网络层概述
地位： 网络核心功能，运输层功能的实现依赖于网络层提供的服务，即运输层实现端到端 的，网络层实现主机到主机的通信
功能 ：实现主机到主机的通信
选路：在全局范畴为主机之间的通信进行选路，选路的结果反映为分组交换机上的转发表
转发：分组交换机上的网络层根据转发表以及分组首部信息，将分组通过对应链路进行转发
状态报告：通过控制消息感知网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等状态
虚电路和数据报网络
面向连接：虚电路
组成：源到目的路径、VC（Virtual Circuit）号、路径中路由器的转发表
过程：
建立连接：每当建立起一条虚电路，中间可能会有多个路由器，这些路由器都会建立一 个新项；
拆除连接：当数据传输完毕，A/B想要结束连接，会发送一条拆除指令，该指令包含了指令含义、端口和入VC号，删除该表项后转到下一跳直至所有删除完毕
缺点：建立连接、维护、拆除造成开销；当VC中间出现故障可能会导致该条路径瘫痪
面向无连接：数据报
转发策略：根据目的IP地址
综上来看，互联网的应用环境下，数据报网络更加合适，因为互连更加简单 ，且启用新服务的速度快，不需要维护连接
路由器的工作原理
路由器的结构
输入端口：分散式交换 快速查找从哪个端口出。输入端口处理速率大于交换处理速率时，善生排队。HOL阻塞
内联网络
输出端口：缓存管理：当交换机构转交给输出端口的速率超过输出链路速率，调度原则：数据报传输 调度策略：FIFO、WFQ
IP数据报格式
格式（IPV4）
报文长度相关字段 链路帧最多只允许携带1500字节。超出时，进行IP分片和重组
分片相关字段
标识 ：同一个IP分组的标识
标志 ：3bit，前2bit有意义。最低位为MF，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的最后一个。第二位记为DF，当DF=0时才允许分片
片偏移：每个分片在整个报文（分组）中的位置
生存时间：TTL,每经过一台路由器，TTL-1。减为0时，分组被丢弃。反映从源到目的的跳数。
协议：8bit，指出此数据报携带的数据使用何种协议
源&目的地址：32bit
报文长度相关字段：
首部长度：4bit，单位4字节，取值5~15，表示20~60字节。
总长度：16bit，单位字节。实际报文长度 = 总长度 - 首部长度。
以太网链路帧最大1500byte，当ip包大小超过时，需要进行IP分片和重组。
分片相关字段。标识16bit，标志3bit(前两位：MF = 0 : 后面没分片了，1则还有；DF = 0 ：允许分片）片偏移：每个分片在报文段中的位置,以8Byte为单位，要求除最后一片外均为8的倍数
eg: 4000Byte ,链路帧最大长度 1500Byte
IP地址
ip地址：32位主机或路由器的[接口]标识符 只与接口有关，与主机和路由器无关。一个接口一个IP，多接口设备多IP！
结构：高位网络号，低位主机号，点分十进制
分类：
A类:0.... ，7位网络号 B类：128.... C类：192. 。。。
互联网中的ip地址：
1.每一个路由器的端口对应一个子网
2.同一个子网下的所有接口 的网络号相同
3.路由器总是有多个IP地址，因为它有多个端口，每个端口对应一个接口
ipv4&IPV6：ipv4消耗地址空间，且首部长度不定，中间节点需要消耗很多资源用于分组处理
ipv6 扩大地址空间，首部长度固定，实现QoS，不支持分割，分割由端节点负责，需要提前确定所有节点中的最小的最大传输单元（MTU），以此进行划分
IPV6：
数据报格式：
子网划分
背景：ABC类网络等大中小型网络，网络号位数少，主机号位数大，数万台机器难以配置和管理。
目的 ：优化网络性能 提高地址利用率 增强安全性 支持多区域部署
做法：从主机号中借用位数，来组成子网号。
如何决定借多少位？ -->根据你需要的子网数来决定。比如，需要32个子网，对应2的五次方，需要5位。需要33个，则6位。这样就从一个路由器接口的2级IP的主机号中，划分出去了n位子网。
管理员划分好子网后，主机用户如何知道主机号被子网借了多少位？ -->子网掩码。
子网掩码：
作用：对外隐藏子网存在，对内指示网络号和子网号的位置
计算方法：网络号和子网号全置1，主机号置0.
