Chapter 04
网络层
实现不同网络之间的互连通信，核心任务：路由选择与分组转发
网络层功能
网络层核心功能 HOT
- 实现不同网络之间的互连通信（跨网段通信）
- 路由选择（全局视角）和分组转发（本地操作）
- 拥塞控制：防止过多分组注入网络
- 传输单位：分组（数据报）
异构网络互连
- 路由器连接不同类型的网络
- 虚电路服务 vs 数据报服务
| 对比项 | 虚电路服务 | 数据报服务 |
|---|---|---|
| 连接建立 | 必须建立连接 | 无需建立连接 |
| 目的地址 | 仅建立时使用 | 每个分组携带 |
| 路由选择 | 同一条虚电路 | 每个分组独立 |
| 可靠性 | 网络保证有序 | 不保证有序 |
SDN基本概念 KEY
- 软件定义网络（Software-Defined Networking），核心思想：数据平面与控制平面分离
- SDN控制器集中管理路由决策，集中式控制取代传统分布式控制
- 三大层次：
- 数据平面：网络设备（交换机/路由器）负责高速转发数据流
- 控制平面：SDN控制器，逻辑集中，下发流表项指导转发
- 应用平面：网络应用（路由、防火墙、负载均衡）通过北向接口编程
- 南向接口（控制器 → 数据平面）：
- 控制器与数据平面设备之间的通信接口
- OpenFlow协议是SDN最典型、最标准的南向接口协议
- OpenFlow通过流表（Flow Table）下发转发规则，交换机按流表项匹配转发
- 北向接口（控制器 → 应用层）：
- 控制器向上层网络应用提供的可编程接口（通常为REST API）
- 允许开发者通过编程方式调用控制器能力，实现自定义网络服务
- SDN控制器架构：
- 核心层：维护网络状态、拓扑信息、主机信息
- 功能模块：路由计算、转发策略、安全策略等
- 接口层：北向接口（对应用）+ 南向接口（对设备）
- 典型控制器：OpenDaylight、Floodlight、POX、RYU等
网络层拥塞控制
- 拥塞：注入网络的分组过多，超出网络处理能力，导致时延增大、吞吐量下降
- 与流量控制的区别：
- 流量控制：点到点，防止发送方过快淹没接收方
- 拥塞控制：全局，防止过多分组注入网络导致路由器过载
- 开环控制（预防）：
- 准入控制：新流量拥塞时拒绝接入
- 流量整形：平滑突发流量（漏桶、令牌桶）
- 闭环控制（反馈）：
- 监测：路由器监测队列长度和利用率
- 报告：源点收到拥塞通知后减慢发送速率
- 调整：根据反馈调整发送速率
- 方法：
- 慢启动和拥塞避免（TCP）
- 随机早期检测(RED)：队列达阈值时随机丢弃分组
- 显式拥塞通知(ECN)：标记拥塞而非丢弃
IP协议
IPv4分组 HOT
- 首部关键字段：版本、首部长度、总长度、TTL、协议、源IP、目的IP
- TTL：每经过一个路由器减1，减到0则丢弃（防止无限循环）
- 协议字段：TCP=6，UDP=17，ICMP=1
IPv4地址与NAT HOT
- IP地址：32位，点分十进制
- A类：1.0.0.0~126.255.255.255，网络位8位
- B类：128.0.0.0~191.255.255.255，网络位16位
- C类：192.0.0.0~223.255.255.255，网络位24位
- 特殊地址：
127.0.0.1(环回)、0.0.0.0(本机)、255.255.255.255(广播) - NAT：将私有地址转换为公有地址，缓解IPv4地址不足
- 私有地址范围（RFC 1918，不在公网路由）：
- A类私有：10.0.0.0/8（10.0.0.0 ~ 10.255.255.255）
- B类私有：172.16.0.0/12（172.16.0.0 ~ 172.31.255.255）
- C类私有：192.168.0.0/16（192.168.0.0 ~ 192.168.255.255）
- NAT转换方式：静态NAT（一对一）、动态NAT（地址池）、NAPT/PAT（端口多路复用，最常用）
| 类别 | 范围 | 网络位 | 主机位 | 最大主机数 |
|---|---|---|---|---|
| A类 | 1~126 | 8位 | 24位 | 2^24-2 |
| B类 | 128~191 | 16位 | 16位 | 2^16-2 |
| C类 | 192~223 | 24位 | 8位 | 2^8-2 |
子网划分与CIDR HOT
- 子网掩码：区分网络位和主机位
- 网络地址 = IP地址 AND 子网掩码
- CIDR：无类域间路由，取消传统分类，使用
/xx表示前缀长度 - 路由聚合：将多个子网合并为一条路由
网络地址 = IP AND 子网掩码 | 广播地址 = 网络地址 OR (~子网掩码)
