计算机网络：（九）网络层（下）超详细讲解互联网的路由选择协议、IPV6与IP多播

珹洺2025-07-17 10:21

计算机网络：（九）网络层（下）超详细讲解互联网的路由选择协议、IPV6与IP多播

  • 前言
  • 一、互联网的路由选择协议
    • [1. 什么是"路由"？](#1. 什么是“路由”？)
    • [2. 理想的路由算法](#2. 理想的路由算法)
    • [3. 为什么"最佳路由"没有标准答案？](#3. 为什么“最佳路由”没有标准答案？)
    • [4. 路由算法怎么应对网络变化？两种策略](#4. 路由算法怎么应对网络变化？两种策略)
  • [二、内部网关协议 RIP](#二、内部网关协议 RIP)
  • [三、内部网关协议 OSPF](#三、内部网关协议 OSPF)
    • [1. 为什么需要OSPF？](#1. 为什么需要OSPF？)
    • [2. OSPF的核心逻辑（共享地图）](#2. OSPF的核心逻辑（共享地图）)
      • [（1） 什么是"链路状态"？](#（1） 什么是“链路状态”？)
      • [（2） 洪泛法：让"路况"传遍全网](#（2） 洪泛法：让“路况”传遍全网)
    • [3. 链路状态数据库（全网共用一张地图）](#3. 链路状态数据库（全网共用一张地图）)
    • [4. 区域划分：给大网络"分片区"管理](#4. 区域划分：给大网络“分片区”管理)
    • [5. OSPF的传输方式：直接发IP包，简单可靠](#5. OSPF的传输方式：直接发IP包，简单可靠)
    • 6.OSPF的五种消息类型
    • [7. OSPF的其他能力](#7. OSPF的其他能力)
    • [8. OSPF vs RIP：](#8. OSPF vs RIP：)
  • [四、外部网关协议 BGP](#四、外部网关协议 BGP)
    • [1. 为什么AS之间需要专门的BGP协议？](#1. 为什么AS之间需要专门的BGP协议？)
    • [2. BGP的核心任务：找到"可达且合适"的跨AS路径](#2. BGP的核心任务：找到“可达且合适”的跨AS路径)
    • [3. BGP怎么工作？](#3. BGP怎么工作？)
    • 4、BGP的"路径向量"：
    • [6. BGP交换信息的特点：](#6. BGP交换信息的特点：)
      • [1. 只交换必要的路由信息](#1. 只交换必要的路由信息)
      • [2. 路由选择靠"策略"而非"技术指标"](#2. 路由选择靠“策略”而非“技术指标”)
    • [7. BGP的四种报文类型](#7. BGP的四种报文类型)
    • [8. BGP和内部协议（RIP/OSPF）的核心区别](#8. BGP和内部协议（RIP/OSPF）的核心区别)
  • 五、路由器的构成
    • [1. 路由器到底是干什么的？](#1. 路由器到底是干什么的？)
    • 2.路由器的两大部分协同工作
    • [3. "转发"和"路由选择"不是一回事](#3. “转发”和“路由选择”不是一回事)
    • [4. 数据分组在路由器里的流程](#4. 数据分组在路由器里的流程)
    • [5. 为什么会丢包？](#5. 为什么会丢包？)
    • [6. 交换结构：路由器的传送带的三种设计](#6. 交换结构：路由器的传送带的三种设计)
      • （1）通过存储器交换："先存再取"
      • [（2） 通过总线交换："共用一条传送带"](#（2） 通过总线交换：“共用一条传送带”)
      • [（3） 纵横交换结构："立交桥式交换"](#（3） 纵横交换结构：“立交桥式交换”)
  • 六、IPV6
    • [1. 为什么需要IPv6？](#1. 为什么需要IPv6？)
    • [2. IPv6的基本首部：](#2. IPv6的基本首部：)
    • [3. IPv6的地址](#3. IPv6的地址)
      • [（1） IPv6地址长什么样？](#（1） IPv6地址长什么样？)
      • [（2） IPv6地址的类型：三种"通信方式"](#（2） IPv6地址的类型：三种“通信方式”)
      • [（3） 特别的"本地地址"](#（3） 特别的“本地地址”)
    • [4. 从IPv4向IPv6过渡](#4. 从IPv4向IPv6过渡)
      • [1. 双栈技术](#1. 双栈技术)
      • [2. 隧道技术](#2. 隧道技术)
      • [3. NAT64](#3. NAT64)
    • [5. ICMPv6：IPv6的"助手协议"](#5. ICMPv6：IPv6的“助手协议”)
  • [七、IP 多播](#七、IP 多播)
    • [1. 什么是IP多播？](#1. 什么是IP多播？)
    • 2.在局域网上进行硬件多播
      • [1. 多播MAC地址：给多播数据贴"专属标签"](#1. 多播MAC地址：给多播数据贴“专属标签”)
      • [2. 交换机如何处理多播数据？](#2. 交换机如何处理多播数据？)
    • [4. 网际组管理协议IGMP](#4. 网际组管理协议IGMP)
      • [（1） 加入多播组："我要进群"](#（1） 加入多播组：“我要进群”)
      • （2）维持成员关系"
      • [（3） 退出多播组](#（3） 退出多播组)
    • [5. 多播路由选择协议](#5. 多播路由选择协议)

