计算机网络（5）-----网络层

一.网络层的功能和概述

二.转发相关

1.网络层协议

（1）IP协议

•IP数据报格式：

•IP数据报分片：

•IP地址：

•IP地址的分类：

•网络地址转换NAT：

•子网划分：

•无分类编址CIDR：

（2）ARP协议

（3）DHCP协议

（4）ICMP协议

ICMP报文的类型：

ICMP报文的格式：

ICMP协议的应用：

（5）IGMP协议

2.IPV6

（1）IPv6数据报的格式

（2）IPv6与IPv4的区别

（3）IPv6地址表示形式

（4）IPv6基本地址类型

单播：

多播：

任播：

（5）IPv6向IPv4过渡的策略

•双栈协议

•隧道技术

3.移动IP

4.路由器

5.三层设备的区别

三.路由选择相关

1.路由选择算法

（1）静态路由 (非自适应路由算法)

（2）动态路由(自适应路由算法)

•全局性

•分散性

2.路由选择协议（层次路由）

（1）自治系统内IGP

•RIP

编辑

•OSPF

链路状态路由算法：

（2）自治系统间EGP

•BGP

（3）三种协议报文的比较

3.IP组播

（1）IP数据报的三种传播方式

•单播

•广播

•组播（多播）

四.SDN（Software-Defined Networking）的基本概念

1.数据平面

2.控制平面

•传统方法（每路由器法）

•SDN方法

一.网络层的功能和概述

网络层的主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

功能如下：

（1）实现路由选择（选择最佳路径转发分组）与分组转发

（2）异构网络互联

（3）拥塞控制

若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。拥塞控制与流量控制不同：

流量控制：流量控制是作用于接收者的，它是控制发送者的发送速度从而使接收者来得及接收，防止分组丢失的。

拥塞控制：拥塞控制是更加全局性的概念，其作用于网络的，它是防止过多的数据注入到网络中，避免出现网络负载过大的情况。

解决拥塞的方法（了解）：

•开环控制（静态）：

开环控制就是在设计网络时事先将有关拥塞发生的所有因素考虑周到，一旦系统运行起来就不能在中途改正。

•闭环控制（动态）：

闭环控制是基于反馈环路的概念，包括如下措施：

1）监测网路系统以便检测拥塞在何时何地发生。

2）把拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方。

3）调整网络系统的行动以解决出现的问题。

二.转发相关

1.网络层协议

TCP/IP协议的构造如下，可以看到网络层协议有ARP,IP,ICMP,IGMP

（1）IP协议

•IP数据报格式：

IP数据报的格式包含部分以及可变部分，固定部分是一定要有的（20字节），可变部分则可有可无。

具体地，首部有哪些字段：

版本：标识使用的是IPv4还是IPv6

首部长度：首部长度为4位(0000~1111,0~15)，但他的单位是4B，例如首部字段是1111，因为其单位是4B，所以1111=15，15*4B=60B，首部长度最长为60B，固定部分有20B，可变部分有40B，20B的固定部分是必须要有的，所以首部字段最小也是5B（5*4=20B），即0101，所以“首部长度”字段用0101~1111表示。

当IP分组的首部长度不是4B的整数倍时，就不能用“首部长度”表示了，怎么办呢？这时候就会用到“填充”字段，将首部长度填充为4B的整数倍，这样就能用“首部长度”字段表示了。所以首部长度一定是4B的整数倍，这样数据部分就都会从4B的整数倍开始，这样是为了实现IP协议更加方便。

区分服务：指示期望获得哪种类型的服务。例如，想要强调某个数据报的优先级就需要通过“区分服务”来规定，这个字段比较少用。

总长度：首部+数据，单位为1B，总长度可用16位表示，那么其最大值就是(2^16)-1=65535,由于单位是1B，所以总长度最大为65535B。但是实际上IP数据报会被分片，以满足数据链路层中MTU（最大传送单元）的要求。

生存时间(TTL)：IP分组的保质期。经过一个路由器-1，变成0则丢弃。这样做是为了防止无法交付的数据报无限制地在网络中传输，浪费网络资源。

协议：标识数据部分（传输层传递下来的报文段）所使用的协议。

这里重点记忆：TCP的字段值是6，UDP的字段值是17

首部检验和：只检验首部。它的作用是为了校验数据报头部在传输中是否出错。

源地址和目的地址：32位

可选字段（长度可变）：0~40B，用来支持排错、测量以及安全等措施。

填充：全0，把首部补成4B的整数倍。

标识，标志，片偏移我们在IP数据报分片部分再讲解。

•IP数据报分片：

链路层数据帧可封装数据的上限用MTU（最大传送单元）表示。在以太网中，MTU是1500个字节。

IP分组经过封装后会形成链路层的数据帧，IP分组形成了数据链路层的数据部分，而数据部分的上限就是MTU，如果所传送的数据报长度超过某链路的MTU值要怎么处理呢？

这就需要用到IP数据报中的标识，标志和片偏移了：

标识：同一数据报的分片使用同一标识，例如，某IP数据报超过了MTU就会被分片，每一个分片都会和原来的数据报拥有共同的"标识"字段。到接收端时，同一"标识"的分片会被组合起来形成原来完整的数据报。

标志："标志"位有3位，只有2位有意义，最高位保留。

中间位为DF(Don't Fragment)：DF=1，表示禁止分片，DF=0，表示允许分片。

最低位MF(More Fragment )：MF=1，表示后面“还有分片”，MF=0，代表最后一片/没分片

只有DF=0（允许分片），MF才有意义。

片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。以8B为单位。例如某片偏移字段为000(12个0)...1，那么1*8=8B，那么这一分片就是在原来数据报中从第8个字节开始的位置。所以除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B的整数倍。

IP数据报分片的例题：

需要分片为长度不超过1420B的数据报片。这里的1420B要包含首部的20B，剩下的1400B才是数据部分。

数据部分3800B被分为了1400，1400，1000，这3个分组都需要加上首部：

第一个分片从0B开始取的，所以其片偏移为0，第二个部分从1400B开始取，所以其片偏移量为1400B/8B=175,第三个部分从2800B开始取，所以其片偏移量为3800B/8B=350。

标识，标志以及片偏移如下图所示：

总结：

“总长度”单位是：1B，“片偏移”单位是8B，"首部长度"单位是4B

口诀：一种八片首饰

•IP地址：

IP地址是全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。其由网络号和主机号组成，网络号用于标识：这个主机在哪一个网络，主机号用于标识：是这一网络的哪一台主机。

