網絡層概述
網絡層的目的是實現兩個端系統之間的數據透明傳送，具體功能包括尋址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。它提供的服務使傳輸層不需要了解網絡中的數據傳輸和交換技術。如果您想用盡量少的詞來記住網絡層，那就是”路徑選擇、路由及邏輯尋址”。
網絡層中涉及眾多的協議，其中包括最重要的協議，也是TCP/IP的核心協議——IP協議。IP協議非常簡單，僅僅提供不可靠、無連接的傳送服務。IP協議的主要功能有：無連接數據報傳輸、數據報路由選擇和差錯控制。與IP協議配套使用實現其功能的還有地址解析協議ARP、逆地址解析協議RARP、因特網報文協議ICMP、因特網組管理協議IGMP。
IP協議詳解
虛擬互連網絡
實際的計算機網絡是錯綜複雜的，物理設備通過使用IP協議，屏蔽了物理網絡之間的差異，當網絡中的主機使用IP協議連接時，則無需關注網絡細節。IP協議使得複雜的實際網絡變為一個虛擬互連的網絡，還使得網絡層可以屏蔽底層細節而專註網絡層的數據轉發，IP協議解決了在虛擬網絡中數據報傳輸路徑的問題。
IP地址長度為32位，常分成4個8位，IP地址常使用點分十進制來表示(0~255.0~255.0~255.0~255)，也就是共有\(2^{32} = 4294961296\)個IP地址。下圖是IP協議的格式：
我們來看看IP協議的首部：
| 4位版本 | 4位首部長度 | 8位服務類型（TOS） | 16位總長度（字節） | ||||
| 16位標識 | 3位標誌 | 13位片偏移 | |||||
| 8位生存時間(TTL) | 8位協議 | 16位首部校驗和 | |||||
| 32位源IP地址 | |||||||
| 32位目的IP地址 | |||||||
| 選項options（若有） | |||||||
| IP數據 | |||||||
版本：佔4位，指的是IP協議的版本，通信雙方的版本必須一致，當前主流版本是4，即IPv4，也有IPv6
首部位長度：佔4位，最大數值為15，表示的是IP首部長度，單位是“32位字”（4個字節），也即是IP首部最大長度為60字節
總長度：佔16位，最大數值為65535，表示的是IP數據報總長度（IP首部+IP數據）
TTL：佔8位，表明IP數據報文在網絡中的壽命，每經過一個設備，TTL減1，當TTL=0時，網絡設備必須丟棄該報文。作用：避免數據在網絡中無限傳輸，當這個網絡報文找不到目的機器時，而進行無限傳輸，來浪費帶寬資源
協議：佔8位，表明IP數據所攜帶的具體數據是什麼協議的（如：TCP、UDP等）
| 協議名 | ICMP | IGMP | IP | TCP | UDP | OSPF | … |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 字段值 | 1 | 2 | 4 | 6 | 17 | 89 | … |
首部校驗和：佔16位，校驗IP首部是否有出錯
IP協議的轉發流程
在數據鏈路層的學習中我們知道了MAC地址表，由於IP協議的轉發是通過逐跳(hop-by-hop)來實現的，所以在網絡層中，存在一個類似於MAC地址表的路由表，路由表是存儲的目的IP地址和下一跳IP地址的映射，計算機或者路由器都擁有路由表。路由表如下：
| 目的IP地址 | 下一跳IP地址 |
|---|---|
| IP1 | IP4 |
| IP2 | IP5 |
| IP3 | IP6 |
| … | … |
A設備是如何跨設備將數據發送給C設備的呢？
A設備向C設備在網絡層中傳輸數據的過程如下：
- A發出目的地為C的IP數據報，查詢路由表發現下一跳為E
- A將數據報發送給E
- E查詢路由表發現下一跳為F，將數據報發送給F
- F查詢路由表發現目的地C直接連接，將數據報發送給C
現在結合數據鏈路層和網絡層，再來看一下跨設備傳輸數據的過程：
- A發出目的地為C的IP數據報，查詢路由表發現下一跳為E
- A將IP數據報交給數據鏈路層，並告知目的MAC地址是E
- 數據鏈路層填充源MAC地址A和目的MAC地址E
- 數據鏈路層通過物理層將數據發送給E
- E的數據鏈路層接收到數據幀，把幀數據交給網絡層
- E查詢路由表，發現下一跳為F
- E把數據報交給數據鏈路層，並告知目的MAC地址為F
- E的數據鏈路層封裝數據幀併發送
- F的數據鏈路層接收到數據幀，把幀數據交給網絡層
- F查詢路由表，發現下一跳為C
- F把數據報交給數據鏈路層，並告知目的MAC地址為C
- F的數據鏈路層F封裝數據幀併發送