前言

  • 前面我们讲解了计算机网络中网络层的相关知识，包括网络层转发分组的过程、网际控制报文协议（ICMP），以及网络层的重要概念和网际协议（IP）。

  • 接下来，我们继续讲解计算机网络中网络层的其他知识。

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一、互联网的路由选择协议

1. 什么是"路由"？

  • 想象你要从家寄一封信到外地朋友家，信件会经过邮局、中转站，最终到达目的地。

  • 在互联网中，当你发送一条消息（比如微信消息、邮件），数据也需要类似的"导航"，找到从源设备到目标设备的路径------这就是"路由"的作用。

而"路由选择协议"，就是给网络设备（比如路由器）制定的一套"导航规则"，让它们知道该怎么选择数据传输的路径。

2. 理想的路由算法

就像我们希望导航软件好用一样，理想的路由算法也有几个标准：

  1. 正确又完整：最基本的要求。就像导航不能把你导到沟里，路由算法必须保证数据能准确到达目的地，不能丢包或绕错路。

  2. 计算简单：如果导航软件每次规划路线都要卡10分钟，你肯定不会用。路由算法也一样，不能太复杂，否则会拖慢网络速度。

  3. 能适应变化（自适应性）：比如前方路段突然堵车，导航会立刻重新规划路线。好的路由算法也能根据网络状态（比如某条线路突然断了、流量太大）自动调整路径。

  4. 稳定：不会频繁、无规律地改变路径。就像导航不能一会儿让你左转，下一秒又让你右转，否则数据会在网络里"晕头转向"。

  5. 公平：不能只照顾某一部分数据。比如不能让视频数据一直霸占快车道，而文字消息总是被挤到慢车道。

  6. 尽量最佳：在当时的条件下，选一条最适合的路。注意这里的"最佳"不是绝对的，后面会详细说。

3. 为什么"最佳路由"没有标准答案？

你可能会想："直接选最短的路不就行了？"但网络里的"最佳"没这么简单：

  • 网络里的"距离"不只是物理长度，还可能考虑带宽（就像马路宽度）、延迟（数据传输的时间）、线路负载（是否拥堵）等。
  • 网络状态是随时变化的：比如某条线路突然出故障、用户突然大量下载东西导致拥堵，这些情况往往没法提前预测。
  • 路由选择是所有设备共同协作的结果，单个设备的"最佳选择"可能不是整个网络的最佳选择。

所以"最佳路由"其实是"相对最佳"------根据具体需求（比如优先快还是优先稳）选一条最合适的路。

4. 路由算法怎么应对网络变化？两种策略

网络状态总在变（比如突然多了很多设备联网，或者某根网线断了），路由算法应对变化的方式有两种：

（1） 静态路由选择（手动设定的固定路线）

特点：

就像你每天上班上学都走同一条固定路线，不管路上有没有堵车。静态路由是人工提前设置好的路径，网络设备会一直按这个路径转发数据，不会自己改。

优缺点：

  • 优点：简单好操作，几乎不消耗网络资源（就像记死一条路不用费脑子）。
  • 缺点：不能适应变化。如果固定路线突然断了，数据就会"迷路"，必须人工重新设置。

适用场景：

适合小网络，比如家里或小公司（设备少、线路稳定，很少出意外）。

（2）动态路由选择（能自动改道的智能导航）

特点：

  • 类似手机导航的实时规划功能。
  • 路由器会通过"路由选择协议"，定期和其他路由器交换信息（比如"我这边到A地很快""B线路堵了"），自动更新路径。

优缺点：

  • 优点：灵活，能及时应对网络变化（比如某条线路断了，立刻换另一条）。
  • 缺点：复杂，需要路由器不断交换信息，会消耗一定的网络资源（就像导航要一直联网更新路况）。

适用场景：

适合大网络，比如城市级、国家级的网络（设备多、线路复杂，变化频繁）。

二、内部网关协议 RIP

1. 为什么网络需要分层管理？

  • 想象一下，如果全世界的快递都由一家公司管理，一旦出问题就会瘫痪。
  • 互联网也是如此------全球网络太庞大了，必须分而治之。
  • 这就像一个国家分为省、市、县，每层有自己的管理规则，互联网的"分层路由协议"就是这个道理。