IP地址通常由点分十进制表示：

•IP地址的分类：

A类地址范围为0.0.0.0~127.255.255.255，A类地址网络位固定为前8位。

B类地址范围为128.0.0.0~191.255.255.255，B类地址网络位固定前16位。

C类地址范围为192.0.0.0~223.255.255.255，C类地址网络位固定前24位。

D、E类地址不常用，只要知晓D类地址用于组播，E类地址保留今后使用即可。

特殊的IP地址：

0.0.0.0：可以作为IP分组的源地址，不能作为IP分组的目的地址

用途：本网范围内表示主机，路由表中用于表示默认路由(表示整个Internet网络)

网络号全0，主机号为特定值：可以作为IP分组的源地址，不能作为IP分组的目的地址

用途：表示本网内某个特定主机

网络号全1，主机号为全1：不可以作为源地址，可以作为目的地址

用途：本网广播地址（路由器不转发）

网络号为特定值，主机号为0：不可以作源地址，也不可以作目的地址

用途：作为网络地址，表示一个网络

网络号为特定值，主机号为1：不可以作为源地址，可以作为目的地址

用途：直接广播地址，对特定网络上的所有主机进行广播

网络号为127，主机号为任何数（非全0/1）：例如，127.0.0.1，可以作源地址，也可以作目的地址

用途：用于本地软件环回测试，称为环回地址

私有IP地址：

只供内部网络使用，路由器不转发私有IP地址。内部网络如何访问外部网络呢？就需要用到之后会讲的NAT技术。

对于各类地址的总结如下：

对于A类网络而言：

最大可用网络数为(2^7)-2(这里的减2表示的是(1)0.0.0.0：本网络 (2)127.0.0.0：环回地址)

最大可用主机数为(2^24)-2(这里的减2表示的是(1)全0主机号：网络地址，表示一个网络 (2)全1主机号：广播地址

对于B类地址而言：

最大可用网络数为(2^14)-1(14是因为前2个位固定，减1是因为减去了网络号为全0的情况）

注：早期128.0.0.0不可以指派，但是现在是可以指派的，即最大可用网络数为2^14

其他以此类推。

•网络地址转换NAT：

路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发。那么内部网络的主机如何访问外部网络呢？就需要用到NAT。

网络地址转换NAT(Network Address Translation)：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

网络地址转换的关键在于NAT路由器中的NAT转换表：

假设此时A要给B发送数据，那么他的源地址（192.168.0.3），目的地址（213.18.2.4）以及端口号（30000）就会被封装在数据报中交给NAT路由器。

到NAT路由器后，NAT路由器会根据转换表将数据报中的“源地址”字段转为外网中使用的IP地址（172.38.1.5），将端口号转为40001。

这样的数据报就能在因特网中被路由器转发了。

假设此时B要给C发送数据，那么他的源地址（213.18.2.4），目的地址（172.38.1.5，即NAT路由器的地址）以及端口号（40002）会被封装在数据报中交给NAT路由器

NAT路由器收到数据报后，会将"目的地址"字段转换为内网的具体某一台主机的地址，在这里为C(192.168.0.4)，将端口号转为30001。

这样，数据报就能传给C主机了。

•子网划分：

分类的IP地址的弱点：

1.IP地址空间的利用率有时很低，例如某单位申请B类网络，但是使用这一网络的主机较少，因为考虑到之后可能会扩充主机，所以没有申请C类网络，但是这样就浪费了IP地址。

2.两级IP地址不够灵活，若某公司要开通一个新的网络，那么只能够跟ISP（因特网服务提供商）申请一系列IP地址。

那么能否直接增加某些主机，而不需要向ISP申请IP地址?这就需要用到子网划分。

子网划分所做的就是将主机号中较高的部分位数划为网络号，如下图：

如何划分网络是单位内部自己决定的。

注：某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分。

对于子网号能否全0/全1是要看情况的，随着后面要讲的CIDR广泛使用，子网号全0/全1是允许的，对于主机号不能全0/全1，至少要留下两位，因为主机号全0或全1都是不可以被指派的

由于本单位外的网络看不见本单位内子网的划分的，所以当目的地址为145.13.3.10的某数据报传递到路由器时，路由器该怎么转发给对应主机呢？就需要用到子网掩码。

子网掩码是由一系列连续的1，0构成的2进制数，对于两级IP地址和三级IP地址而言，子网掩码如下所示，1的个数为网络号的个数，0的个数为主机号的个数。

路由器收到数据报后，会先提取出这一数据报的“目的地址”字段，将这一目的地址与该网段

的子网掩码逐位相与，就能得到子网网络地址，例如下图的子网网络地址就是145.13.3.0

例题：

1.已知IP地址是141.14.72.24，子网掩码是255.255.192.0，求网络地址。

将141.14.72.24与255.255.192.0相与，得到141.14.64.0

对于一些二进制的十进制，我们要熟悉：

若子网掩码为255.255.224.0，网络地址同样为141.14.64.0，所以同样的IP地址与不同的子网掩码相与是可能得到相同的网络地址的。

但是对于第一个子网而言，子网号占了2位（192，11000000），其余位为主机位，对于第二个子网而言，子网号占了3位（224，11100000），其余位为主机位。

2.某主机的IP地址为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,则目的地址可以是()
A.180.80.76.0 B.180.80.76.255 C.180.80.77.255 D.180.80.79.255

根据子网掩码可以判断255.255.252.0（网络号有8+8+6=22位，主机号为10位）

将IP地址与子网掩码相与就能得到网络地址（180.80.76.0，180.80.01001100.00000000）

因为要发送广播分组，那么就要使得剩下主机号为全1，即（180.80.01001111.11111111，180.80.79.255）

答案为D

多做课后习题，套路都是一样的！

如果进行了子网划分，那么路由器中路由表的内容就有：

1.目的网络地址 2.目的网络子网掩码 3.下一跳地址

转发IP分组的过程如下：

•首先，路由器会提取数据报中的目的IP地址，判断是否能直接交付，即路由器所连的网络中有目的IP地址，具体做法是将目的地址与路由器所连的子网的子网掩码进行相与，若能与某个子网对应，那就进行直接交付。例如与第一个子网的子网掩码（255.255.255.0）相与，得到145.13.3.0，与第一个子网的网络地址相同，所以直接交付。

•若不能直接交付，就查看路由表中是否有与目的地址相同的特定主机路由，若没有，则将目的地址与路由表中的每一行的子网掩码相与，若有相同网络地址，那么路由器就会根据这一行所规定的下一跳地址，将数据报传给下一个路由器。