现在，我们对数以万计的接口IP划分了子网，并且每个子网都进行了掩码处理，内部的IP地址对外不可见，外部只可以知道子网地址这个"街道"号，还无法知道内部的'门牌"号。 要想不同"门牌"号的接口进行数据交流，我们还需要做些事情。用一个例子说明：
划分子网后分组转发：
当H1向H2发送分组
首先判断目的地址是否和自己处于一个子网 方法：子网掩码和目的网络地址做与运算 ，和自身地址做相同运算后的结果比较。为什么可以这样做？若我们是一个子网，得到的结果肯定和我一样，是自家人。结果不一样说明不是街坊，但也无法判断是哪个街道的。即，同一个子网下，不同IP的设备，IP和子网掩码做与运算得到的结果相同！此时，H1便可以直接交付。
若不处于1个子网 ，和路由表逐项比对，将H1收到的目的地址和路由表中的子网掩码做与运算 ，看和R1路由表的哪一行匹配。结果若和路由表中的目的网络地址相同，则找到该目的地址
子网聚合：找最大前缀匹配，得到的就是单个网络前缀
无类域间路由
CIDR：
编址格式：
IP地址：= {<网络前缀>, <主机号>}
地址格式：a.b.c.d/x x表示地址中网络部分的位数 #
写法：192.168.0.1/24
寻址：
最长前缀匹配 确定数据包转发的最优路径。其目标是在路由表中找到与目的地址最长匹配的前缀条目
NAT：私有网络和公共网络之间的转换技术
设计动机：减少本地网络和外部网络相连所需要的IP地址成本，以及安全性
网络地址转换NAT：
实现： 发送：外出报文的IP ，端口替换为NAT IP地址和端口
接收：根据NAT转换表 将 进入报文的NAT & IP 替换为相应的IP和端口
原理：
Q：内网如何访问？
A：端口映射、通用即插即用UPnP、中继
ICMP协议：是TCP/IP协议族 的核心协议之一，主要用于在IP主机、路由器之间传递控制消息 ，如网络通断、主机是否可达、路由是否可用等。它通常被认为是IP层的组成部分，但严格来说属于网络层协议 ，封装在IP数据报中传输
选路算法：
目的：给定一组路由器以及连接路由器的链路，从中找到一条从源路由器到目标路由器"好的"路径
分类：全局&分散、静态&动态、负载敏感&迟钝
代表：
链路状态选路算法（OSPF协议）
算法流程：
代码如下：
运行结果：
算法复杂度：
潜在问题：可能产生震荡，因为链路的费用等于链路上的承载的负载，一次运行的结果会影响负载
解决方案：
距离向量选路算法(RIP协议）
概述：距离向量选路算法（Distance Vector Routing Protocol, DVR）是一种分布式路由算法，通过相邻节点间交换路由信息动态更新路径。其核心思想是每个节点维护到其他节点的最短距离及下一跳信息，通过迭代更新优化路由表。
步骤：
初始化
每个节点维护一个距离向量表，记录到所有已知目标节点的最短距离及下一跳节点。初始时，节点仅知道直接相连邻居的链路成本，其他目标距离设为无穷大（∞）。
周期性更新
节点定期向邻居发送自身的距离向量表。接收方节点根据以下规则更新路由表：
- 对于目标节点 j ，当前节点 i 计算通过邻居 k 的新距离：
D_i(j) = \\min \[D_i(j), c(i,k) + D_k(j)\]
其中 ( c(i,k) ) 为节点 i 到邻居 k 的直接链路成本，( D_k(j) ) 为邻居 k 报告的距离。
收敛与稳定性
当所有节点的距离向量表不再变化时，算法收敛。为应对网络变化（如链路故障），节点会重新计算并广播更新，但可能因环路问题导致收敛延迟
特点："好消息"（找到更短路径）传的快，"坏消息" 传的慢
BGP4
一、BGP是什么？
BGP 是互联网核心的路由协议 ，用于不同自治系统（AS，Autonomous System）之间的路由选择和交换，是一种路径向量协议。
通俗点说：
-
互联网由成千上万个网络（ISP、企业网络、学校等）组成；
-
每个网络称为一个 自治系统 AS；
-
BGP 负责在这些 AS 之间通告、选择、维护最佳网络路径。
如果没有 BGP，全球互联网无法互连。
二、BGP的特点
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 路径向量协议 | 每一条路由要带上经过的 AS 列表 |
| 面向连接（TCP port 179） | BGP 会建立 TCP 连接来传递路由 |
| 策略优先 | 路由选择不是最短路径，而是根据策略（Policy） |
| 稳定性强 | 有路由抖动抑制机制（Route Flap Dampening） |
三、BGP与OSPF/ISIS区别
| 协议 | 范围 | 类型 | 路由依据 | 场景 |
|---|---|---|---|---|
| OSPF / IS-IS | AS 内部 | 链路状态协议 | 最短路径（开销） | 企业/内部网络 |
| BGP | AS 之间 | 路径向量协议 | 策略、商业关系 | 互联网路由、运营商网络 |
总结：内部用 OSPF，外部用 BGP。
BGP 发言人 = 运行 BGP 并负责代表自己的自治系统与外部交换路由信息的路由器
子网划分
子网聚合
把多个前缀合并成1个前缀，如何寻找？ 将子网IP划成32位，寻找最大前缀匹配
目的：减少路由表规模，提高路由效率。
BGP路由通告：BGP 发言人（运行 BGP 的路由器）通过 BGP UPDATE 报文向邻居传播路由信息的过程。
BGP 路由通告方向（重点）
| 类型 | 场景 | 特点 |
|---|---|---|
| eBGP | 不同 AS 之间 | 默认 会传播学到的路由 |
| iBGP | 同一 AS 内 | 不会再传播从 iBGP 学到的路由（iBGP Split-Horizon Rule） |
iBGP 学到的路由不能再传给另一个 iBGP。