互联网的分层管理有三个特点：

  • 自适应：网络出问题能自动调整（比如某条线路断了，自动换路）
  • 分布式：没有"总指挥"，每个路由器自己判断路线，同时和邻居沟通
  • 分层次：划分为"自治系统（AS）"，就像不同的"快递片区"，片区内和片区外用不同规则

2.什么是自治系统（AS）？

我们可以把AS理解为"网络里的独立王国"：

  • 每个AS是由一组路由器组成的"小团体"，有自己的管理者（比如一家公司、一个学校的网络）
  • 团体内用"内部规则"（内部网关协议）送信，团体间用"外交规则"（外部网关协议）通信
  • 比如：中国移动的网络是一个AS，中国联通的网络是另一个AS，它们内部各有一套路由规则，但之间也有合作的通信规则

关键是：不管AS内部多复杂，对外都像一个"统一的整体"。就像一家公司，部门再多，对外只有一个联系方式。

3. 内部网关协议RIP

RIP是最经典的"内部规则"之一，就像AS内部的"导航软件"。

（1）RIP怎么判断好路线？看"跳数"

RIP眼里的"最佳路线"很简单：谁经过的路由器少，谁就好。这里的"经过路由器数量"叫"跳数"。

比如：

  • 路线A：经过2个路由器（跳数2）
  • 路线B：经过5个路由器（跳数5）

不管路线B的带宽多快，RIP一定选路线A------就像导航只看"经过几个红绿灯"，不看马路宽窄。

（2）RIP怎么交换路线信息？

RIP的工作方式很像邻居间互相通报路况：

  • 只和隔壁路由器聊：比如你家只和左右邻居交流，不跟小区外的人直接聊
  • 聊啥内容：自己知道的所有路线（完整路由表），比如"我到A地要3跳，走XX路"
  • 啥时候聊 ：
    • 定期聊：每30秒跟邻居报一次路况
    • 突发情况立刻聊：比如发现某条路断了，马上通知邻居

（3） 路由表更新：怎么根据邻居的信息改路线？

举个生活化的例子：

  • 假设你（路由器A）原来知道到"Net6"需要8跳，走F路线。
  • 有一天邻居C告诉你："我到Net6只要4跳"。
  • 你一算：从你到C是1跳，加上C到Net6的4跳，总共5跳------比原来的8跳近！
  • 于是你就把到Net6的路线改成"经过C，5跳"。

这就是路由表更新的核心逻辑：谁给的路线更近（跳数更少），就用谁的。

4. RIP的问题

1. 好消息：新通路马上传开

比如突然开通了一条更近的路，路由器们会像传八卦一样，很快全知道了。

  • 路由器R1发现到"网1"只要1跳（直接到）
  • 邻居R2一听，立刻更新自己的路线："我到网1要2跳（经R1）"
  • 很快，所有路由器都知道了这条近路

2. 坏消息：断路了，大家反应慢

但如果一条路断了，麻烦就来了：

  • 假设R1到"网1"的路断了，但R2还记着"经R1到网1要2跳"
  • R3问R2："到网1怎么走？" R2说："经我到R1，总共3跳"
  • R1又问R3："到网1怎么走？" R3说："经我到R2，总共4跳"
  • 这样互相"忽悠"，要过好几分钟才能让所有路由器知道"网1断了"

这就是"坏消息传播得慢"，就像一群人传错话，要很久才能纠正过来。

5. RIP的优缺点与适合什么样的网络？

优点：简单好上手

  • 就像用计算器算加减乘除，逻辑简单，路由器不用费太多劲就能运行
  • 对小网络来说，足够用了

缺点：规模小、效率低

  1. 最多15跳：超过15个路由器的路，RIP就认为"太远了，到不了"（16跳=不可达）。所以大型网络（比如全国性网络）用不了
  2. 信息太多：路由器之间要交换完整的路由表，网络大了之后，就像每天都要群发几百页的通讯录，太耗资源
  3. 坏消息反应慢：出问题时，整个网络要等很久才能恢复正常

三、内部网关协议 OSPF

1. 为什么需要OSPF？

前面我们知道，RIP协议像个"一根筋"的导航：只认"跳数"（经过的路由器数量），最大支持15跳，而且坏消息传播得慢。

  • 但随着网络规模扩大（比如校园网、企业大网），
    • RIP就不够用了------这就像用自行车导航来规划跨城市路线，效率太低。

于是，OSPF（开放最短路径优先）应运而生。它就像升级后的智能导航，能解决RIP的很多问题，适合更大规模的网络。

2. OSPF的核心逻辑（共享地图）

（1） 什么是"链路状态"？

RIP会把自己的完整路由表发给邻居，而OSPF更"聪明"：每个路由器只分享自己直接连接的链路状态。

  • 链路状态="我身边的路况"：包括"和我直接相连的路由器是谁""这条链路的代价是多少"。
  • "代价"怎么算？ 不是固定的跳数，而是综合了带宽、距离、延迟等（比如带宽越高，代价越低）。举个例子：
    • 100Mbps的网线，代价=100÷100=1
    • 10Mbps的网线，代价=100÷10=10
      显然，OSPF会优先选代价低（带宽高）的路线，比RIP只看跳数合理多了。