•若与每一行相与，都没有相同的网络地址，即路由表中无路径，那么路由器就会根据转发表的默认路由，将数据报转发到指明的默认路由器，默认路由的IP地址是0.0.0.0。默认路由器会根据上面的步骤继续查找目的地址，直到找到目的IP地址，就将数据报交给去往这一IP地址的下一跳路由器。

•但若生存时间（TTL）减为0，那么就只能将这一数据报丢弃，并报告转发分组出错。

•无分类编址CIDR：

1.消除了传统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念。

CIDR的记法：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀(可以任意长度)的位数。例如：128.14.32.0/20

2.融合子网地址与子网掩码，方便子网划分。CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。

CIDR的两个应用是构成超网和最长前缀匹配

构成超网：

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。

方法：将网络前缀缩短（所有网络地址取交集），例如下图，206.1.0.0/17（206.1.00000000.0）与206.1.128.0/17（206.1.10000000.0），取交集，最后得到206.1.0.0/16

划分子网是一个由少到多的过程，将IP地址的主机号取出几位作为子网号，进而划分出多个地址。

构成超网是一个有多到少的过程，将多个网络地址合并，得到一个新的网络地址。

例题：

某路由表中有转发接口相同的4条路由表项，其目的网络地址分别为35.230.32.0/21、35.230.40.0/21、35.230.48.0/21、35.230.56.0/21，将该4条路由聚合后的目的网络地址为
A.35.230.0.0/19
B.35.230.0.0/20
C.35.230.32.0/19
D.35.230.32.0/20

对于35.230.32.0/21、35.230.40.0/21、35.230.48.0/21、35.230.56.0/21，前面两个字节都是35.230，只看第三个字节即可。

4个网络地址取交集，结果如下：

因此聚合后的目的网络地址为25.230.32.0/19

最长前缀匹配：

使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果(跟网络掩码按位相与)，应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。当路由器收到一个IP数据报时，它会将数据包的目的IP地址与自己本地路由表中的所有路由表进行逐位（Bit-By-Bit）对比，直到找到匹配度最长的条目，这就是最长前缀匹配机制。

若路由器收到目的地址为206.0.71.130的数据报，需要在206.0.68.0/22，206.0.71.128/25以及206.0.71.0/25选择合适的路由，那么他会选择哪条路由呢？

与206.0.68.0/22对应的网络掩码相与：

1111 1111.1111 1111.1111 1100.0000 0000

1100 1110.0000 0000.0100 0111.1000 0010

最后得到：206.0.68.0/22，匹配成功

与206.0.71.128/25对应的网络掩码相与（步骤与上面相同）：

最后得到：206.0.71.128/25，匹配成功

与206.0.71.0/25对应的网络掩码相与：

最后得到206.0.71.128/25，匹配失败

所以我们最后选择所有成功匹配的路由条目中，网络前缀最长的路由，即206.0.71.128/25（25>22）

例题：

路由器R0的路由表见下表：若进入路由器R0的分组的目的地址为132.19.237.5，请问该分组应该被转发到哪一个下一跳路由器()
A.R1 B.R2 C.R3 D.R4

与之前讲的是一样的做题方法，最后选择匹配成功且网络前缀最长的路由，若没有匹配成功的路由，就会使用默认路由0.0.0.0/0

最后答案为B

（2）ARP协议

每个主机以及每个路由器都有ARP高速缓存（IP地址与MAC地址的映射），若1号主机想发送数据给3号主机，那么就会从ARP高速缓存中查找3号主机对应的MAC地址将其封装到数据报中。

具体地，当数据报到达数据链路层时，就会封装源MAC地址与目的MAC地址，目的MAC地址就需要到ARP高速缓存中查找。

若ARP高速缓存中没有3号主机IP地址到MAC地址的映射，就需要使用ARP协议。ARP协议的工作过程如下：

•1号主机会发送广播ARP请求分组，这一分组包括如下信息：主机1的IP地址，主机3的IP地址，主机1的MAC地址以及目的物理地址（广播地址）

•交换机收到广播ARP请求分组后，会将这一分组从所有端口转发出去（除了收到分组的端口），除了3号主机外，其他主机都不会响应这一个分组，只有3号主机会发生单播的响应分组，这一分组主要包括3号主机的IP地址以及对应的MAC地址。

若1号主机要与5号主机进行通信：

•1号主机同样会查找ARP高速缓存，ARP高速缓存一定不会有5号主机的IP地址与MAC地址的映射关系，因为ARP缓存中存储的都是本局域网中的映射关系。

•1号主机发现5号主机与自己不在同一个网段内，于是就会查询默认网关的MAC地址，主机1发送广播ARP请求分组，只有路由器（默认网关）才会单播响应请求。

主机1得到了6的MAC地址，再加上帧检验序列，就能将该数据报传递给下一层物理层了

•数据报到达默认网关后会进行解封装，解封装到网络层后，又会从网络层进行封装，封装的内容如下：

源IP地址与目的IP地址没变，源MAC地址变为MAC7，目的MAC地址变为MAC8（当然这里没有考虑NAT，若访问外网，则源IP地址是会改变的）

注：若这里使用的是PPP协议，就不需要表明目的MAC地址，PPP协议不涉及MAC地址，从一端发送到另一端，中间没有设备，接收端就是目的地。

若这一路由器连接了很多其他路由器，那么他就会查看自己的路由表，根据目的地址查找合适的下一跳，然后再使用ARP协议得到下一跳的MAC地址，将MAC地址封装到数据报中，传给下一跳路由器。

•下一跳路由器得到数据报后，会广播ARP请求分组，5号主机响应请求，就会将其MAC地址发给路由器。最后路由器将数据报发送给5号主机。

总结：

由于在实际网络的链路上传送数据帧时，最终必须使用MAC地址。若某些主机在ARP高速缓存中没有找到IP地址与MAC地址的映射关系，就需要用到ARP协议来完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。（解决下一跳走哪的问题）

首先，主机会检查ARP高速缓存，有对应表项则写入MAC帧，没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组，同一局域网中所有主机都能收到该请求。目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP响应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存(10-20min更新一次)。

ARP协议的四种典型情况：

1.主机A发给本网络上的主机B：用ARP找到主机B的硬件地址；

2.主机A发给另一网络上的主机B：用ARP找到本网络上一个路由器(网关)的硬件地址；

3.路由器发给本网络的主机A：用ARP找到主机A的硬件地址；

4.路由器发给另一网络的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。

注：ARP协议是自动进行的

例题：

主机发送IP数据报给主机B，经过了5个路由器，请问此过程总共使用了几次ARP协议?