子网划分计算器
请输入IP地址和子网掩码
ARP / DHCP / ICMP KEY
- ARP：IP地址 → MAC地址，同一子网内解析
- ARP跨子网解析过程：
- 同子网通信：主机直接发送ARP广播请求，目标主机单播应答其MAC地址
- 跨子网通信：
- 源主机发现目的IP不在本子网，需通过网关路由器转发
- 源主机先发送ARP请求，获取网关路由器的MAC地址
- 源主机将数据报封装为目的MAC=网关MAC、目的IP=最终目的IP发送给网关
- 网关路由器收到后，再通过ARP解析下一跳或目的主机的MAC，逐跳转发
- DHCP：动态获取IP地址，四步：Discover → Offer → Request → ACK
- ICMP：互联网控制报文协议，ping命令基于ICMP回送请求/应答
- ICMP类型：终点不可达、时间超过、参数问题、改变路由（重定向）
- ICMP典型应用：
- Ping：基于ICMP回送请求/应答报文，测试目的主机可达性
- Traceroute（路由追踪）：基于ICMP时间超过报文实现
- 原理：依次发送TTL=1,2,3...的数据报
- 每个路由器收到TTL减为0时，返回"ICMP时间超过"报文
- 源主机据此记录沿途各跳路由器的IP，最终到达目的主机时返回"ICMP回送应答"
IPv6
IPv6主要特点 HOT
- 128位地址空间
- 简化首部格式，固定40字节
- 支持即插即用：IPv6支持无状态地址自动配置（SLAAC），也可使用有状态DHCPv6
- 取消了首部校验和
- IPv4到IPv6过渡：双栈策略、隧道技术
| 对比项 | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| 地址长度 | 32位 | 128位 |
| 首部长度 | 可变(20~60B) | 固定40B |
| 校验和 | 有 | 取消 |
| 即插即用 | 需DHCP | 支持（SLAAC / DHCPv6） |
IPv6地址表示与分类 KEY
- 地址表示法：冒号分隔的8组4位十六进制
- 完整格式：
2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 - 每组前导0可省略：
2001:db8:85a3:0:0:8a2e:370:7334
- 完整格式：
- 零压缩法（双冒号法）：连续的零可用
::缩写（仅能用一次）- 例：
2001:db8:0:0:0:0:0:1→2001:db8::1 - 例：
FF02:0:0:0:0:0:0:1→FF02::1（所有节点组播） - 注意：一个地址中
::只能出现一次，否则会产生歧义
- 例：
- 特殊地址：
::1（即0:0:0:0:0:0:0:1）：环回地址，相当于IPv4的127.0.0.1::（全0）：未指定地址，不能作为目的地址FE80::/10：链路本地地址（仅本链路有效）FC00::/7：唯一本地地址（私有地址）
- IPv6地址分类：
- 单播（Unicast）：一对一通信，标识一个接口（全球单播、链路本地、唯一本地等）
- 任播（Anycast）：一对最近，发往一组接口中"最近"的一个（IPv6新增）
- 组播（Multicast）：一对多，发往一组所有接口，地址前缀
FF00::/8 - 注意：IPv6取消了广播，原广播功能由组播实现
路由协议
路由算法 HOT
- 静态路由：手动配置，不随网络变化
- 动态路由：自动学习，适应网络变化
- 距离-向量算法：RIP，定期交换路由表
- 链路状态算法：OSPF，泛洪链路状态信息
- 层次路由：将网络分为自治系统(AS)
RIP协议
- 基于距离向量算法，跳数为度量
- 最大跳数15，16为不可达
- 每30秒交换一次路由表
- 缺点：慢收敛、可能路由环路
OSPF协议
- 基于链路状态算法(Dijkstra)
- 以带宽为度量值
- 收敛速度快，适合大型网络
- 支持区域划分
BGP协议
- 外部网关协议，AS间路由
- 基于路径向量，非距离向量
- 交换可达性信息，选择较好路由
OSPF最短路径算法演示 (Dijkstra)
步骤 0 / 6
点击播放按钮开始动画演示
IP多播
多播的概念
- 单播：一对一通信，每对源目的独立传输
- 多播（组播）：一对多通信，同一数据发送给一组接收者
- 同一分组只在链路分叉处复制，大大节省带宽
- 适用于视频会议、在线直播、软件分发等场景
- 广播：一对所有，只在局域网内有效，路由器不转发广播包
- 多播地址：D类IP地址（224.0.0.0 ~ 239.255.255.255）
IP多播地址
