4.1 网络层的几个重要概念
4.1.1 网络层提供的两种服务
++如果主机（即端系统）进程之间需要进行可靠的通信，那么就由主机中的运输层负责（包括差错处理、流量控制等）。++
4.1.2 网络层的两个层面
4.2 网际协议 IP
图4-4 网际协议 IP 及其配套协议
4.2.1 虚拟互连网络
从一般的概念来讲，将网络互相连接起来要使用一些中间设备。根据中间设备所在的层次，可以有以下四种不同的中间设备：
（1）++物理层 使用的中间设备叫作转发器(repeater)。++
（2）数据链路层使用的中间设备叫作网桥 或桥接器 (bridge)，以及交换机(switch)。
（3）++网络层使用的中间设备叫作路由器(router)。++
（4）在网络层以上使用的中间设备叫作网关(gateway)。用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换。
++讨论网络互连时，都是指用路由器进行网络互连和路由选择。++
在互联网的词汇中，++分组在传送途中的每一次转发都称为一"跳(hop)"。++
4.2.2 IP 地址
IP 地址编址方式有 3 种：分类、子网划分、无分类。
1. IP 地址及其表示方法
对主机或路由器来说，++IP 地址都是 32 位的二进制代码++（IPv4）。
一个 IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。
2. 分类的 IP 地址
图4-10 分类的 IP 地址(a)以及各类地址所占的比例(b)
但要注意，第一，++网络号为全 0 的 IP 地址有特殊的用途，它表示"本网络"++ ；第二，++网络号为127（即01111111）保留作为本地软件环回测试(loopback test)本主机的进程之间的通信之用++。
这里要指出，由于近年来已经广泛使用无分类 IP 地址进行路由选择（即++网络位任意，主机位全 0，网络主机 ID++），A 类、B 类和 C 类这种分类地址已成为历史[RFC 1812]。
3. 无分类编制 CIDR
这种编制方法的全名是无分类域间路由选择 CIDR(Classless Inter-Domain Routing，CIDR 的读音是"sider")[RFC 4632]，其要点有以下三个。
（1）网络前缀
（2）地址块
（3）地址掩码
地址掩码（常简称为掩码， 又称为子网掩码）由一连串 1 和接着的一连串 0 组成，而 1 的个数就是网络前缀的长度。
++把二进制的 IP 地址和地址掩码进行按位 AND 运算，即可得出网络地址。++
4. IP 地址的特点
4.2.3 IP 地址与 MAC 地址
这里要强调指出以下几点：
（1）在 IP 层抽象的互联网上只能看到 IP 数据报。
（2）虽然在 IP 数据报首部有源站 IP 地址，但**++路由器只根据目的站的 IP 地址进行转发++**。
（3）在局域网的链路层，只能看见 MAC 帧。
（4）尽管互连在一起的网络的 MAC 地址体系各不相同，但 IP 层抽象的互联网却屏蔽了下层这些很复杂的细节。只要我们在网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象的 IP 地址研究主机和主机或路由器之间的通信。
4.2.4 地址解析协议 ARP
(a)主机 A 广播发送 ARP 请求分组（广播请求）
(b)主机 B 向 A 发送 ARP 响应分组（单播）
图4-18 地址解析协议 ARP 的工作原理
然而++IP 编址把这个复杂问题解决了++。连接到互联网的主机只需各自拥有一个 IP 地址，它们之前的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，即使必须多次调用 ARP 来找到 MAC 地址，但这个过程都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见的。
4.2.5 IP 数据报的格式
图4-20 IP 数据报的格式
从图4-20 可以看出，++一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分长度是固定的，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。++
下面介绍首部各字段的意义。
1. IP 数据报首部的固定部分中的各字段
（1）版本
（2）首部长度
（3）区分服务
（4）总长度
总长度指首部和数据之和的长度，单位为字节。总长度字段为 16 位，因此++数据报的最大长度为 
字节++。
（5）标识(identification)
（6）标志(flag)
占 3 位，但目前只有两位有意义。
- 标志字段中的最低位为 MF (More Fragment)。MF = 1即表示后面"还有分片"的数据报。MF = 0表示这已是若干数据报片中的最后一个。
- 标志字段中间的一位记为 DF (Don't Fragment)，意思是"不能分片 "。++只有当 DF = 0 时才允许分片。++
（7）片偏移
++占 13 位。片偏移指出：较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。这就是说，除最后一个数据报片外，其它每个分片的长度一定是 8 字节（64 位）的整数倍。++
（8）生存时间
（9）协议
（10）首部检验和
（11）源地址
（12）目的地址
2. IP 数据报首部的可变部分
4.3 IP 层转发分组的过程
4.3.1 基于终点的转发
++分组每到达一个路由器，路由器就根据分组中的终点（目的地址）查到转发表，然后就得知下一跳应当到哪一个路由器。++
4.3.2 最长前缀匹配
4.3.3 使用二叉线索树查找转发表
4.4 网际控制报文协议 ICMP
4.4.1 ICMP 报文的种类
4.4.2 ICMP 的应用举例
4.5 IPv6
4.5.1 IPv6 的基本首部
++在 RFC 8200 中定义了以下六种扩展首部：（1）逐跳选项；（2）路由选择；（3）分片；（4）鉴别；（5）封装安全有效载荷；（6）目的站选项。++
4.5.2 IPv6 的地址
一般来讲，一个 IPv6 数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一：