总共需要使用6次ARP协议

注：ARP协议其实是数据链路层与网络层中间的协议，但是这里把他划到网络层，因为ARP协议是为IP协议提供服务的。

（3）DHCP协议

动态主机配置协议DHCP是应用层协议，使用客户/服务器方式，客户端和服务端通过广播方式进行交互，基于UDP。

DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址,允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。

DHCP协议的工作流程：

1.主机广播DHCP发现报文，试图找到网络中的服务器，DHCP服务器会获得主机的IP地址
2.DHCP服务器广播DHCP提供报文，拟分配给主机一个IP地址及相关配置，主机会收到来自不同DHCP服务器的DHCP提供报文，但是只会用最先发来的IP地址及相关配置（先到先得）

3.主机广播DHCP请求报文，告诉相应的DHCP服务器，用了他提供的IP地址，这里为什么要用广播呢？

用广播是因为要告诉其他的主机，可以将IP地址分给其他主机，自己已经使用了另一台DHCP服务器提供的IP地址了。
4.DHCP服务器广播DHCP确认报文。DHCP服务器收到DHCP请求后，就会广播DHCP确认报文，告诉主机自己已经收到了。

总结：DHCP服务器在交互的时候使用的都是广播报文。

（4）ICMP协议

ICMP协议是处于网络层与传输层之间的协议，其作用是为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会。

ICMP报文的类型：

•ICMP差错报文

1.终点不可达：当路由器或主机不能交付数据报时就向源点发送终点不可达报文。(无法交付)
2.源点抑制：当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。(拥塞丢数据)

注：这一差错报文已经被取消了。

3.时间超过：当路由器收到生存时间TTL=0的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。

4.参数问题：当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。(首部字段有问题)

5.改变路由(重定向)：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器。(可通过更好的路由)

ICMP差错报告报文数据字段：

将收到的需要进行差错报告的IP数据报的首部以及数据部分的前8个字节提取出来作为ICMP差错报告报文的数据部分，再加上ICMP的前8个字节(ICMP首部，后面会讲)，就构成了完整的差错报告报文。最后加上IP数据报的首部，就形成了装入ICMP报文的IP数据报。所以ICMP差错报告报文是网络层传输单元（IP数据报）的数据部分。

忽略内部细节即：

以下为几种不应发送ICMP差错报文的情况：

1.对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文。

ICMP差错报告报文是封装在IP数据报的数据部分的，而IP数据报的首部不会检查IP数据报的数据部分有没有出错，因此IP数据报中的ICMP差错报告报文有可能出错，ICMP差错报告报文出错时，不会对这一报文发送差错报告报文。

2.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。

3.对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文。

4.对具有特殊地址(如127.0.0.0或0.0.0.0)的数据报不发送ICMP差错报告报文。

•ICMP询问报文

1.回送请求和回答报文
主机或路由器向特定目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。测试目的站是否可达以及了解其相关状态。

2.时间戳请求和回答报文

请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。用来进行时钟同步和测量时间。

3.掩码地址请求和回答报文
4.路由器询问和通告报文

注：3，4询问报文已经不再使用了。

ICMP报文的格式：

ICMP 报文由首部和数据两个部分组成。首部为定长的8字节，前4字节是通用部分，后个字节随报文类型的不同有所差异。ICMP报文的一般格式如下图所示。

类型(type)：占用了8 bit位(一个字节)，前面我们说的差错报告报文或者询问报文就是在这里标识的。

代码(code)：占用了8 bit位，根据ICMP差错报文的类型，进一步分析错误的原因，代码值不同对应的错误也不同，例如：类型为11且代码为0，表示数据传输过程中超时了，超时的具体原因是TTL值为0，数据报被丢弃。

校验和(checksum)：占用了16 bit位，数据发送到目的地后需要对ICMP数据报文做一个校验，用于检查ICMP数据报文是否有错误。

首部其他部分为4字节，针对每一种报文类型都是特定的。大部分差错报告报文未用到这一部分，参数错误报告报文用到其中的一个字节作指针，请求应答报文对利用这4字节匹配请求与应答报文。不使用时将不使用的部分填0。

数据部分：包括IP数据报首部以及IP数据报数据部分的前8个字节。

想要更加细致地学习ICMP数据报格式，可以看这篇文章的ICMP部分：

因特网控制报文协议协议（ICMP） | School (devdiv.github.io)

ICMP协议的应用：

PING：

测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文。

Traceroute：

跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文。IP首部中都有一个生存时间（TTL）字段，数据报每被转发一次，TTL的值便会减1，当TTL的值被减为0时，数据报会被网络丢弃，同时一个ICMP数据报超时报文会被返回给源主机。

（5）IGMP协议

IGMP(Internet Group Management Protocol)互联网组管理协议是负责IP组播成员管理的协议。下面讲IP组播的时候会讲到。

2.IPV6

虽然之前使用的CIDR和NAT可以提高IPv4地址的利用率，但是还是无法IPv4地址空间的消耗，所以产生了IPv6地址，从根本上解决了地址耗尽的问题。

（1）IPv6数据报的格式

基本首部占40字节，而有效载荷的长度是不固定的，其中包括两个部分，一个是可扩展的"扩展首部"以及"数据部分"，扩展首部是可有可无的，根据数据报是否添加其他服务填充扩展首部即可。

版本：指明了协议版本，这里就是IPv6。

优先级：区分数据报的类别和优先级。

流标签：“流”是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报。所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标签。

类似于IPv4的“标识位”，IPv4数据报进行分片之后，每一个分片具有同样的标识位。

有效载荷长度：（扩展首部+数据部分）的大小。

这里要和IPv4报文的“首部长度”字段与“总长度”字段区分开，“首部长度”指的是首部长度的大小，"总长度"指的是（首部+数据部分）的大小。

下一个首部：标识下一个扩展首部或上层协议首部。例如，对于某个数据报，这一数据报除了基本首部之外，还有3个扩展首部，对于这3个扩展首部，每个扩展首部内都有一个字段"下一个首部"，用来标识下一个扩展首部。基本首部中的"下一个首部"标识的是第1个扩展首部，第一个扩展首部中的"下一个首部"标识的是第2个扩展首部，以此类推。最后一个扩展首部的"下一个首部"标识的就是IPv6报文的数据部分。

跳数限制：相当于IPv4的TTL。当TTL减到0，路由器就会将这一报文丢弃，并返回一个差错报告报文。

源地址，目的地址：IPv6的地址长度为128位(16B)，IPv4的地址长度为32位(4B)。

（2）IPv6与IPv4的区别

•IPv6将地址从32位(4B)扩大到128位(16B)，更大的地址空间。
•IPv6将IPv4的校验和字段彻底移除，以减少每跳的处理时间。
•IPv6将IPv4的可选字段移出首部，变成了扩展首部，成为灵活的首部格式，路由器通常不对扩展首部进行检查,大大提高了路由器的处理效率。
•IPv6支持即插即用(即自动配置)，不需要DHCP协议。

