一. 概述

1. 功能

1.1 异构网络互联

使用中继系统（路由器）将两个以上的计算机网络连接起来，使数据报（分组）在不同网络之间的传输；

1.2 路由与转发

①路由选择：根据路由协议构造出路由表并更新、维护路由表
②分组转发：根据转发表将用户的 ip数据报 从合适的端口转发出去；

1.3 拥塞控制

出现过多的分组而引起网络性能下降称为拥塞；

①开环控制：静态的预防方法，中途无需修改；
②闭环控制：监测网络，即时调整；

2. 网络层提供两种服务

网络层提供数据报和虚电路两种服务；

2.1 虚电路

是【面向连接】的可靠传输；由网络来保证可靠传输
需要先建立连接 （全双工通信），然后沿连接传输分组，传输结束后拆除连接，保证分组有序到达

2.1 数据报

数据报是【无连接】的，将可靠传输交给主机来保证，使得路由器的设计简单
不事先为分组确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同的分组传输的路径可能不同。
数据报的分组首部携带完整的目的地址；
数据报是存储转发的方式，不需要建立连接；

3. 路由算法

路由表是通过各种算法得到的；
①静态路由算法：手动配置
②动态路由算法（自适应路由算法）：路由表是通过相互连接的路由器之间彼此交换信息，然后按照一定的算法优化出来的，这些路由信息会在一定的时间内不断更新，随时获得最优的寻路效果；

二. Ipv4

1. 三个历史阶段：

1.1 分类编址

A类地址网络号是前一个字节，B类前两个字节，C类是前三个字节；
判断：
左起第一个十进制的值判断类型： 0-127是A类地址，128-191是B类地址，192-223是C类地址

注：
主机号为全0的是网络地址；主机号全1的是广播地址，都不能分配给路由器、主机的各接口；
0.0.0.0 只能作为源地址使用，表示“在本网络上的本主机” ；
255.255.255.255 只能作为目的地址使用，表示“只在网络上进行广播”，路由器不转发（防止广播风暴）

例：
A类地址，网络号是8位，最高位固定为0，所以共有2的8-1次方个组合，就是128，所以最大十进制数就是127；
此时ip地址数量：2的（3x8）次方-2 （减去主机号全0的网络地址和全1的广播地址）；
最小网络号为1.0.0.0，最大网络号126.0.0.0 （不含网络地址和广播地址）

例：
B类网络号16位，最高固定为10，共有2的16-2次方个组合，每个地址可分配的ip数量：2的（2x8）次方-2=65534
网络号为128.0.0.0，最大网络号 191.255.0.0

例：
C类网络号24位，最高固定110，共2的24-3次方个组合，每个地址可分配的ip数量：2的（8）次方-2
网络号：192.0.0.0,最大网络号 223.255.255.0

1.2 划分子网的Ipv4地址、子网编码

由于固定分类的网络地址容易造成浪费，所以有划分子网的Ipv4地址，即借用主机号作为子网号；

计算机如何知道主机号有多少位用作了子网号---------子网掩码
子网掩码的 网络号和子网号全1，主机号全0；
使用IP地址和子网掩码相与得到子网的网络地址；

例：已知网络地址为218.75.230.0，使用子网掩码255.255.255.128进行子网划分，给出划分细节？
①由第一个十进制位218得出这是C类地址（191-255），即网络号占3个字节共24位；
②子网掩码前三个字节对应网络号，而最后一个字节是1000 0000 ，即借用1个主机号用作子网号，则每一个子网可分配的ip地址数量为2的（8-1）次方-2=126 ；

