计算机网络-5-网络层

网络层设备-路由器-实现

网络层的设计

路由器-有网络层,物理层,数据链路层的功能

路由算法

最优路径的每一段也是最优路径,不然我可以找到一条更短的总路径

汇聚树-从所有源头节点到一个目标节点的最优路径的集合

路由节点只要保存下一跳就可以

迪杰斯特拉算法

参见B站枫叶的视频

泛洪算法

在不知道拓扑结构的情况下

只要有一个新数据包

就立刻复制很多份

然后分发给每一个你认识的路由器

这样肯定能到目标但是非常浪费流量

优化限制传递次数/不转发发过的数据包

动态路由算法

距离矢量算法

我只读取我邻居告诉我的距离

每个路由器维护的路由表：

目的地 | 下一跳 | 距离

-------+--------+------

A | B | 5

C | D | 3

问题是可能出现环路

比如

A --- B --- D

| |

C --- E

我们关注目的地为a

节点	到A的最佳路径	距离	下一跳
A	直接连接	0	-
B	A → B	1	A
C	A → B → C	2	B
D	A → B → D	2	B
E	A → B → D → E	3	D

但是假如a-b断了

b为了更新表去询问c和d,

C认为到A的路径是 C → B → A
D认为到A的路径是 D → B → A
但B知道到A的链路已经断了！

B心想：

通过C到A：代价 = B到C(1) + C到A(2) = 3
通过D到A：代价 = B到D(1) + D到A(2) = 3

现在路由表变成：

节点	到A的路径	距离	下一跳
B	B → C → ?→A	3	C
C	C → B → ?→A	2	B

环路出现了：

B认为：要到A，先发给C
C认为：要到A，先发给B
数据包就在 B ↔ C 之间来回传递！

这是因为部分节点(比如CD)不知道变化

链路状态路由算法

每个路由器都有全局网络拓扑图

每个路由器先认识直接连接的邻居路由器。

然后给邻居发送自己的链路状态

每个路由器收集所有信息，画出完整的网络连接图。找最短路由

但是容易数量爆炸

层次路由

划分成小区域,小区域内有完整路由,区域之间简单由几个路由转发就行

广播路由

为了给所有用户广播一条消息,采用接力赛的方式

树-链路状态知道整个地图

广播源发出消息
每个路由器收到消息后：
- 查看网络地图，找到以广播源为根的"传递树"
- 如果自己在这棵树上，就继续传递给"下游"的路由器
- 如果自己不在传递路径上，就安静地听着

逆向路径-链路只知道怎么到目的地

只相信正确方向来的信息

我们知道消息源,知道最短路,只相信最短路来的消息

组播路由

只发给`特定的一组人

树-链路状态知道整个地图

对树进行剪枝

逆向路径-链路只知道怎么到目的地

转发+剪枝

先构造树,再剪枝

网络：

源(S) --- A --- B --- C

| |

D E

组播组G的成员：C、E

s先广播,
所有路由器用逆向路径转发：
- 检查数据是否从"到S的最短路径"传来
- 如果是，就转发给所有其他邻居

场景：路由器B

直接连接的主机：没有组G成员
下游路由器：C说"我要组G"，但E说"我不要"
B的行动： 不向E发送组播数据

场景：路由器D

直接连接的主机：没有组G成员
下游路由器：没有其他路由器
D的行动： 向上游A发送"剪枝请求"："别给我发组G的数据了！"

场景：路由器A

收到来自D的剪枝请求
检查自己：
- 直接连接的主机：没有组G成员
- 下游路由器：B还需要组G数据（因为C要）
A的行动： 继续向B转发，但停止向D转发

但是组播路由导致转发状态爆炸,核心选择困难

一般采用放射状结构,尽力生成最小代价树

这是一个np难问题

选播路由

将数据发送到一组服务器中最近的一个

迪杰斯特拉/直接拿树

移动主机路由

移动主机告诉家乡代理我在哪

家乡代理把应该给我的数据包转发给我

我直接返回自己的新ip给对方

后续直接发给我的新ip

ADHOC路由

人传人,对自己听到的消息进行扩散

泛洪成功后建立回传路径,开始通信

每台主机一移动就忘记和他相关的路

拥塞控制

可能是传输层/网络层/资源问题

1.提高网络供给

2.流量感知路由

3.分时段规划

4.准入控制

5.放弃负载

服务质量

流量整形

漏桶算法

数据包 → 漏桶 → 以恒定速率流出

特点：

不管输入多快，输出速度恒定
消除所有突发流量
简单但可能不够灵活

令牌桶算法

令牌以固定速率产生

数据包需要拿到"令牌"才能发送

桶里可以积累一些令牌应对突发

特点：

平均速率受限
但允许短期突发
更符合实际应用需求

包调度和准入控制

FFIO 优先级队列加权公平队列

准入控制负责检测是否有足够资源

资源预留协议RSVP专门用来在路径上的所有路由器上预留资源,由接收方发动

网络互连

由于协议太复杂了,我们一般不做协议之间的转换

直接把整个数据打包进新的协议

不同协议之间数据包大小有区别,所以我们入口服务器就把数据分段,记录偏移位置和后面是否有统一个包的数据

Internet网络层

IPV4

字段	位数	功能说明	实际应用
版本	4	协议版本标识	IPv4=4, IPv6=6
头长度	4	头部总长度(×4字节)	最小值5(20字节)，最大值15(60字节)
区分服务	8	QoS服务类型	前6位DSCP，后2位ECN
总长度	16	整个数据包长度	最大65535字节
标识	16	数据包唯一标识	分段时所有子包继承相同ID