•IPv6首部长度必须是8B的整数倍，IPv4首部是4B的整数倍。

•IPv6只能在主机处分片，IPv4可以在路由器和主机处分片。若超过了数据链路层的MTU（最大传送单元），那么路由器只能将这一IPv6报文丢弃，再返回差错报告报文。

•针对IPv6，ICMPv6会附加一系列报文类型，例如“分组过大”。

•IPv6支持资源的预分配，支持实时视像等要求，保证一定的带宽和时延的应用。
•IPv6取消了协议字段，改成下一个首部字段。IPv4的协议部分的作用为标识分组所用的数据使用的是什么哪个协议，也就是分组的数据部分应该交给传输层的哪一个协议。

•IPv6取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段。
•IPv6取消了服务类型字段。

（3）IPv6地址表示形式

IPv4地址用点分十进制表示，IPv6地址用冒分16进制表示：

一般形式如下：每4位2进制用1个16进制表示，每4个16进制为一组，总共8组。

压缩形式如下：

•4个0为1组，则写为1个0

•每一组前面的0可以删去，例如：039A--->39A,000A--->A。后面的0不能删去。

•零压缩：一连串连续的0可以被一对冒号取代。

注：双冒号表示法在一个地址中仅可出现一次。

（4）IPv6基本地址类型

单播：

一对一通信，可做源地址+目的地址

多播：

一对多通信，可做目的地址

任播：

一对多中的一个通信，可做目的地址(本质上还是一对一通信)，是IPv6独有的地址。例如某台主机IP数据报中封装的目的地址是任播地址，他只会给任播组内的的一台主机发送数据报。通常是向离他最近的一台主机发送数据报。

（5）IPv6向IPv4过渡的策略

•双栈协议

双协议栈技术就是指在一台设备上同时启用IPv4协议栈和IPv6协议栈。这样的话，这台设备既能和IPv4网络通信，又能和IPv6网络通信。如果这台设备是一个路由器，那么这台路由器的不同接口上，分别配置了IPv4地址和IPv6地址，并很可能分别连接了IPv4网络和IPv6网络。如果这台设备是一个计算机，那么它将同时拥有IPv4地址和IPv6地址，并具备同时处理这两个协议地址的功能。

•隧道技术

通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式。使用隧道传递的数据(或负载可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将其它协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送。

一台主机向另一台主机发送IPv6的数据报时，中间经过的IPv4路由器，会将IPv6数据报进行封装，就是将IPv6数据报作为数据部分，将IPv4作为首部重新封装。数据报到达了IPv6路由器，路由器就会将IPv4首部去掉，继续转发给主机。

3.移动IP

移动IP技术是移动结点(计算机/服务器等)以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。

需要注意以下名词：
移动结点：具有永久IP地址的移动设备。
归属代理(本地代理)：一个移动结点的永久“居所”称为归属网络，在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理。
永久地址(归属地址/主地址)：移动站点在归属网络中的原始地址。
外部代理(外地代理)：在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体称为外部代理。
转交地址(辅地址)：可以是外部代理的地址或动态配置的一个地址。

移动IP的通信过程：

A刚进入外部网络：

1.移动结点从归属网络移动到外部/被访网络时，就会获得外部代理的转交地址(外部代理广播报文)。获得的方式有两种：被动获得和主动获得

被动获得：外部代理会在外部网络内广播一个SMP报文，这个报文中包含着外部代理的地址。移动结点收到这一报文后，就能得知这一网络的外部代理的地址了。

主动获得：移动结点主动发送一个广播报文，获得外部代理的地址。

2.收到外部代理的地址后，移动结点会通过外部代理发送注册报文给归属代理(包含永久地址&转交地址)。

3.归属代理接收请求，并将移动节点的永久地址和转交地址绑定(以后到达该归属代理的数据报且要发往移动节点的数据报将被封装并以隧道方式发给转交地址)，并返回一注册响应报文。

4.外部代理接收注册响应，并转发给移动节点。

A移动到下一个网络：

1.在新外部代理登记注册一个转交地址。
2.新外部代理给本地代理发送新的转交地址(覆盖旧的)。

A回到了归属网络：

1.A向本地代理注销转交地址。

2.按原始方式进行通信。

4.路由器

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。

如上图所示，路由器被分为两个部分，一个是路由选择部分，一个是分组转发部分。

路由选择部分也叫控制部分，这一部分会根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期地和相邻路由器交换路由信息而不断地更新和维护路由表。

路由表根据路由选择算法得出的，主要用途是路由选择，即选择下一跳的IP地址，总用软件来实现。

路由表的表项信息大致如下：

其中的默认路由是一种特殊的静态路由，指的是当路由表中与目的地址之间没有匹配的表项时，路由器会将这一分组发送给默认路由器，由默认路由器进行相应处理。

分组转发包含三个部分：输入端口，交换结构和输出端口。交换结构会根据转发表对分组进行转发。

注：若收到RIP/OSPF分组等，则把分组送往路由选择处理机；若收到数据分组，则查找转发表并输出。

转发表由路由表得来，可以用软件实现，也可以用特殊的硬件来实现。转发表必须包含完成转发功能所必需的信息，在转发表的每一行必须包含从要到达的目的网络到输出端口和某些MAC地址信息的映射。

这里需要区分转发和路由选择：转发是在路由器内部，将某个分组从输入端口转发到输出端口。

路由选择则是为从源主机到目的主机的分组选择合适的路径进行转发。

路由器对分组的处理过程：

输入端口对线路上收到的分组的处理：

分组会从物理层被接受，并传送到数据链路层，数据链路层将帧头和帧尾去掉后再发送给网络层，网络层会根据发送的分组的不同进行相应处理：若收到RIP/OSPF分组等，则把分组送往路由选择处理机；若收到数据分组，则查找转发表并输出。

当一个分组正在查找转发表时，后面又紧跟着从这个输入端口收到另一个分组。这个后到的分组就必须在队列中排队等待，因而产生了一定的时延。

可以看到输入端口中的查找和转发功能在路由器的交换功能中是最重要的。

输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路：

输出端口从交换结构接收分组，然后把它们发送到路由器外面的线路上。在网络层的处理模块中设有一个缓冲区，实际上它就是一个队列。当交换结构传送过来的分组的速率超过输出链路的发送速率时，来不及发送的分组就必须暂时存放在这个队列中。数据链路层处理模块把分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。