1.3 无分类地址的IPv4地址—CIDR

可分配地址数量：
地址掩码：

前20个1是网络前缀，后面12个是主机号，即可分配地址数量为2的12次方；

三. IP数据报的转发过程

【同一个网络中】的主机可以直接通信-----直接交付
【不同网络】的路由器需要路由器来中转----间接交付

源主机如何判断目的主机是否在同一个网络中 ？

①主机C将自己的ip地址和自己的子网掩码相与，得到主机C 自己的网络地址
②主机C再将主机F的网络地址和自己的子网掩码相与 得到 目的网络地址，
发现主机F的目的网络地址和C自己的一样则直接交付； 不一样，则不在同一个网络中需要路由器转发报文进行间接交付
③主机C将数据报传输给所在网络的路由器，由路由器将数据报交付给主机F ；

问：主机C如何知道应该把ip数据报交给哪个路由器进行转发 ？

为了让本网络的主机能和其他主机进行通信，就必须给网络指定一个路由器，由该路由器帮忙进行转发----默认网关

完整转发过程：

（1）首先从需要从【数据报首部】提取目的地址，检查首部校验和是否出错，出错则丢弃数据报并通知主机。
（2）与本路由器的子网掩码相与，看是否可以直接交付。即目的地址所在网络是否与该路由器直接连接，若连接则可直接交付，不需要再经过其他路由器的进行转发。否则间接交付，则执行3。
（3）查看路由表是否有对应的特定主机路由（特定主机路由用于控制、测试网络），有的话就转发给特定主机路由路由指定的下一跳地址，否则执行4。
（4）查看有没有到达目的网络的路由器，如果有，则根据符合规则的那一条一般路由指定的下一跳地址进行转发，否则执行5。
（5）若该路由器中的路由表设定了默认路由，则将分组转发到默认路由指明的地址，否则执行6
（6）丢弃该数据包，并报告转发失败；

广播风暴：

如果主机A给本网络的各设备发送一个广播数据报（ip的主机号全为1），即ip数据报的目的地址是广播地址，则路由器收到该ip数据报后并不会转发该数据报！
即路由器是隔离广播域的；
如果路由器收到广播数据报后都进行转发，则会造成巨大的广播风暴，严重浪费资源；

注意：

1. 路由器不提供可靠传输！
2. 中继器和集线器在【物理层】，既不隔离冲突域也不隔离广播域；
   网桥和交换机（多端口在网桥）工作在【数据链路层】，可以隔离冲突域，不能隔离广播域；
   路由器工作在网络层，既隔离冲突域，也隔离广播域 ；

四. IP数据报的首部格式

• 版本号：
  4比特
  通信双方使用的ip协议的版本号必须一致，目前广泛使用的版本号为4—即IPv4

• 协议字段：
  占8比特，指明IPv4数据报的数据部分是何种数据单元（传输层）；
  

• 首部长度：
  占4个比特，表示IP数据报首部的长度，该字段的取值以4字节为单位，即首部长度一定是4的整数倍
  最小十进制取值为5，表示整个IP数据报首部只有20字节固定部分
  最大十进制取值为15，表示整个IP数据报首部包含20字节固定部分和最大40字节可变部分

• 可选字段：
  长度从1到40个字节不等，用来支持排错、测量和安全等措施
  可选长度增加了IP数据报的功能，但也使得IP数据报的长度成为可变的，增加了路由器处理IP数据报的开销，
  可选字段很少被使用

• 填充字段：
  用来确保首部长度为4的整数倍，使用全0进行填充

• 区分服务字段：
  占8比特，用来获得更好的服务
  一般都不使用

• 总长度字段：
  占16个比特，用来表示IP数据报的总长度（首部+数据载荷）
  最大长度为十进制65535----2^16-1，实际中很少传这么长的数据报；

最大传输单元MTU：

每一种数据链路层都规定了帧的数据载荷的最大长度单元--------最大传输单元MTU
因为IP数据报被封装在链路层的数据报中，因此MTU严格限制了IP数据报的长度，当IP数据报总长度超过MTU时，无法封装成帧，就需要将IP数据报分片成更小的数据报，再将更小的数据报封装成帧；
以太网的数据链路层规定MTU=1500字节

五. 路由协议