（2） 洪泛法：让"路况"传遍全网

OSPF的信息传播方式叫"洪泛法"，就像小区里有人发现路坏了，挨家挨户通知：

  • 每个路由器收到"链路状态"信息后，会立刻转发给所有邻居（除了发来信息的那个），直到全网都知道。
  • 只在链路状态变化时才广播（比如新路开通、旧路断掉），平时不瞎折腾，比RIP每隔30秒发一次完整路由表省多了。

3. 链路状态数据库（全网共用一张地图）

所有路由器通过洪泛法交换信息后，会形成一个 全网统一的"地图"，这就是"链路状态数据库"。

  • 这张地图包含整个网络的拓扑结构（谁和谁相连，链路代价多少），而且所有路由器的地图完全一致（称为"同步"）。

就像小区里每户人家都有一张实时更新的小区地图，哪条路堵了、哪条路修好了，所有人的地图同时更新------这就是OSPF"收敛快"的秘密（网络出问题后，几秒内就能让所有路由器知道）。

4. 区域划分：给大网络"分片区"管理

OSPF能管好大规模网络，关键在于"区域划分"，就像把一个大城市分成多个区：

  • 每个自治系统（AS）可以分成多个"区域"，每个区域有自己的编号（类似小区编号）。
  • 单个区域里的路由器最好不超过200个（太多了信息交换会乱）。
  • 好处：区域内的路由器只需要知道本区域的详细地图，跨区域的路由信息由"区域边界路由器"统一处理，减少了信息传输量。

比如：北京的网络分成"海淀区域""朝阳区域"，海淀区的路由器不用知道朝阳每条小路的细节，只需知道去朝阳的总入口就行。

5. OSPF的传输方式：直接发IP包，简单可靠

  • RIP用UDP协议传信息，而OSPF更直接：直接打包成IP数据报发送，不用中间商。
  • 为什么这样更好？OSPF的报文都很短（就像发短消息），不容易丢失；就算丢了，重传也方便。而长报文（像长邮件）容易被拆成多个片段，丢一个片段就得重传整个报文，效率低。

6.OSPF的五种消息类型

OSPF定义了五种分组（可以理解为五种"消息类型"），让路由器之间能顺畅沟通：

分组类型 功能类比（邻里沟通版）
问候（Hello） 每天跟邻居打招呼："嘿，你在吗？"------确认对方在线
数据库描述 跟邻居说："我有这些地图信息（摘要）"
链路状态请求 对邻居说："你刚才说的那条路，能告诉我细节吗？"
链路状态更新 广播消息："大家注意！XX路刚修好了，代价是2！"
链路状态确认 收到消息后回复："收到你的更新了，谢谢！"

7. OSPF的其他能力

  1. 支持"差异化路由"：就像马路上有快车道（给视频通话）、慢车道（给文字消息），OSPF能根据数据类型（比如视频需要高速，文字可以普通）选择不同代价的链路。

  2. 负载平衡：如果两条路代价一样（比如都是3），OSPF会让数据"分两路走"，避免一条路拥堵（就像两辆车走平行的两条路，同时到达）。

  3. 更安全：自带"身份验证"功能，防止陌生路由器乱发假消息（就像小区只认住户的门禁卡）。

  4. 适配灵活网络：支持可变长子网（VLSM）和无分类编址（CIDR），不管网络怎么划分，都能准确识别地址。

8. OSPF vs RIP：

  • RIP像"自行车导航"：简单、适合小地方（最多15跳），但功能弱、反应慢。
  • OSPF像"汽车导航"：智能、适合大城市（无跳数限制），能实时更新路况、选最优路线，但实现稍复杂。