分组在路由器的输入端口和输出端口都可能会在队列中排队等候处理。若分组处理的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。当然，设备或线路出故障也可能使分组丢失。

5.三层设备的区别

路由器可以互联两个不同网络层协议的网段。

网桥可以互联两个物理层和链路层不同的网段。

集线器不能互联两个物理层不同的网段。

关于三层设备是否能隔离冲突域或广播域：

三.路由选择相关

1.路由选择算法

如果一个路由器连接着很多路由器，那么他的下一跳就有很多选择，应该如何进行选择呢？这就需要路由算法，路由算法会选择“最佳路由”。“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择（通常是路径最短或者经过的跳数最少或者是链路费用，链路代价最短）而已。

（1）静态路由 (非自适应路由算法)

管理员手工配置路由信息。

优点：简便、可靠，在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果很好，广泛用于高度安全性的军事网络和较小的商业网络。

缺点：路由更新慢，不适用大型网络。若某些主机加入或撤出网络，那么需要人工进行路由信息的更新。

（2）动态路由(自适应路由算法)

路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。

优点：路由更新快，适用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化。

缺点：算法复杂，增加了网络负担。

•全局性

全局性的动态路由算法的代表就是链路状态路由算法，这种算法的典型应用是OSPF协议。所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息。

•分散性

全局性的动态路由算法的代表就是距离向量路由算法，这种算法的典型应用是RIP协议。路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用。

2.路由选择协议（层次路由）

为什么要采用分层次的路由选择协议：

(1)因特网规模很大
(2)许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网。

所以产生了分层次的路由选择协议，就是把因特网分为多个自治系统AS。

自治系统AS:在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

AS内部是不知道外部使用的是什么协议的，而外部也不知道内部使用了什么协议，同时这样做也避免了路由表过于庞大，难以维护。

一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。

AS内部使用的协议称为内部网关协议IGP，常见的应用是RIP与OSPF，AS之间使用的协议称为外部网关协议EGP，常见的应用是BGP。

（1）自治系统内IGP

•RIP

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录(即一组距离)

距离通常为“跳数”，即从源端口到目的端口所经过的路由器个数，经过一个路由器跳数+1。特别的，从一路由器到直接连接的网络距离为1。RIP允许一条路由最多只能包含15个路由器，因此距离为16表示网络不可达。所以RIP协议只适用于小互联网。

例如下图，R2路由器到达Net2的最佳距离为1跳，直接交付给目的网络。到达Net1的最佳距离为2跳，下一跳是R1路由器。其他以此类推。

RIP协议中路由表的建立过程：

1.路由器仅和相邻路由器交换信息。

2.交换的是自己的路由表，即自己直到的全部信息。

3.每30秒交换一次路由信息，然后路由器根据新信息更新路由表。若超过180s（3分钟）没收到邻居路由器的通告，则判定邻居没了，并更新自己路由表。

注：路由器刚开始工作时，只知道直接连接的网络的距离(距离为1)，接着每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。

经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址，即“收敛”。

距离向量算法如何处理邻居发来的路由信息：

1.修改相邻路由器发来的RIP报文中所有表项

对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，修改此报文中的所有项目:把“下一跳”字段中的地址改为X，并把所有的“距离”字段+1。

如下图所示，X要到达Net3网络，最佳距离为2跳，下一跳R2路由器。

这一路由表项传到R1之后，则变为目标地址为Net3，下一跳为X，距离+1

2.对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤:

(1) R1路由表中若没有Net3，则把该项目填入R1路由表。

(2) R1路由表中若有Net3，则查看下一跳路由器地址:

若下一跳是X，则用收到的项目替换源路由表中的项目（更新路由表项）；

若下一跳不是X，原来距离比从X走的距离远则更新，否则不作处理。

3.若180s还没收到相邻路由器X的更新路由表，则把X记为不可达的路由器，即把距离设置为16。

4.每隔30s就更新一次，路由表就需要更新一次。

例题：

1.已知路由器R6的路由表，现收到相邻路由器R4发来的路由更新信息，试更新路由器R1的路由表:

1.首先将R4发送的路由表的“距离”+1，下一跳距离改为R4

2.逐项检查，是否需要添加到R6的路由表中

•R6路由表中没有目的地址为Net1的路由表项，直接填入即可，直接将这一表项填入R6路由表。

•R6路由表中原来就有目的地址为Net2的路由表项，原来的距离为“3”，R4发来的路由表距离为“5”，更远了，所以保留原来的路由表项不进行更新。

•对于到Net3的路由表项，R6路由表中到达Net3需要4跳，而R4发来的路由表中，到达Net3只需要2跳。所以用这一路由表项替换原来到达Net3的路由表项。

由图可知：B的向量为(5,0,8,12,6,2)，就是A到B的距离为5，B到B的距离为0，B到C的距离为8，以此类推。

C到B、D和E的延迟分别为6，3和5，也就是C到B的距离有6跳，C到D的距离有3跳，C到E的距离有5跳，以此类推。

由C到B的距离，以及B发来的向量(5,0,8,12,6,2)，那么就能得知C通过B路由器往这些节点走的跳数了，即6分别加上向量：

由C到D的距离，以及D发来的向量(16,12,6,0,9,10)，那么就能得知C通过D路由器往这些节点走的跳数了，C到E以此类推：

那么C到达所有结点的最短路径就一目了然了：（11，6，0，3，5，8）

RIP协议报文格式如下：

这里只需要知道：

1.RIP是应用层协议，使用UDP传送数据。RIP报文在传输层被封装了UDP首部，再到网络层被封装了IP首部。

2.一个RIP报文最多可包括25 个路由，若超过，必须再用一个RIP报文传送。

RIP协议的特点：好消息传得快，坏消息传得慢

RIP的特点：当网络出现故障时，要经过比较长的时间(例如数分钟)才能将此信息传送到所有的路由器，即“慢收敛”。

假设网路1出现了故障，那么R1到达网络1的路由表就会更新，将到达网络1的距离更新为16跳，表示无法到达。

这一更新的路由表，要经过30s后才能发送给R2，但是R2可能已经将自己的到达网络1的路由表项发送给R1了。

R1收到R2的更新报文后，误认为可经过 R2到达网 1，于是更新自己的路由表，即到网1的距离是3，下一跳经过 R2。然后将此更新信息发送给 R2。

R2收到R1发来的路由信息后，又更新自己的路由表为“1，4，R”，表明“我到网1距离是 4，下一跳经过 R1”。

如此反复，两者一直交换错误的信息，直到 R1和 R2到网1 的距离都增大到16时，R1和 R2才知道网1 是不可达的。

所以坏消息传的慢，而好消息传的快是指"若路由器发现了更短的路径，那么这一路由信息就会传播的很快"。

•OSPF

开放最短路径优先OSPF协议:“开放”标明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的;“最短路径优先”是因为使用了Diikstra提出的最短路经算法SPF。OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议。

