前言

这学期学计算机网络，但是我感觉我们学校的某位任课老师讲的不太行，听完introduction部分以后，我决定脱离学校课程，直接按照408去学习，备战考研。

我购买了408推荐参考教材《计算机网络》，是谢希仁版本的第八版，网上对应的视频不是很多，我找到了方诗虹老师的课程，他用的书就是408的。虽然方老师的任职学校并不是很好，但是就我的经历来说，408本来就没什么特别深的东西，关键在于能不能讲好，经过我的调查，方老师评价还不错，所以我就直接来听她的课，搭配书籍食用。

本文是系列笔记中的第二篇，内容为网络层、传输层、应用层。

计算机网络笔记——概述、物理层、链路层（方老师408课程）
计算机网络笔记——网络层、传输层、应用层（方老师408课程）
[考研整理——还没写]

网络层

最重要的一层，没有之一。

链路层解决了局域网内部帧的传输，而网络层的关键任务是将世界上不同的局域网连接在一起，即异构网络之间的连接和资源共享问题，细分为如下方面：

1. 跨局域网互联
2. 主机标识。如何区分不同主机
3. 路由选择。选择哪条道路
4. 分组转发。数据如何转发

网络层提供的两种服务

在设计网络层前，关键的问题是网络层到底要实现什么功能？进一步说，就是网络层是否应该负责可靠传输

因为全球互联网络的传输路径太长了，每一个节点都有一定概率出问题，叠加起来难以保证传输质量。因此现在是以不可靠传输为主，可靠传输为辅：

1. 少数——网络负责
   • 首先建立虚电路逻辑连接，占领资源，沿着这条路进行存储转发，结束后释放资源
   • 成本较高，容易出错
2. 绝对主流——端系统负责
   • 向上层提供简单的灵活地、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务
   • 由主机上运行的传输层协议保证可靠传输

最开始人们认为分组交换比较好，后面大家觉得为语音、视频服务的电路交换更好，现在随着互联网邮件，web应用的出现，大家又觉得为这种突发流量服务的分组交换更好。

时至今日，分组交换已经占据绝对主流，物理网络也已经定型。改变硬件是很困难的，所以现在的应用程序也都是在适应分组交换网络，不需要保证带宽。

目前使用虚电路网络的只有MPLS和租用专线等，很少，很贵。

网际协议——IP

虚拟互联网络

不同局域网使用的技术不同，无法直接通信。把世界的所有网络技术统一不够现实，也会限制技术发展，不如就使用中间设备转发。

这个中间设备叫路由器，IP协议运行在路由器上。

使用路由器将世界上的局域网连在一起后，就形成了一个虚拟互联网络，即互联网，用户只需要接入互联网，就可以和另一台接入互联网的设备通讯。

网络层其实不止有一个IP协议，而是有三大类：

1. 下层协议
   • ARP（Address Resolution）：负责IP地址和MAC地址的解析转换
2. 核心协议
   • IP（Internet）：网际协议
3. 上层辅助协议
   • ICMP（Internet Control Message）：网际控制报文协议
   • IGMP（Internet Group Message）：网际组管理协议

下图中，一个信息要经过5跳，前4跳都是交付给路由器，是间接交付。而最后一跳是交付给目标主机，这是直接交付。

IP数据报格式

逐一理解

IP数据报有如下部分：

1. 首部
   • 固定部分，有20B（5行，为5×8字节=5×32bit）
   • 可变部分，最长40B，原因后面说
2. 数据部分

接下来逐步解析首部：

1. 版本（4）：
   • 0100代表IPv4
   • 0110代表IPv6
2. 首部长度（4）：
   • 范围为5-15
   • 实际要×4，即首部长度范围是20-60，且必须是4的倍数
3. 区分服务（8）：略，不怎么用
4. 总长度（16）：
   • 范围为0-65535。
   • 总长度指的是一个完整的IP数据报长度，但是链路层MTU长度会限制这个，所以IP数据报可能被先分片后合并。
   • TODO 实际应用中，切分了以后总长度可以超过1500吗？
5. 标识（16）：
   • 来自于同一个IP数据报的IP报文分片的标识相同
6. 标志（3）：
   • 有三位，保留位无意义
   • DF=1代表不分片，此时MF位无意义，当DF=0，MF才有意义
   • MF=1代表后面还有分片
7. 片偏移（13）：
   • 用来表达报文片的先后顺序
   • 偏移=当前片段的第一个bit在原始数据报数据部分中的bit位/8。
   • 之所以÷8，是因为标志位占了3bit，为了扩大13位片偏移的表达范围，就弄成8倍。巧合的是，上述计算一定可以整除。
8. 生存时间（8）：
   • TTL，给定初始值，通过一个路由器就-1。
   • TTL=64代表最多经过64个路由器，之后再经过路由器就会被丢弃，防止无休止路由浪费资源。
   • TTL=0还是可以被主机接收的，只是不能转路由器了
9. 协议（8）：
   • 表示应该交付给上层的哪个协议
     