從IP協議的轉發流程中我們可以看到：數據幀每一跳的MAC地址都在變化，但IP數據報每一跳的IP地址始終不變。但我們會發現一個問題，在網絡層中將數據報交給數據鏈路層，並且需要告知目的MAC地址，但是在網絡層中只知道IP地址，我們是如何知道目的MAC地址的呢？這就是ARP協議做的事情了。
ARP協議
ARP(Address Resolution Protocol)地址解析協議，將網絡層中的32位IP地址，通過ARP協議解析為數據鏈路層中的48位MAC地址。這個映射關係是存儲在ARP緩存表中的。arp -a命令：查看ARP緩存表
| 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緩存表是ARP協議和RARP協議運行的關鍵，ARP緩存表緩存了IP地址到硬件地址之間的映射關係，ARP緩存表中的記錄並不是永久有效的，有一定的期限。這是因為當你的網絡設備，換個網絡環境，網絡設備的IP地址就可能會發生改變，ARP緩存表中的原來的記錄就失效了。當ARP緩存表中有映射關係，就直接查詢ARP緩存表；如果沒有這個映射關係，ARP協議就會廣播，並記錄回應得地址信息。
RARP(Reverse Address Resolution Protocol)逆地址解析協議，其作用與ARP協議相反，即把數據鏈路層中48位MAC地址，解析位網絡層中的32位IP地址。(R)ARP協議是TCP/IP協議棧裏面基礎的協議，ARP和RARP的操作對程序員是透明的，理解(R)ARP協議有助於理解網絡分層的細節。
IP地址的子網劃分
分類的IP地址
| 最小網絡號 | 最大網絡號 | 子網數量 | 最小主機號 | 最大主機號 | 主機數量 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 | \(2^{8}\) |
特殊的主機號：主機號全0表示當前網絡段，不可分配為特定主機；主機號為全1表示廣播地址，向當前網絡段所有主機發消息
- A類地址網絡段全0(00000000)表示特殊網絡
- A類地址網絡段后7位全1(01111111:127)表示迴環地址
- B類地址網絡段(10000000.00000000:128.0)是不可使用的
- C類地址網絡段(192.0.0)是不可使用的
實際可使用各類IP地址如下：
| 最小網絡號 | 最大網絡號 | 子網數量 | 最小主機號 | 最大主機號 | 主機數量 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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，通常被稱為本地迴環地址(Loopback Address)，不屬於任何一個有類別地址類。它代表設備的本地虛擬接口，所以默認被看作是永遠不會宕掉的接口。在Windows操作系統中也有相似的定義，所以通常在安裝網卡前就可以ping通這個本地迴環地址。一般都會用來檢查本地網絡協議、基本數據接口等是否正常的。
劃分子網
隨着互連網應用的不斷擴大，原先的IPv4的弊端也逐漸暴露出來，即網絡號佔位太多，而主機號位太少，所以其能提供的主機地址也越來越稀缺，目前除了使用NAT在企業內部利用保留地址自行分配以外，通常都對一個高類別的IP地址進行再劃分，以形成多個子網，提供給不同規模的用戶群使用。這裏主要是為了在網絡分段情況下有效地利用IP地址，通過對主機號的高位部分取作為子網號，從通常的網絡位界限中擴展或壓縮子網掩碼，用來創建某類地址的更多子網。但創建更多的子網時，在每個子網上的可用主機地址數目會比原先減少。
上圖就把原來的C類地址劃分成了兩個子網。
但子網號這麼多，有沒有辦法快速判斷某個IP的網絡號？這就是子網掩碼的作用了，子網掩碼是標誌兩個IP地址是否同屬於一個子網的，也是32位二進制地址，其每一個為1代表該位是網絡位，為0代表主機位。它和IP地址一樣也是使用點式十進制來表示的。如果兩個IP地址在子網掩碼的按位與的計算下所得結果相同，即表明它們共屬於同一子網中。
子網掩碼由連續的1和連續的0組成，某一個子網的子網掩碼具備網絡號位數個連續的1
在計算子網掩碼時，我們要注意IP地址中的保留地址，即” 0″地址和廣播地址，它們是指主機地址或網絡地址全為” 0″或” 1″時的IP地址，它們代表着本網絡地址和廣播地址，一般是不能被計算在內的。
無分類編址CIDR
CIDR中沒有A、B、C類網絡號、和子網劃分的概念，CIDR將網絡前綴相同的IP地址稱為一個“CIDR地址塊”，注意網絡前綴是任意位數的。
| 網絡前綴 | 主機號 |
|---|
斜線記法：193.10.10.129/25 使用二進製表示：11000001.00001010.00001010.10000001