OSPF协议的特点：

和谁交换信息？

使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送信息，即路由器通过输出端口向所有相邻的路由器发送信息，而每一个相邻路由器又再次将此信息发往其所有的相邻路由器。最终整个区域内所有路由器都得到了这个信息的一个副本。

交换什么信息？

发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态(本路由器和哪些路由器相邻，以及该链路的度量/代价--费用、距离、时延、带宽等）。

这里和RIP协议交换的信息作区别：RIP协议交换的是下一跳路由器，目的网络以及到达目的网络的最短距离。

多久交换？

只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器洪泛发送此信息。

最后，所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图。

链路状态路由算法：

1.每个路由器发现它的邻居结点【HELLO问候分组】，并了解邻居节点的网络地址。

2.设置到它的每个邻居的成本度量metric。

3.构造【DD数据库描述分组】，向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息。

4.如果DD分组中的摘要自己都有，则邻站不做处理；如果有没有的或者是更新的，则发送【LSR链路状态请求分组】请求自己没有的和比自己更新的信息。
5.收到邻站的LSR分组后，发送【LSU链路状态更新分组】进行更新。

6.更新完毕后，邻站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认。

只要一个路由器的链路状态发生变化：

5.泛洪发送【LSU链路状态更新分组】进行更新。泛洪发送实质上是给邻居发送，邻居再给邻居发送，邻居的邻居再给邻居发送.....

6.更新完毕后（其他站点收到更新分组后），其他站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认。

7.使用Dijkstra根据自己的链路状态数据库构造到其他节点间的最短路径。

OSPF的区域：

为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。每一个区域都有一个32位的区域标识符(用点分十进制表示)。

区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200个。

主干区域0.0.0.0（Area 0）：是整个OSPF域的中心枢纽。一个OSPF域有且只能拥有一个 Area 0，所有的区域间路由必须通过Area0中转。主干区域的路由器都称为主干路由器（BR），也包括R3和R7，但是由于R3和R7都连接在区域边界上，所以也称为区域边界路由器。

区域边界路由器（Area Border Routers，ABR）：图中R3，R4和R7都称为区域边界路由器，位于一个或多个OSPF区域边界上、将这些区域连接到主干网络的路由器。ABR被认为同时是OSPF主干和相连区域的成员，可以同时属于两个以上的区域，但其中一个必须是骨干区域（area 0）。因此，它们同时维护着描述主干拓扑和其他区域拓扑的路由选择表。

自治系统边界路由器（AS Boundary Routers，ASBR）：与其他AS交换路由信息的路由器称为ASBR，使用了多种路由协议。它位于OSPF自主系统和非OSPF网络之间。ASBR可以运行OSPF和另一路由选择协议（如RIP），把OSPF上的路由发布到其他路由协议上。只要一台OSPF路由器引入了外部路由的信息，它就成为了ASBR。ASBR必须处于非存根OSPF区域中。

综上所述，ABSR一般是位于非OSPF区域和OSPF区域间互联的路由器，而ABR是OSPF中多个区域连接区域0的路由器。

区域内部路由器（IR）：该类设备的所有接口都属于同一个OSPF区域。

采用分层次划分区域的方法，虽然使得交换信息的种类增多，OSPF协议更加复杂，但是这样也使得每个区域交换信息的通信量大大减少，因而OSPF协议能够使用在规模较大的网络中。

OSPF的分组：

OSPF直接用IP数据报传送。在考纲上OSPF被划为的协议。

对于OSPF还需要注意：

1.每隔30min，要刷新一次数据库中的链路状态。

2.由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时，OSPF协议要比距离向量协议 RIP好得多。3.OSPF不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快。

（2）自治系统间EGP

•BGP

BGP协议的特点：

与谁交换？

与其他AS的邻站BGP发言人交换信息，在配置BGP时，每个自治系统的管理员都要选择至少一个路由器作为这一自治系统的BGP发言人，一般来说，两个BGP发言人都是通过一个共享的网络连接在一起的，BGP发言人一般都是BGP边界路由器，也就是自治系统边界与外界相连的路由器。BGP路由器既会使用BGP协议，也会使用本自治系统内的内部网关协议。

交换什么？

交换的网络可达性的信息，即要到达某个网络所要经过的一系列AS。

多久交换？

与OSPF类似，发生变化时更新有变化的部分。

BGP协议交换信息的过程：

BGP所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列AS。当 BGP 发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各 AS的较好路由。同时BGP发言人也要清楚从外部接收的分组到达本自治系统后要沿着怎么的路径走（下一跳要走哪里）

例如：自治系统 AS2的 BGP 发言人通知主干网 AS1的 BGP 发言人:“要到达网络 N1、N2、N3 和 N4 可经过 AS2。”

主干网还可发出通知：“要到达网络N5、N6和N7可沿路径(AS1，AS3)。”

BGP协议报文格式：

一个BGP 发言人与其他自治系统中的 BGP 发言人要交换路由信息，就要先建立TCP 连接，即通过TCP传送，然后在此连接上交换 BGP 报文以建立 BGP 会话(session)，利用 BGP 会话交换路由信息。

BGP是应用层协议，借助TCP传送（TCP可以提供更加可靠的协议，也可以简化路由选择协议）。

对于BGP协议还需注意：

1.BGP支持CIDR，因此 BGP的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。
2.在 BGP刚刚运行时，BGP的邻站是交换整个的 BGP路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销都有好处。

BGP-4（现在最常用的BGP报文版本）的四种报文：

1.OPEN(打开)报文：用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，并认证发送方。
2.UPDATE(更新)报文：通告新路径或撤销原路径。
3.KEEPALIVE(保活)报文：在无UPDATE时，周期性证实邻站的连通性;也作为OPEN的确认。
4.NOTIFICATION(通知)报文：报告先前报文的差错;也被用于关闭连接。

（3）三种协议报文的比较

1.RIP是一种分布式的基于距离向量的内部网关路由选择协议，通过广播UDP报文来交换路由信息。

2.OSPF是一个内部网关协议，要交换的信息量较大，应使报文的长度尽量短，所以不使用传输层协议(如UDP或TCP)，而是直接采用IP
3.BGP是一个外部网关协议，在不同的自治系统之间交换路由信息，由于网络环境复杂，需要保证可靠传输，所以来用TCP。