- D类地址范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
- 224.0.0.0 ~ 224.0.0.255：预留组地址（永久组），如224.0.0.1所有主机
- 224.0.1.0 ~ 238.255.255.255：全局多播地址
- 239.0.0.0 ~ 239.255.255.255：本地管理地址，用于私网
- 以太网多播：MAC地址最高字节最低位为1表示多播
- IP多播到MAC多播的映射：D类地址低23位映射到MAC地址低23位
- 有2^5=32个不同的多播IP映射到同一MAC地址（有5位重叠）
- 注意：多播地址只能作为目的地址，不能作为源地址
IGMP与多播路由协议 KEY
- IGMP（互联网组管理协议）：
- 工作在主机与本地路由器之间
- 功能：主机加入/离开多播组，路由器维护组成员关系
- 版本：IGMPv1（查询+报告）、IGMPv2（增加离开组消息）、IGMPv3
- 查询器选举：网段中IP最小的路由器作为查询器
- 多播路由协议：
- 密集模式(DVMRP)：反向路径广播+剪枝，适合成员密集
- 稀疏模式(PIM-SM)：基于汇集点RP，按需建立分发树，适合成员稀疏
- 核心：构建多播分发树，以最少的链路复制将数据送达所有组成员
移动IP
移动IP的概念
- 问题：主机移动到新的网络后，IP地址改变，TCP连接会中断
- 目标：移动节点在改变接入点时，无需改变IP地址，保持通信不中断
- 核心思想：使用固定的"归属地址"标识移动节点，通过转交地址实际通信
移动IP通信过程
- 实体：
- 移动节点(MN)：从一个网络移动到另一个网络的主机
- 归属代理(HA)：移动节点归属网络中的路由器
- 外地代理(FA)：移动节点当前所在网络的路由器
- 通信对端(CN)：与移动节点通信的节点
- 关键技术：
- 代理发现：移动节点通过ICMP路由器发现消息找到代理
- 注册：移动节点向归属代理注册当前的转交地址
- 隧道技术：归属代理将发给移动节点的数据报，封装后转发到转交地址
- 解封装：外地代理收到封装的数据报，解封装后交给移动节点
- 通信流程：
- CN→HA：数据报发给移动节点的归属地址
- HA→FA：归属代理通过隧道封装转发到转交地址
- FA→MN：外地代理解封装，交付移动节点
- MN→CN：移动节点直接向通信对端发送（路由优化）
网络层设备
冲突域和广播域
- 冲突域：同一时间只能有一台设备发送数据，否则产生冲突的区域
- 集线器所有端口在一个冲突域
- 交换机每个端口是一个独立冲突域（隔离冲突域）
- 路由器每个接口是一个独立冲突域
- 广播域：广播帧所能到达的范围
- 集线器不隔离广播域
- 交换机不隔离广播域（所有端口同属一个广播域）
- 路由器隔离广播域（每个接口一个广播域）
- VLAN可以在交换机上划分多个广播域
- 总结：集线器是冲突域+广播域都不隔离；交换机隔离冲突域不隔离广播域；路由器两者都隔离
路由器的组成和功能 KEY
- 功能：
- 路由选择：运行路由协议，构建和维护路由表
- 分组转发：根据路由表转发IP数据报
- 异构网络互连：连接不同类型的网络
- 拥塞控制、网络管理
- 组成：
- 路由选择部分（控制平面）：
- 路由选择处理机
- 运行路由协议（RIP/OSPF/BGP等）
- 构造和更新路由表
- 分组转发部分（数据平面）：
- 交换结构：将输入端口的分组转移到输出端口
- 输入端口：物理层+数据链路层+查找转发表
- 输出端口：排队+链路层+物理层
- 路由选择部分（控制平面）：
- 路由表 vs 转发表：
- 路由表：由路由选择算法生成，包含到各网络的完整路由信息
- 转发表：由路由表推导而来，结构优化用于快速查找转发
路由表与分组转发
- 路由表内容：目的网络地址、子网掩码、下一跳地址、出接口、度量值
- 最长前缀匹配：当有多条路由匹配时，选择前缀最长（子网掩码最具体）的路由
- 默认路由：0.0.0.0/0，当没有更具体的路由匹配时使用
- 转发过程：
- 路由器收到IP数据报
- 提取目的IP地址
- 逐行与子网掩码做AND运算，与目的网络比较
- 匹配成功则转发到下一跳或直连网络
- 都不匹配则走默认路由，没有默认路由则丢弃并发送ICMP不可达
- 路由聚合(CIDR)：将多个连续子网合并为一条路由，减小路由表大小
| 设备 | 工作层次 | 隔离冲突域 | 隔离广播域 | 主要功能 |
|---|---|---|---|---|
| 集线器 | 物理层 | 否 | 否 | 信号放大、多端口连接 |
| 网桥/交换机 | 数据链路层 | 是 | 否 | 按MAC地址转发帧 |
| 路由器 | 网络层 | 是 | 是 | 按IP地址转发分组、路由选择 |