無分類地址CIDR相比原來的子網劃分更加 靈活：
| CIDR前綴長度 | 掩碼點分十進制 | 地址數 |
|---|---|---|
| /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 |
網絡地址轉換NAT技術
IPv4最多只有40+億個IP地址，早期IP地址的不合理規劃導致IP號浪費。在介紹NAT技術之前，首先要知道內網地址和外網地址。
- 內網地址：內部機構使用，避免與外網地址重複。三類內網地址如下：
- 10.0.0.0~10.255.255.255（支持千萬數量級設備）
- 172.16.0.0~172.31.255.255（支持百萬數量級設備）
- 192.168.0.0~192.168.255.255（支持萬數量級設備）
- 外網地址：全球範圍使用，全球公網唯一
網絡地址轉換技術是發生在本地路由器的，主要功能就是把內網的IP地址轉成外網的IP地址來進行外部的通信，並且在接收到數據之後，再把外網IP地址映射成內網IP地址，轉發到具體的某個設備上面去。
內網多個設備使用同一個外網IP請求外網的服務，外部怎麼知道具體是哪個設備在請求的？網絡地址轉換NAT的英文全稱是Network Address Translation，NAT技術用於多個主機通過一個公有IP訪問互聯網的私有網絡中，外部主要是通過端口號來區分到底是內網的哪一個設備進行請求的，這其中有一個NA(P)T表表：示例如下：
| 方向 | 舊的地址和端口號 | 新的地址與端口號 |
|---|---|---|
| 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減緩了IP地址的消耗，但是增加了網絡通信的複雜度
ICMP協議
ICMP協議全稱是網際控制報文協議（Internet Control Message Protocol）,ICMP協議可以報告錯誤信息或者異常情況
ICMP協議首部:
| 8位類型 | 8位代碼 | 16位校驗和 |
| ICMP報文數據 | ||
ICMP報文分為：差錯報告報文和詢問報文:
| ICMP報文種類 | 類型的值 | 報文類型 | 具體代碼 |
| 差錯報告報文 | 3（終點不可達） | 網絡不可達 | 0 |
| 主機不可達 | 1 | ||
| 5（重定向） | 對網絡重定向 | 0 | |
| 對主機重定向 | 1 | ||
| 11 | 傳輸超時 | – | |
| 12 | 壞的IP頭 | 0 | |
| 缺少其他必要參數 | 1 | ||
| 詢問報文 | 0或8 | 回送(Echo)請求或應答 | – |
| 13或14 | 時間戳(Timestamp)請求或應答 | – |
ICMP協議的應用
ping應用：我們可以通過ping命令進行簡單的網絡故障排查：
- ping本地迴環地址，一般情況下，都會得到返回的，如果得不到返回，則說明你的計算機的協議棧出現了問題，這個時候就可能需要重裝系統，或者是重新安裝這個協議棧
- ping網關地址，即路由器地址，如果能得到返回的話，則說明本機到路由器的通路是通的，如果沒有返回的話，則說明你的wifi，或者你的網線連接是有問題的
- ping遠端地址，如果不通的話，則說明你的家到ISP之間的網絡是故障的，此時就需要聯繫網絡服務商（移動、電信、聯通）進行排查。
Traceroute應用：Traceroute可以探測IP數據報在網絡中走過的路徑
路由概述
思考：路由表中的下一跳地址是怎麼來的？下一跳地址是唯一的嗎？下一跳地址是最佳的嗎？路由器怎麼多，他們是怎麼協同工作的？為了解決這些問題，路由表需要一個好的算法去解決這些事情。路由算法實際上是圖論的算法，由於網絡環境複雜，使得路由算法要比圖論的算法更複雜。
由於互聯網的規模是非常大的，互聯網環境是非常複雜的，所以我們需要對互聯網進行劃分。自治系統(Autonomous System)是指處於一個管理機構下的網絡設備群，AS內部網絡自行管理，AS對外提供一個或者多個出（入）口。自治系統內部路由的協議稱為：內部網關協議(RIP、OSPF)， 自治系統外部路由的協議稱為：外部網關協議(BGP)。
路由算法
路由算法的本質是距離矢量（DV）算法， 距離矢量（DV）算法介紹如下：
- 每一個節點使用兩個向量\(D_i\)和\(S_i\)
- \(D_i\)描述的是當前節點到別的節點的距離
- \(S_i\)描述的是當前節點到別的節點的下一節點
- 每一個節點與相鄰的節點交換向量\(D_i\)和\(S_i\)的信息
- 每一個節點根據交換的信息更新自己的節點信息
現在假設有A的距離矢量信息，收到的距離矢量信息如下圖：