所以，小规模网络用RIP够了，而企业网、校园网等大规模网络，几乎都会选OSPF------因为它更可靠、更高效，能应对复杂的网络环境。

四、外部网关协议 BGP

前面我们讲了OSPF，它解决的是一个"门派"（自治系统AS）内部的路由问题，就像门派内弟子之间怎么传递消息。

  • 但互联网是由无数个"门派"（比如中国移动、中国联通、校园网、企业网等）组成的，这些不同门派之间怎么通信呢？

这就需要一个跨门派的沟通规则------外部网关协议BGP （可以理解为"门派外交协议"）。

1. 为什么AS之间需要专门的BGP协议？

内部协议（如RIP、OSPF）的目标是找"最优路径"（比如最快、跳数最少），但AS之间的路由选择要复杂得多：

（1）跨AS的"代价"没法统一算

每个AS是独立的"门派"，各自的网络成本、带宽、延迟标准都不一样。比如：

  • 甲AS的100Mbps链路可能成本很低
  • 乙AS的100Mbps链路可能成本很高

你没法像算内部路由那样，用统一的"代价"比较跨AS的路径，所以BGP不追求"绝对最优"，只保证"能到且合理"。

（2）策略比技术更重要

AS之间的路由往往受"商业合作"影响，就像快递网点之间的合作：

  • 甲公司和乙公司有合作，数据可以优先走乙公司的线路
  • 甲公司和丙公司没合作，即使丙公司的线路更快，也可能不用

BGP必须能理解和执行这些"策略性规则"，这是内部协议不需要考虑的。

2. BGP的核心任务：找到"可达且合适"的跨AS路径

BGP不纠结"哪条路最快"，而是解决两个问题：

  1. 可达性：从我的AS能不能到达目标AS？（就像"从丐帮能不能送信到武当派？"）
  2. 合适性：根据策略，选一条双方都认可的路径（比如"走少林中转，因为我们和少林有合作"）

3. BGP怎么工作？

（1）BGP发言人：

每个AS会选一个或几个路由器作为"对外发言人"（BGP发言人），就像每个门派的"外交大使"。他们的职责是：

  • 代表本AS和其他AS的发言人沟通
  • 收集本AS内部的路由信息（通过OSPF、RIP等内部协议）
  • 向其他AS通报"我们AS能到达哪些网络"

2. 用TCP建立"专线电话"

不同AS的发言人之间要沟通，需要先建立一条可靠的"专线"：

  • 他们会通过TCP协议（端口179）建立连接，就像拉了一根专用电话线
  • 为什么用TCP？因为TCP能保证消息不丢失、不混乱（跨AS通信太重要，不能出岔子）
  • 建立连接后，发言人之间就形成了"邻居关系"（对等站），可以开始交换路由信息了

4、BGP的"路径向量"：

内部协议（如OSPF）用"链路状态"记录详细拓扑，而BGP用**"路径向量"** 记录跨AS的路线，简单说就是"我到目标网络，要经过哪些AS"。

举个例子：

  • 假设目标网络在AS2里，AS1的发言人会告诉邻居："要到AS2的网络，走（AS1→AS2）这条路"
  • 如果AS3的发言人从AS1那里收到这个信息，会补充成："要到AS2的网络，走（AS3→AS1→AS2）这条路"

关键功能：防止绕圈

路径向量里记录了所有经过的AS，一旦发现路径里出现了自己的AS（比如AS1收到一条路径是"AS1→AS3→AS1"），就会立刻丢弃这条路径------这就避免了数据在AS之间绕圈子。

6. BGP交换信息的特点：

1. 只交换必要的路由信息

BGP初始会交换一次完整的路由表（就像初次见面交换名片），之后只更新变化的部分（比如"某条路断了""新增了一条路"），不会像RIP那样频繁发送完整信息，节省带宽。

2. 路由选择靠"策略"而非"技术指标"

比如：

  • 优先选择"经过AS数量少"的路径（少打交道更简单）
  • 优先选择"和本AS有商业合作"的AS路径（符合策略）
  • 可以手动配置"禁止走某条路径"（比如竞争对手的AS）

7. BGP的四种报文类型

BGP发言人之间沟通有四种"文书"，就像外交沟通的不同场景：

报文类型 功能（类比外交场景）
打开（OPEN） 初次见面打招呼："我是XX AS的发言人，想和你建立联系"
保活（KEEPALIVE） 定期发消息维持关系："我还在线，别断了连接"
更新（UPDATE） 通报路线变化："我们到XX网络的路径变了，新路径是......"
通知（NOTIFICATION） 报错或终止联系："你发的信息有问题，我要断开连接了"

8. BGP和内部协议（RIP/OSPF）的核心区别

对比项 内部协议（RIP/OSPF） 外部协议BGP
适用范围 单一AS内部 不同AS之间
目标 找"最优路径"（快、近） 找"可达且符合策略"的路径
关注重点 技术指标（跳数、带宽等） 商业策略、AS关系
信息交换方式 广播/洪泛（内部全知道） 仅在发言人之间点对点交换
路径记录 记录下一跳路由器 记录经过的AS序列（路径向量）

五、路由器的构成

1. 路由器到底是干什么的？

想象你开车从北京到上海，会经过无数个十字路口，每个路口都有交通标志指引方向。

  • 互联网里的"数据分组"（可以理解为"网络小包裹"）从一个设备到另一个设备，也需要类似的"指引"------路由器就是干这个的。

路由器的核心作用有两个：

  1. 连通不同网络：比如把你家的WiFi（局域网）和电信的宽带网（广域网）连起来。
  2. 选路：给数据分组选一条通畅的路，让它们快点到达目的地，就像交通指挥官指挥车辆走最优路线。