3.IP组播

（1）IP数据报的三种传播方式

•单播

单播用于发送数据包到单个目的地，且每发送一份单播报文都使用一个单播IP地址作为目的地址。是一种点对点传输方式。

如下图所示，采用单播通信，在发送者和每一接收者之间需要单独的数据信道。

•广播

广播是指发送数据包到同一广播域或子网内的所有设备的一种数据传输方式，是一种点对多点传输方式。

•组播（多播）

当网络中的某些用户需要特定数据时，组播数据发送者仅发送一次数据，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发，是一种点对多点传输方式。

组播提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络(如果有组播路由器（运行组播协议的路由器）的支持)。

IP组播地址：

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址(一群共同需求主机的相同标识)。

组播地址范围为224.0.0.0~239.255.255.255(D类地址)，一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。

1.组播数据报也是“尽最大努力交付”，不提供可靠交付，应用于UDP。

2.对组播数据报不产生ICMP差错报文。
3.并非所有D类地址都可以作为组播地址。

IP组播分为因特网范围内的组播和硬件组播（局域网范围内的组播）

硬件组播：

同单播地址一样，组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到的。

TCP/IP 协议使用的以太网多播地址的范围是:从01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF

对于不使用的5位IP地址：

这5位是不固定的，有2^5=32种组合方式，假设两个IP地址中的这5位，一个是11111，一个是00000，并且后面的23位IP地址都是相同的。在组播中，IP地址到MAC地址的映射只在最后的23位进行映射，所以两个不同的组播IP地址映射为了同样的MAC地址，这是不允许的。所以为了解决这一问题，收到多播数据报的主机，还要在IP层利用软件进行过滤，把不是本主机要接收的数据报丢弃。

在考试中可能会考察IP地址到MAC地址的映射：

前面的24位MAC地址不变，即01005E，第24位恒为0，后面的MAC地址直接从IP地址截取最后23位，每四位转为1个16进制数即可。

因特网范围内的组播：

IGMP协议（网际组管理协议）：

IGMP协议是在一个路由器中使用的协议，用来在主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系。IGMP协议让路由器知道本局域网上是否有主机(的进程)参加或退出了某个组播组。

例如下图，R4连接的主机中并没有这一组播组的成员，那么R4路由器就需要通过IGMP协议判断是否应该将组播数据报发给局域网中的主机。

但是注意，IGMP协议并不知道某个局域网中组播组的成员个数，也不知道组播组成员在哪个局域网中，他只知道是否有某个主机参加或退出了组播组。

IGMP的两个阶段：

阶段1：
某主机要加入组播组时，该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声明自己要成为该组的成员。本地组播路由器收到IGMP报文后，要利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器。

阶段2：
本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还是组播组的成员。

只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的；如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。

注：组播路由器知道的成员关系只是所连接的局域网中有无组播组的成员，并不知道这一组的成员有多少个等详细信息。

组播路由选择协议：

组播路由协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。构造树可以避免在路由器之间兜圈子。
对不同的多播组对应于不同的多播转发树；同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。

组播路由选择协议常使用的三种算法:

•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(稀疏/密集)

前面两个我们已经认识了，简单介绍一下最后一个算法：

这里的“无关”指的是给组播提供路由信息的可以是静态路由、RIP、OSPF、BGP等任何一种单播路由协议。组播路由和单播路由协议无关，只要通过单播路由协议能够产生相关组播路由表项即可。

稀疏模式适用于 小型网络，组播组成员相对比较密集。

密集模式适用于范围较广、 大中型网络（任何网络），组成员分布相对分散。

这里不要求掌握太深，如果向深入学习，推荐这篇：

http://t.csdnimg.cn/zNDfJ

四.SDN（Software-Defined Networking）的基本概念

路由器的主要功能就是实现转发和路由选择：

转发解决的问题是到达路由器输入链路之一的数据报如何转发到该路由器的输出链路之一。在路由器内部实现，时间较短，通常使用硬件解决。

路由选择解决的问题是控制数据报沿着从源主机到目的主机的端到端路径中路由器之间的路由方式。路径较长，时间长，通常用软件解决。

两个过程分离开来描述就是数据平面和控制平面，数据平面用于表示转发的过程，控制平面用来表示路由选择的过程，具体地：

数据平面用于数据处理过程中各种具体处理转发过程。

控制平面用于控制和管理网络协议的运行，比如OSPF协议、RIP协议、BGP协议。

1.数据平面

数据平面执行的主要功能是根据转发表进行转发，这是路由器的本地动作。转发表的计算和路由表的生成都不是数据平面规定的。

2.控制平面

•传统方法（每路由器法）

路由选择算法运行在每台路由器中，并且在每台路由器中都包含转发和路由选择两种功能。具体地，在一台路由器中的路由选择算法与其他路由器中的路由选择算法通信(通过交换路由选择报文)计算出路由表和转发表。

传统方法中数据平面与控制平面描述的都是一个路由器内转发和路由选择的过程。

•SDN方法

控制平面将路由器从物理上分离。路由器仅实现转发，远程控制器计算和分发转发表以供每台路由器所使用。远程控制器可能在具有高可靠性的远程数据中心中，并可能由ISP或某些第三方管理。

具体地，路由器通过交换包含转发表和其他路由选择信息的报文与远程控制器通信。因为计算转发并与路由器交互的控制器是用软件（可编程）实现的，所以网络是“软件定义的”。

传统方法：

路由选择处理器执行控制平面功能。在传统的路由器中，它执行路由选择协议，维护路由选择表，关联链路状态信息，并为该路由器计算转发表。
SDN方法：

在SDN路由器中，由远程控制器执行控制平面的功能。路由选择处理器负责于远程控制器通信，目的是接收远程控制器计算的转发表项，再将转发表项发送给相应路由器。

SDN控制平面中的组件：SDN控制器与网络控制应用程序

（1）SDN控制器：维护准确的网络状态信息(远程链路、交换机和主机的状态)；为运行在控制平面中的网络控制应用程序提供这些信息(逻辑上是集中的，在物理层面是在多台服务器上实现)。

SDN控制器中包含三个层次：

•对于网络控制应用程序的接口:

SDN控制器通过“北向接口”与网络控制应用程序交互。该API允许网络控制应用程序在状态管理层之间读写网络状态。

•网络范围状态管理层:

由SDN控制平面作出的最终控制决定将要求控制器具有有关网络的主机、链路等最新状态信息。