分段相关字段

字段	位数	功能说明
DF	1	禁止分段(Don't Fragment)
MF	1	更多分段(More Fragments)
分段偏移	13	数据在原始包中的位置(×8字节)

路由相关字段

字段	位数	功能说明
TTL	8	生存时间(跳数或秒)
协议	8	上层协议类型(TCP=6, UDP=17)
头校验和	16	头部完整性校验

| 字段 | 位数 | 功能说明 |
| 源地址 | 32 | 发送方的IP地址 |
| 目标地址 | 32 | 接收方的IP地址 |

选项	0~40	用于可选择的功能

不保证交付，不保证顺序，不保证不重复

IP地址

IP地址 = 网络号 + 主机号

例：192.168.1.100 = 192.168.1.0（网络） + 100（主机）

几个特殊的地址：

00000000 00000000 00000000 00000000 本机

00000000 00000000 00000000 xxxxxxxx 本地网络

11111111 11111111 11111111 11111111 本地网络广播

xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx 11111111 向某个网络广播

01111111 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx 回环测试,数据包不离开本机，直接返回

子网掩码

用于声明IP地址中网络前缀的长度（前多少位为网络号）。

IP地址与子网掩码"按位与"，就得到IP地址所在的网络。通常一个网络使用主机全0表示。

IP地址：192.168.1.100 11000000.10101000.00000001.01100100

子网掩码：255.255.255.0 11111111.11111111.11111111.00000000

|←---网络部分--→|←---主机部分→|

网络地址：192.168.1.0 11000000.10101000.00000001.00000000

传统：192.168.1.0 255.255.255.0

CIDR：192.168.1.0/24

解释：

/24 = 前24位是网络号

255.255.255.0 = 24个1 + 8个0

同一网络内的设备前24位必须一样,比如192.168.1,最后八位可以不同

否则依靠路由器转发

子网划分

如果一个网络内有超大量主机,则划分为小网络

举个例子

原始网络：192.168.0.0/16

需要划分：4个子网

每个子网：至少1000台主机

原始主机位：16位（65534台主机）

需要子网数：4个 → 需要2位（2²=4）

剩余主机位：14位（16382台主机/子网）✓

原始：255.255.0.0 = /16

新子网掩码：255.255.192.0 = /18

划分得到

子网1：192.168.0.0/18 范围：192.168.0.1 - 192.168.63.254

子网2：192.168.64.0/18 范围：192.168.64.1 - 192.168.127.254

子网3：192.168.128.0/18 范围：192.168.128.1 - 192.168.191.254

子网4：192.168.192.0/18 范围：192.168.192.1 - 192.168.255.254

NAT

使用私有地址内部，共享公有地址外部

端口号用于区分内部主机

比如我的电脑使用端口54321

路由器

内网接口IP：192.168.1.1
公网接口IP：203.0.113.5

路由器建立映射

|-----------------------|---------------------|
| 内部私有IP:端口 | 映射到的公网IP:端口 |
| 192.168.1.100:54321 | 203.0.113.5:10240 |

网站服务器收到这个包，并准备回复。它看到的请求来自 203.0.113.5:10240，所以它会向这个地址回包。

路由器收到之后,转发给54321端口

IPV6

Pv4地址 ：32位，约43亿个。192.168.1.1
IPv6地址 ：128位，数量是2的128次方。这是一个天文数字，足以让地球上的每一粒沙子都分配一个IP地址。例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
基础头部：固定为40字节，字段数量减少，结构规整。这使得路由器的数据包转发效率更高，实现了"简化协议"和"减少路由表大小"的目标（更清晰的路由聚合）。

IP协议族

在同一个局域网内

ARP

广播自己手里的目标ip,等待目标设备回复

DHCP

自动为设备分配IP地址、子网掩码、网关、DNS服务器等网络配置

IP层

ICMP

传递网络控制和错误消息

路由协议

OSPF-开放最短路优先

每个路由器都把自己连接的邻居和链路成本（带宽、延迟等）广播给AS内的所有其他路由器。
这样，每个路由器都有一张完整的内部网络地图。
然后使用Dijkstra（最短路径）算法计算出到所有目的地的最佳路径。

BGP - 边界网关协议

再不同的系统之间交换信息,用特定的策略来规划,不一定是最短路,找加权最短路

流量工程协议

MPLS-多标签交换

在进入MPLS网络时，给数据包打上一个标签。
网络中的路由器只看这个简单的标签来决定下一跳，而不用分析复杂的IP头。
离开MPLS网络时，标签被移除。

IP多播

源主机只发送一份数据，网络负责将其复制并传递给所有加入该组的成员。

移动IP

IP地址原本包含位置信息 （网络部分）和身份信息（主机部分）。但当主机移动时，就产生了矛盾：

如果改变IP，所有现有连接都会中断
如果不改变IP，路由无法正确送达

移动ip包括

移动节点：可以改变网络连接点的主机
家乡代理：在移动节点家乡网络中的路由器
外地代理：在移动节点当前所在网络中的路由器

详见上文