2.路由器的两大部分协同工作

路由器虽然看起来像个小盒子，但内部有明确的"分工"，主要分为两部分，就像一个公司有"决策部门"和"执行部门"：

（1）路由选择部分：路由器的控制中心

这部分是路由器的"决策核心"，由"路由选择处理机"（可以理解为"智能大脑"）负责，主要做两件事：

  • 学路线：通过路由协议（比如之前讲的RIP、OSPF、BGP）和其他路由器"沟通"，了解网络拓扑（谁和谁相连，哪条路通）。
  • 记路线：根据学到的信息，生成并更新"路由表"（相当于"地图手册"，记录到每个目标网络该走哪条路）。

简单说，这部分负责"规划路线"，就像导航软件计算从起点到终点的最佳路径。

（2） 分组转发部分：路由器的执行部门

这部分负责实际"搬运"数据分组，由三个部件组成，就像快递站的"收货窗口、传送带、发货窗口"：

2.1输入端口："收货窗口"

输入端口是数据分组进入路由器的"入口"，就像快递站的收货窗口，主要做两件事：

  • 拆包检查：数据分组外面有"包装"（数据链路层的帧头帧尾），输入端口会先拆掉包装，露出里面的"地址信息"（网络层的IP地址）。
  • 查地址：根据地址查"转发表"（从路由表简化来的"快捷指南"），确定这个分组该从哪个"出口"发出去。
2.2 交换结构："传送带"

交换结构是路由器的"核心传送带"，负责把输入端口收到的分组"搬运"到对应的输出端口。

比如输入端口确定"这个分组要去上海"，交换结构就会把它送到通往上海的输出端口。

2.3 输出端口："发货窗口"

输出端口是数据分组离开路由器的"出口"，像快递站的发货窗口，主要做两件事：

  • 暂存排队：如果一下子来了太多分组（超过输出线路的"承载能力"），会先放进"缓冲区"（类似快递站的暂存货架）排队。
  • 打包发送：给分组重新套上"包装"（数据链路层的帧头帧尾），然后通过物理线路（比如网线、光纤）发送出去。

3. "转发"和"路由选择"不是一回事

很多人容易搞混这两个词，用快递举例就能分清：

  • 路由选择：快递总部规划"从北京仓库到上海仓库该走空运还是陆运"（决策过程）。
  • 转发：北京仓库的快递员把包裹放到去上海的运输车上（执行过程）。

简单说：路由选择是"算路"，转发是"走路"。

4. 数据分组在路由器里的流程

  1. 进"门"：分组从输入端口进入，输入端口拆掉外层包装，读取目标IP地址。
  2. 查"指南"：输入端口查转发表，确定该从哪个输出端口发出去。
  3. 上"传送带"：交换结构把分组从输入端口"搬"到对应的输出端口。
  4. 等"发车"：如果输出端口的缓冲区没满，分组就排队等待；如果满了，可能会被"拒收"（这就是网络中"丢包"的常见原因）。
  5. 出"门"：输出端口给分组套上新包装，通过线路发送到下一个路由器或目标设备。

5. 为什么会丢包？

有时候你上网会卡顿，可能是数据分组在路由器里被"丢了"。丢包的主要原因很简单：
路由器的缓冲区（暂存空间）就像快递站的货架，如果同时来的包裹太多，货架堆不下了，后面的包裹就只能被扔掉。

比如：输出端口的线路每秒能发100个分组，但一下子来了200个，缓冲区只能存80个，剩下的20个就会被丢弃。

6. 交换结构：路由器的传送带的三种设计

交换结构是"搬运"分组的核心，就像快递站的"传送带系统"，有三种常见设计，各有优缺点：

（1）通过存储器交换："先存再取"

原理：输入端口先把分组放进路由器的"内存仓库"，处理机再从仓库里取出来，送到输出端口。

  • 就像：快递员先把包裹放进仓库，再从仓库拿出来放到发货区。

缺点：速度慢，因为"存"和"取"不能同时做，适合小流量场景。

（2） 通过总线交换："共用一条传送带"

原理：输入端口和输出端口共用一条"总线"（可以理解为"公用传送带"），分组直接通过总线送到目标输出端口。

  • 就像：所有快递都走同一条传送带，谁先到谁先走。

特点：结构简单，成本低，但如果同时有太多分组，会"堵车"（总线忙不过来）。现在很多家用路由器用这种方式。

（3） 纵横交换结构："立交桥式交换"