（1）单播(unicast) 单播就是传统的点对点通信。
（2）多播(multicast) 多播是一点对多点的通信，数据报发送到一组计算机中的每一个。
（3）++任播(anycast) 这是 IPv6 增加的一种类型++。任播的终点是一组计算机，但数据报只交付其中的一个，通常是按照路由算法得出的距离最近的一个。
4.5.3 从 IPv4 向 IPv6 过渡
4.5.4 ICMPv6
4.6 互联网的路由选择协议
4.6.1 有关路由选择协议的几个基本概念
1. 理想的路由算法
路由选择协议的核心就是路由算法，即需要何种算法来获得路由表中的各项目。一个理想的路由算法应具有如下的一些特点[BELL86]：
（1）算法必须是正确的和完整的。
（2）算法在计算上应简单。
（3）算法应能适应通信量和网络拓扑的变化，这就是说，要有自适应性。
（4）算法应具有稳定性。
（5）算法应是公平的。
（6）算法应是最佳的。
++所谓"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而已。++
2. 分层次的路由选择协议
这样，++互联网就把路由选择协议划分为两大类++，即：
（1）内部网关协议 IGP (Interior Gateway Protocol)：具体的协议有很多种，++如 RIP 和 OSPF 等++。
（2）外部网关协议 EGP(External Gateway Protocol)：目前使用的协议是 BGP-4。
4.6.2 内部网关协议 RIP
1. 协议 RIP 的工作原理
++RIP(Routing Information Protocol)是内部网关协议 IGP 中最先得到广泛使用的协议[RFC 1058]++ ，它的中文译名是路由信息协议。RIP 是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是互联网的标准协议，其最大优点就是简单。
++RIP 允许一条路径最多包含 15 个网络。因此"距离"等于 16 时即相当于不可达。++ 可见 RIP 只适用于小型互联网。
协议 RIP 的特点是：
（1）++仅和相邻路由器交换信息。++
（2）路由器++交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己现在的路由表。++
（3）++按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔 30 秒。++
2. 距离向量算法
3. 坏消息传播得慢
4.6.3 内部网关协议 OSPF
1. 协议 OSPF 的基本特点
++OSPF 最主要的特征就是使用链路状态协议++ (link state protocol)，而不是像 RIP 那样的距离向量协议。++协议 OSPF 的特点是++：
（1）++向本自治系统中所有路由器发送信息++ 。这里使用的方法是**++洪泛法++**(flooding)，这就是路由器通过所有输出端口向所有相邻的路由器发送信息。
（2）++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++ ，但这只是路由器所知道的部分信息。
（3）++当链路状态发生变化或每隔一段时间（如 30 分钟），路由器向所有路由器用洪泛法发送链路状态信息++。
2. OSPF 的五种分组类型
4.6.4 外部网关协议 BGP
1. 协议 BGP 的主要特点
我们知道，内部网关协议（如 RIP 或 OSPF）主要是设法使数据报在一个 AS 种尽可能有效地从源站传送到目的站。在一个 AS 内部也不需要考虑其它方面的策略。然而 BGP 使用的环境却不同。这主要是因为以下的两个原因：
第一，互联网的规模太大，使得自治系统 AS 之间的路由选择非常困难。
第二，++自治系统 AS 之间的路由选择必须考虑有关策略++。
由于上述情况，边界网关协议 BGP 只能是力求选择 出一条能够到达目的网络前缀且比较好 的路由（不能兜圈子），++而并非要计算出一条最佳路由++ 。++BGP采用了路径向量(path vector)路由选择协议++，它与距离向量协议（如 RIP）和链路状态协议（如 OSPF）都有很大的区别。
2. BGP 路由
3. 三种不同的自治系统 AS
4. BGP 的路由选择
5. BGP 的四种报文
4.6.5 路由器的构成
1. 路由器的结构
图4-54 典型的路由器的结构（图中的数字1~3表示相应层次的构件）
从图4-54 可以看出，++整个的路由器结构可划分为两大部分：路由选择 部分和分组转发部分++。
2. 交换结构
4.7 IP 多播
4.7.1 IP 多播的基本概念
4.7.2 在局域网上进行硬件多播
4.7.3 网际组管理协议 IGMP 和多播路由选择协议
4.8 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT
4.8.1 虚拟专用网 VPN（安全）
为了解决这种仅在内部使用的本地地址和互联网中某个 IP 地址重合所出现地址的二义性问题，++RFC 1918++ 指明了一些专用地址 (private address，即私有地址)。专用地址只能用作本地地址而不能用作全球地址。在互联网中的所有路由器，对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。2013 年 4 月，RFC 6890 全面地给出了所有特殊用途的 IPv4 和 IPv6 地址，但三个 IPv4 专用地址块的指派并无变化，即
（1）10.0.0.0/8，即从 10.0.0.0 到 10.255.255.255。
（2）172.16.0.0/12，即从 172.16.0.0 到 172.31.255.255。
（3）192.168.0.0/16，即从 192.168.0.0 到 192.168.255.255。
++有时一个机构的 VPN 需要有某些外部机构 （通常就是合作伙伴）参加进来。这样的 VPN 就称为外联网++（extranet 或 extranet VPN，即外联网 VPN）。
4.8.2 网络地址转换
++装有 NAT 软件的路由器叫作 NAT 路由器，它至少有一个有效的外部全球 IP 地址。++