10. 首部检验和（16）：
    • 只考虑首部计算的校验码
    • 检验流程类似于CRC，但是计算方法不同。
11. 源地址（32）。源头IP
12. 目的地址（32）。目标IP
13. 可选部分功能丰富，但是一般不用，成本较大

整体理解

核心其实就是3个，从哪里来，到哪里去，干什么用。

其他的各种字段都是用来辅助的。

IP数据报分片与长度精算

举个具体的例子。一个ICMP数据报，20B的首部，8B的ICMP首部，3500B的其他数据，所以数据部分为3508B。

以太网MTU=1500字节（以太网帧最大是1518字节，MTU只是其数据部分，即IP数据报），所以假设报头只有20B，则IP数据报片的数据部分最多只有1500-20=1480B

所以3508B切分为3片，bit位为0-1479，1480-2959，2960-3507。

逐部分解析：

1. 标志位。分片，所以DF=0。前两个MF=1，代表后面还有片，最后一片MF=0
2. 偏移量。1480恰好是8的倍数，我们分片的第一个bit所在的位置恰好是1480的倍数，自然也一定能整除8

IP地址

IP地址概述

IP地址和接口一一对应，不会重复。一般一台电脑只有一个接口，也就只有一个IP地址，但是一个路由器有很多接口，则会有很多IP地址。

IP地址是32位的，人手一个都不够用，更别说一个人有好几台设备了，毕竟当时也没想着给全世界的人用。于是现在诞生了128位的IPv6，号称给地球的每一粒沙子一个IP地址，但是此处我认为，现在的视野还是局限在地球的，万一以后扩展到了宇宙，IPv6还是不够用，还得用新的网络协议。

因为IPv4不够用，所以在管理方面是很严格的。最上面是世界，之后是地区级（RIR），地区下面是国家（NIR），国家下面是ISP（比如移动联通电信）

ISP拿到一批IP，之后根据自己的业务自行分配。

基本的IP地址结构分为两部分，网络号代表了你在哪个局域网，主机号代表了你是这个局域网里的哪个设备。

这种分级结构优点如下：

1. 便于管理。IP地址管理机构分配网络号，单位内部分配主机号。
2. 减轻路由负担。路由转发是在局域网之间的，因此其负担和网络号数量正相关。主机号的存在将一部分压力分到了局域网内部。

32位2进制太难记，于是切分成4部分记录，即点分十进制记法。每一部分占8bit，所以其范围是0-255。

分类的IP地址——ABCDE

一个地址对应一个局域网，两个局域网是不可以合并的，所以一个IP地址的主机号位数越多，那么其所在的局域网可以容纳的主机数量（IP数量）也就越多，由此根据位数对IP地址分级，通过开头的bit位特殊序列区分类别，A最高，C最低。

除此之外，还有一个1110开头的多播地址，后面会说。1111开头的特殊地址保留备用。

IP地址细节很多，首先要理解固定位以及两类特例：

1. 固定位。每一类网络都会固定特殊前缀
   • A类固定一位（0），B两位（10），C三位（100）
   • 去掉固定的前缀剩余的bit位才是这一类IP网络号的可变部分
2. 网络号特例，只存在于A类网络
   • 0代表本网络
   • 127代表本地软件环回测试
3. 主机地址特例，存在于所有网络
   • 全0代表本机IP的主机号，即默认值（比如本机是192.168.199.108，那么全0就代表108）
   • 全1代表该网络的所有主机，即广播。

由上即可得出下表，括号里是具体计算过程，先解释一下1，4列：

1. 考虑固定位计算2次幂，那么A类是8-1=7，B类是16-2=14，C类是24-3=21
2. 考虑网络号特例，因为只有A类有，所以A损失了两个网络号，BC类没有损失，直接就是2的n次方
3. 考虑主机号特例，ABC类都有，所以就都是先计算2的24，16，8次幂后减2。

再解释2，3列：

刚开始学，可能会认为这三类分法会浪费掉一些网络号，其实不完全是，ABC三类的IP地址的范围是连续的

1. A：0 000 0000到0 111 1111，即0-127
2. B：10 00 0000.0到10 11 1111.255，即128.0到191.255
3. C：110 0 0000.0.0到
   110 1 1111.255.255，即192.0.0到223.255.255
4. D（多播）：1110 0000.0.0.0到
   1110 1111.255.255.255，即224.0.0.0到239.255.255.255
5. E（预留）：1111 0000.0.0.0到
   1111 1111.255.255.255，即240.0.0.0到255.255.255.255

也就是说，从0.0.0.0到255.255.255.255，这5大类网络的划分理论上是连续的，只不过具体上有一些浪费，浪费在哪里呢？

1. 网络号特例：A类地址头尾损失了两个网络号，所以实际范围是1-126
2. 主机号特例：ABC类地址每个网络损失了两个主机号
   • A类区间是x.0.0.1到x.255.255.254
   • B类区间是x.x.0.1到x.x.255.254
   • C类区间是x.x.x.1到x.x.x.254
3. 多播：其实这不算浪费，2.6亿个多播组并没有那么多。
4. E类：预留其实也不算是浪费