A通過B到各個節點得距離矢量信息如下：
A通過C到各個節點得距離矢量：並更新下一條的節點
A通過D到各個節點得距離矢量：並更新下一條的節點
A通過F到各個節點得距離矢量：並更新下一條的節點
RIP協議
RIP(Routing Information Protocol)協議，RIP協議是使用DV算法的一種路由協議。RIP協議把網絡的跳數(hop)作為DV算法的距離，每隔30s交換一次路由信息，認為跳數>15的路由則為不可達路由。
RIP協議的過程
- 路由器初始化路由信息(兩個向量\(D_i\)和\(S_i\))
- 對相鄰路由器X發過來的信息，對信息的內容進行修改（下一跳地址設置為X，所有距離加1）
- 檢索本地路由，將信息中新的路由插入到路由表裡面
- 檢索本地路由，對於下一跳為X的，更新為修改后的信息
- 檢索本地路由，對比相同目的的距離，如果新信息的距離更小，則更新本地路由表
- 如果3分鐘沒有收到相鄰的路由信息，則把相鄰路由設置為不可達(16跳)
RIP協議的優缺點：
- 優點：實現簡單，開銷很小。
- 缺點：故障信息傳遞慢。也就是隨便相信“隔壁老王”，“自己不思考” “視野不夠”。因為RIP協議每一個路由器它只看到相鄰路由器的信息，而看不到更遠的路由器信息，這也限制了網絡的規模。
內部網關路由協議之OSPF協議
鏈路狀態（LS）協議
鏈路狀態（LS）協議：向所有的路由器發送消息，也就是一傳十、十傳百，只和相鄰的路由器交換信息。消息描述該路由器與相鄰路由器的鏈路狀態，每隔30s交換路由信息，只有鏈路狀態發生變化時，才發送更新信息。
Dijkstra（迪傑斯特拉）算法
Dijkstra算法是著名的圖算法，Dijkstra算法解決有權圖從一個節點到其他節點的最短路徑問題，“以起始點為中心，向外層層擴展”。
Dijkstra（迪傑斯特拉）算法定義：
- 初始化兩個集合(S, U)（S為只有初始頂點點A的集合，U為其他頂點集合）
- 如果U不為空， 對U集合頂點進行距離的排序，並取出距離A最近的一個頂點D
i. 將頂點D的納入S集合
ii. 更新通過頂點D到達U集合所有點的距離（如果距離更小則更新，否則不更新）
iii. 重複2步驟 - 直到U集合為空，算法完成
OSPF協議的過程
OSPF(Open Shortest Path First：開放最短路徑優先)，OSPF協議的核心是Dijkstra算法。OSPF協議的過程：路由器接入網絡，路由器向鄰居發出問候信息，與鄰居交流鏈路狀態數據庫，廣播和更新未知路由。
| RIP協議 | OSPF協議 |
|---|---|
| 從鄰居看網絡 | 整個網絡的拓撲 |
| 在路由器之間累加距離 | Dijkstra算法計算最短路徑 |
| 頻繁、周期更新，收斂很慢 | 狀態變化更新，收斂很快 |
| 路由間拷貝路由信息 | 路由間傳遞鏈路狀態，自行計算路徑 |
外部網關路由協議之BGP協議
BGP(Border Gateway Protocol: 邊際網關協議)，BGP協議是運行在AS之間的一種協議。由於互聯網的規模很大，AS內部使用不同的路由協議。
AS之間需要考慮除網絡特性以外的一些因素（政治、安全…），BGP(Border Gateway Protocol，邊界網關協議)，BGP協議能夠找到一條到達目的比較好的路由，AS之間通過BGP發言人來進行路由信息的交換。BGP發言人(speaker)：BGP並不關心內部網絡拓撲，AS之間通過BGP發言人交流信息，BGP Speaker可以人為配置策略。
總結：網絡層負責對子網間的數據包進行路由選擇。此外，網絡層還可以實現擁塞控制、網際互連等功能；網絡層的基本數據單位為IP數據報；包含的主要協議：IP協議（Internet Protocol，因特網互聯協議）、ICMP協議（Internet Control Message Protocol，因特網控制報文協議）、ARP協議（Address Resolution Protocol，地址解析協議）以及RARP協議（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析協議）。網絡層重要的設備是路由器。常見的路由選擇協議有：RIP協議、OSPF協議。RIP協議 ：底層是貝爾曼福特算法，它選擇路由的度量標準（metric)是跳數，最大跳數是15跳，如果大於15跳，它就會丟棄數據包；OSPF協議 ：Open Shortest Path First開放式最短路徑優先，底層是迪傑斯特拉算法，是鏈路狀態路由選擇協議，它選擇路由的度量標準是帶寬，延遲。
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