原理：有很多条"纵横交错的通道"（类似立交桥的多个车道），输入端口和输出端口可以通过不同通道同时传输分组。

  • 就像：多个方向的车可以通过立交桥同时行驶，互不干扰。

优点：速度快，能同时处理多个分组，适合大流量场景（比如电信机房的高端路由器）。

六、IPV6

1. 为什么需要IPv6？

想象一下，早期电话只有固定电话，号码是几位数字就够了。但现在每个人都有手机，还有智能手表、智能家居，原来的号码不够用了------互联网也遇到了同样的问题。

我们现在用的IPv4地址（比如192.168.1.1）是32位的，最多只能提供约43亿个地址。

  • 但现在全球有几十亿台手机、电脑，还有无数智能设备（摄像头、冰箱、汽车），IPv4地址早就不够用了。

这时候，IPv6出现了。它就像把电话号码从"4位"升级到"128位"，能提供的地址数量多到夸张------地球上每一粒沙子都能分到几十亿个IPv6地址，足够用几百年。

2. IPv6的基本首部：

IPv4的首部有很多字段，就像一张复杂的快递单，填写麻烦还占空间。IPv6简化了首部，让"快递单"更轻便，处理更快。

IPv6基本首部的特点：

  • 固定长度：40字节（IPv4首部长度可变，最小20字节），路由器处理时不用花时间计算长度，效率更高。
  • 字段精简：去掉了IPv4里很少用的字段（比如校验和），保留核心信息（源地址、目的地址、版本号等）。
  • 可扩展：如果需要额外信息，可以在基本首部后面加"扩展首部"（类似快递单的附加备注），但基本首部始终保持简洁。

3. IPv6的地址

（1） IPv6地址长什么样？

IPv4地址是点分十进制（比如192.168.1.1），IPv6地址是冒分十六进制 ，比如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

  • 由8组数字组成，每组4个十六进制数（0-9，a-f），组之间用冒号隔开。
  • 为了简化写法，有两个规则：
    • 连续的0可以用::代替（但只能用一次）。比如2001:0db8::8a2e:0370:7334（中间的4个0组简化成::）。
    • 每组前面的0可以省略。比如0db8可以写成db8。

（2） IPv6地址的类型：三种"通信方式"

IPv6定义了三种地址类型。

  • 单播地址：一对一通信（最常用）。比如你给朋友发消息，数据只送到朋友的设备，就像寄快递给特定人。
  • 多播地址：一对多通信。比如直播平台发消息给所有在线用户，就像群发邮件。
  • 任播地址：一对最近的一个。比如你想访问"百度服务器"，数据会送到离你最近的百度服务器（可能在北京、上海或广州的服务器），就像外卖会分配给最近的骑手。

（3） 特别的"本地地址"

IPv6里有专门的本地地址，比如：

  • fe80::开头的地址：仅在本地局域网内使用，不会被路由到互联网（类似IPv4的192.168.x.x）。

4. 从IPv4向IPv6过渡

IPv4已经用了几十年，全球的设备和网络都基于它运行，不可能一下子全换成IPv6，就像不能一天之内把全国的旧电话系统全换成新的。

过渡需要"渐进式"，主要有三种方法：

1. 双栈技术

让设备（比如电脑、路由器）同时支持IPv4和IPv6协议，就像手机同时支持4G和5G。

  • 当设备和IPv4网络通信时，用IPv4地址；和IPv6网络通信时，用IPv6地址。
  • 这是最基础的过渡方法，现在很多操作系统（比如Windows、手机系统）都默认支持双栈。

2. 隧道技术

如果两个IPv6网络之间被IPv4网络隔开（比如早期的互联网主要是IPv4），可以用"隧道"传输：

  • 把IPv6的数据包放进IPv4的"包裹"里，通过IPv4网络传输，到达目的地后再拆开。
  • 就像你要寄一个不符合旧快递标准的新包裹，先放进旧快递的盒子里，到了目的地再拿出来。

3. NAT64

当IPv6设备需要访问IPv4设备（比如老服务器还在用IPv4），可以通过NAT64服务器做"翻译"：

  • IPv6设备把数据发给NAT64服务器，服务器把IPv6地址转换成IPv4地址，再发给目标设备。
  • 反之，IPv4设备的回复也通过服务器翻译成IPv6地址，发给原设备。
  • 就像两个人语言不通，通过翻译官沟通。

5. ICMPv6：IPv6的"助手协议"

每个网络协议都需要"助手"处理错误和控制信息，IPv4有ICMPv4（比如ping命令就用它），IPv6对应的是ICMPv6，功能更强大：

  • 错误处理：比如数据无法送达时，返回错误信息（"目标地址不可达"）。
  • 邻居发现：IPv6设备可以自动发现局域网内的其他设备（比如你的手机自动找到家里的路由器），不用手动配置。
  • 自动配置地址：很多IPv6设备能自动生成地址（类似手机插卡后自动获取号码），比IPv4需要手动或DHCP配置更方便。

