域名服务器（DNS）地址和其他相关配置参数，以便可以与其他IP网络通信。

DHCP流程

主机广播发送DHCP DISCOVER“发现报文”
DHCP服务器利用DHCP OFFER“提供报文”响应
主机请求IP地址DHCP REQUEST“请求报文”
DHCP服务器为期分配IP地址 DHCP ACK“确认报文”

网络地址转换（NAT）¶

网络地址转换（NAT）是一种IP地址转换技术，它允许多个私有网络使用同一个公共IP地址。

优势：

本地网络设备IP地址变更，无须通知外界网络
变更ISP时，无需修改内部网络设备IP地址
内部网络设备对外界网络不可见，即不可直接寻址

所有离开本地网络去往Internet的数据报的源IP必须替换为相同的NAT地址；本地网络内部的通信的IP数据报的源与目的IP地址均在子网内

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NAT穿透问题¶

客户期望连接内网地址为10.0.0.1的服务器，客户不能直接利用地址10.0.0.1直接访问
对外唯一可见NAT地址：138.76.29.7

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解决方法1：静态配置NAT，将特定端口的连接请求转发给服务器
解决方法2：利用UPnP互联网网关设备协议(IGD)自动配置
解决方法3：中继，NAT内部客户和中继服务器建立连接，外部客户也和中继服务器连接

ARP协议¶

在同一个LAN内，如何在已知目的接口的IP地址的前提下确定其MAC地址？

LAN中每一个IP节点都维护了一个<IP,MAC>表，ARP协议主要是查询和更新这个表，表附带了TTL（Time-to-Live）字段，用来限制ARP表项的生存时间。

同一局域网内¶

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从一个LAN路由至另一个LAN¶

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路由算法¶

路由与转发¶

路由算法确定去往目的网络的最佳路径；转发表确定在本路由器如何转发分组

网络抽象¶

可以将网络抽象为图

N表示路由器集合，E表示所有的链路集合

Djikstra算法¶

所有节点掌握网络拓扑和链路费用，需要计算的是：计算一个点（源点）到所有其他点的最短路径，令：

\(c(x,y)\)为结点x到结点y链路费用；如果x和y不直接相连，则\(c(x,y)=\infty\)
\(D(v)\)为从源到目的地v的当前路径费用值
\(p(v)\)为沿这从源到v的当前路径，v的前序结点
\(N'\)为已经找到最小费用路径的结点结合

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距离向量路由算法¶

Bellman-Ford算法¶

令\(d_x(y)=从x到y的最短路径的费用\)

更新逻辑为：\(d_x(y)=\min_{v}\{c(x,y)+d_v(y)\}\)

选择所有\(len(x\to v)+len(v\to y)\)中的最小值作为\(d_x(y)\)的候选值

路由器据此获得了最短路径的下一跳，该信息用于转发表中

DV算法¶

\(D_x(y)\)表示从结点x到结点y的最小费用估计，x需要维护的是距离向量(DV)，即

\[D_x=[D_x(y): y\in N]\]

结点x已知到达每个邻居的费用\(c(x,v)\)

结点x需要维护：

其所有邻居的距离向量\(D_v=[D_v(y): y\in N]\)

核心思想：

每个结点不定时地将自己的DV估计发送给邻居
当结点x接受到邻居的新的DV估计时，根据B-F更新其自身的距离向量估计

\[D_x{y}\leftarrow\min_v{c(x,v)+D_v(y)} for each node y\in N\]

DV的更新¶

对于每个结点x，都处在一个循环当中

等待：本地局部链路费用变化火或者收到了邻居的DV更新
重新计算：DV估计
如果DV中到达任意一个目的地的距离发生了改变，则需要通告所有邻居

层次路由¶

将任意规模大小的网络抽象为一个图计算过于理想化

网络规模过大，路由表无法存储所有路由信息
路由计算过程的信息交换量巨大，会淹没链路

聚合路由器为一个区域：自治系统（AS：Autonomous Systems）

同一个AS内部的路由器运行相同的路由协议

网关路由器¶

位于AS的边缘，通过链路链接其他AS的网关路由器

路由协议¶

Internet采用层次路由

AS内部路由协议也称为内部网络协议IGP

常见的IGP

路由信息协议：RIP
开放最短路径优先：OSPF
内部网关路由协议：IGRP

RIP¶

距离向量路由算法

距离向量：跳步数，每条链路一个跳步
每隔30s，邻居之间交换一次DV，称为通告
每次通告：最多25个目的子网