所以说到头，实际上没有浪费，只需要知道两个特例让IP地址不完全连续，并且知道断在哪里即可。

分类IP的子网划分

一个网络号里主机号太多，可以划分几个子网出来，便于管理。

简单来说，子网号就是取原来主机号的前m位，因此，m取决于你要分的子网数量。如果是5-8个子网，那么就取m=3

可以看出，子网划分会浪费一些IP地址：

1. 子网号特例：
   • 一开始子网号不允许全0，全1
   • 现在可以，所以子网号特例不浪费
2. 不够2的n次幂个子网
   • m位子网号对应2的m次幂个子网号，如果要的子网不够这个数量，就会浪费一些子网号
3. 主机号特例
   • 每个子网内部，主机号都是不允许全0全1的
   • 不分子网，其实就是子网数量=1
   • 假设子网号m bit，则子网数量为$2^m$，则浪费的主机号数量为$2^m\times 2$，m越大，浪费的数量指数上升

因为路由器是以网络号转发的，那么可变长度的子网号就是个问题。由此，干脆就制造一个固定长度的子网掩码，网络号部分全1，其他全0，只需要让IP地址与子网掩码进行与运算即可得到网络号+子网号=当前子网的网络地址

如何判断多个IP地址是否在同一个网络？其实就是从子网掩码上下手：

1. 子网掩码长度相同
2. 网络地址相同

这两个是充要条件，代表两个IP的网络地址位数与值一样，其实就是网络地址完全一样。

不分类的IP地址——CIDR

IPv4分类IP地址便于管理，在前期做出巨大贡献，但是缺点很多，后期逐渐凸显：

1. IPv4设计有缺陷，数量不够
2. 大地址块（A类）浪费地址
3. 大变小浪费：大网络划分子网只是便于管理，并不增加IP地址，反而浪费地址
4. 小变大不行：不同网络号之间的网络无法合并

CIDR做了若干改变：

1. 合并：网络号和子网号=网络前缀，子网不复存在
2. 改名：一个网络前缀对应一个地址块，对应一片局域网
3. 斜线记法：子网掩码直接用斜线记法十进制数字表示，比如255.255.1111 0000.0，有20个1则就写20
   

前缀长度灵活可变，因此地址块大小是任意的，而不是ABCDE这几类大小。其中有三个特殊前缀长：

其中注意31，其实按照规定，主机号是不能全0全1的，但是31比较特殊，就允许这么做了。所以用30替代31也是可以的，30的话，就有4个主机，按规定去除00和11，同样是只剩下两个主机号可用。

总的来说，30和31都可以用，老习惯用30，新规定可以用31。

连续的网络前缀可以合并（路由聚合，构成超网），变成一个更大的局域网，而网络号不可以，两个C类就是两个C类。

下图中，四个25长度的前缀先两两合并，变成两个24长度前缀，再两两合并成一个23前缀。

聚合有什么好处呢？虽然没办法解决IP地址不足的问题，但是可以让网络前缀总量变少，这样就可以减轻路由表的条目数量，提高路由速度。

IP地址总结

1. 网络前缀+主机号=IP地址，网络前缀不分等级，只有地址块大小之分
2. 一个IP对应一个接口，一条链路两端有两个接口，其IP各不相同
3. 局域网内部使用交换机连接，局域网之间只能用路由器连接
   • 一个局域网对应一个网络前缀，网里除了和外部打交道的接口，其他接口的IP地址网络前缀必须一样。
   • 一个网络前缀可以分多个局域网（用路由器隔离，交换机起不到局域网隔离作用），但是一个局域网内部网络前缀一定一样
   • 网络号（网络前缀）不同，则一定代表两个局域网，必须用路由器连接

来个真实的例子：

1. 局域网。
   • $LA{N}_1$是一个局域网，其网络前缀是10.0.0.0/24。
   • 内部的所有机器网络前缀都是一样的
2. 网关。
   • 10.0.0.1是$LA{N}_1$和外接交流的唯一（有待考证）接口，因此叫“关”。
   • 记住，网关这个接口IP也是属于局域网的，所以前缀也要保持一致。
   • 网关IP，一般来说，我们习惯于把网关配成局域网的第一个IP，所以主机号往往是1
3. 路由器之间的局域网。
   • 路由器之间的每对接口都是一个局域网，网络前缀长度是31，代表点对点，用30也行。
   • 图中似乎是有一点小问题，网络前缀重复，也可能是我不知道的知识点，有待考证。
     

IP分组的转发

网际控制报文协议——ICMP

下一代网络协议——IPV6

路由选择协议

IP多播

虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

多协议标记交换MPLS

软件定义网络SDN