七、IP 多播

1. 什么是IP多播？

我们平时上网，数据传输主要有三种方式，用生活场景类比会很容易理解：

  • 单播：一对一通信。就像你给朋友打电话，只有你们两人能听到，数据只发给一个目标（比如微信私聊）。
  • 广播：一对所有通信。就像小区广播通知，所有设备（不管是否需要）都会收到数据（比如路由器发"ARP请求"找设备）。
  • 多播：一对多通信。就像直播，主播发一次数据，只有订阅了直播间的观众能收到，没订阅的收不到（比如视频会议、在线课堂）。

IP多播的核心优势：只给需要的设备发数据，既不像广播那样浪费带宽（所有人都收到），也不像单播那样重复发送（给1000人发消息要发1000次）。比如一场10万人的直播，多播只发1次数据，10万观众同时接收，效率极高。

2.在局域网上进行硬件多播

局域网（比如家里的WiFi、公司内网）里的设备靠"MAC地址"识别彼此，多播在局域网内的实现，依赖"多播MAC地址"这个特殊标记。

1. 多播MAC地址：给多播数据贴"专属标签"

  • 普通单播的MAC地址是唯一的（比如你的手机有一个独一无二的MAC地址），而多播MAC地址是"共享标签"------所有加入同一多播组的设备，都会"监听"这个标签的数据包。
  • 格式小知识：多播MAC地址以01-00-5E开头（十六进制），后面的部分和IP多播地址对应（简单说就是"多播组的专属编码"）。

比如：一个多播组的IP地址是224.0.0.1，对应的MAC地址是01-00-5E-00-00-01，所有加入这个组的设备，都会接收带有这个MAC地址的数据包。

2. 交换机如何处理多播数据？

局域网的交换机收到多播数据时，不会像广播那样"无脑转发给所有设备"，而是：

  • 先查"多播组列表"：记录哪些端口（连接着设备）加入了这个多播组。
  • 只把数据发给列表中的端口，其他端口不转发。

就像小区的快递柜："生鲜快递"（多播数据）只通知订阅了生鲜服务的住户（多播组成员）来取，没订阅的住户不会收到通知，避免打扰。

4. 网际组管理协议IGMP

当设备想加入或退出多播组（比如进入直播间、退出直播间），需要一种协议告诉局域网的路由器------这就是IGMP（网际组管理协议） 的作用。

简单说，IGMP是"主机和路由器之间的群聊管理工具"，主要做三件事：

（1） 加入多播组："我要进群"

当你的电脑想接收某个多播数据（比如打开直播软件），会通过IGMP向局域网的路由器发送"加入请求"：

  • 消息内容："我要加入224.1.2.3这个多播组，请把这个组的数据包发给我"。
  • 路由器收到后，会在自己的"多播组列表"里记下："连接这台电脑的端口，属于224.1.2.3组"。

（2）维持成员关系"

路由器不会一直无条件发数据，它会定期"点名"（默认每60秒一次），通过IGMP发送"查询消息"：

  • 消息内容："224.1.2.3组的成员还在吗？在的请回复"。
  • 多播组里的设备收到后，会回复"我还在"（但为了减少消息量，通常只有一个设备代表全组回复，避免大家同时说话）。

（3） 退出多播组

当设备不想接收多播数据了（比如关闭直播软件），会通过IGMP发送"退出请求"：

  • 消息内容："我退出224.1.2.3组，不用再发数据包给我了"。
  • 路由器收到后，会从"多播组列表"中删掉该设备的端口；如果组里没人了，就不再转发这个组的数据包。

5. 多播路由选择协议

IGMP解决了局域网内的多播管理，但多播数据往往需要跨网络传输（比如北京的主播，数据要传到上海、广州的观众）。

  • 这时候，路由器之间需要"多播路由选择协议"来确定数据传输的路径。

核心目标：构建"多播分发树"

多播数据从源设备（比如主播的服务器）到所有成员（比如各地观众），最优路径是一棵"分发树"------就像树干（源）分支出多个树枝（中间路由器），最后到树叶（成员设备）。

这样做的好处是：

  • 数据在分支点只复制一次，避免重复传输（比如从北京到上海、广州，数据先到武汉分拨中心，再分别发往两地，而不是北京直接发两次）。
  • 避免环路（比如数据不会在路由器之间来回转圈）。

常见的多播路由协议

不同场景用不同的协议，简单了解三个：

  • DVMRP：基于距离矢量的协议（类似RIP的多播版），适合小型网络。
  • MOSPF：基于链路状态的协议（类似OSPF的多播版），利用全网拓扑构建最优分发树，适合中大型网络。
  • PIM ：最常用的协议，分两种模式：
    • 密集模式：适合多播组成员多、分布密集的场景（比如校园网内的多播）。
    • 稀疏模式：适合成员少、分布分散的场景（比如互联网上的直播）。

以上就是本篇博客的全部内容，下一篇将进入网络层的学习，探索IP协议与路由技术。

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