网络层的路由与IP协议概览
网络层服务
- 在发送主机和接收主机对之间传送段(segment)
- 在发送端将段封装刀数据报中
- 在接收端，将段上交给传输层实体
- 网络层协议存在于每一个主机和路由器
- 路由器检查每一个经过它的IP数据报的头部
关键功能
转发
将分组从路由器的输入接口转发到合适的输出接口路由
使用路由算法来决定分组从发送主机到目标接收主机的路径（路由选择算法，路由选择协议）
网络层平面
- 数据平面
- 本地的，没有路由器自身功能
- 决定从路由器输入端口到达的分组如何转发到输出端口
- 转发功能：
传统方式：基于目标ip地址 + 本地路由转发表
SDN方式：基于多个字段+流表
- 控制平面
- 网络范围内的逻辑
- 决定数据报如何在路由器之间路由，决定数据报从源到目标主机之间的端到端的路径
- 控制平面算法
传统路由算法：在路由器中实现
软件定义网络：在远程的服务器中实现
路由器
通用路由器体系架构：
- 路由： 运行路由选择算法，路由协议(RIP,OSPF,BGP) 生成路由表。（按照ip地址网络号进行单条路由）
- 转发：从输入到输出链路交换数据报-根据路由表进行分组的转发。
| Destination Subnet Num | Mask | Next | Interface |
|---|---|---|---|
| 202.38.73.0 | 255.255.255.192 | IPX | Lan1 |
| 202.38.64.0 | 255.255.255.192 | IPY | Lan2 |
| .... | |||
| Default | - | IPZ | Lan0 |
- 获得IP数据报的目标地址
- 对于转发表中的每一个表项
按照规则（IP Des Adds) & (mask) == destination 匹配，按照表项对应的接口转发该数据报。
如果都没有找到，则使用默认表项转发数据报。
输入端的功能
在不同底层的数据功能支持下的，将处理好的数据在网络层的路由器中进行分布式交换信息。
从基础物理信号转成数字信号的比特流数据，在链路层将数据封装好成帧，在向上传给网络层。
当交换机的速率小于输入端口的速率时，在输入端口的数据报可能要排队。根据不同的策略进行调度分配。
交换结构
将分组从输入缓冲区传输到合适的输出端口。
交换速率：分组可以按照不同的速率从输入传输到输出。
交换结构：
输出端的功能
- 党数据报从交换机的到达速率比传输速率快，就需要输出端口缓存
- 由调度规则选择排队的数据报进行传输。（选择下一个要通过链路传输的分组)
常用调度机制：FIFO,优先权调度，多类等。
IP概论
IP数据报格式
IP分片和重组
网络链路有MTU(最大传输单元): 链路层帧所能携带的最大数据长度
不同的链路类型(比如以太网, ATM网络..) 有不同的MTU标准。大的IP数据报在网络上被分片
一个数据报被分割成若干个小的数据报（在IP数据报格式字段中：有相同的ID,不同偏移量，分片标记)
重组智能在最终的目标主机上进行
IP头部的信息被用于标识，排序相关的分片
IP分片和重组的例子
IP地址
IP地址
32位标识，对主机或者路由器的接口地址接口（主机/路由器和物理链路的连接处）
路由器通常拥有多个接口
主机也可以有多个接口
ip地址和每一个接口关联一个IP地址和一个接口相关联
IP子网（subnet)
- 一个子网内的节点（主机或者路由器），它们的IP地址高位部分相同(网络号)。
- 无需路由器介入，子网内的各主机可以在物理上互相直接到达。
内网IP地址
- 专用地址： 地址空间的一部分供专用地址使用
- 不会被当作公网地址分配，不会与公网地址重复
- 路由器不对目标地址是专用地址的分组进行转发
- 专用地址范围（内网地址范围)
A类： 10.0.0.0 ～ 10.255.x.x
B类： 172.16.0.0 ～ 172.31.255.255
C类： 192.168.0.0 ～192.168.255.255
IP编地址：CIDR（classless inter domain routing)
- 子网部分的划分可以在任意的位置
- 地址格式 a.b.c.d/x , 其中x是地址中子网号的长度。
NAT: network address translation
NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是一种网络技术，它允许一个整个网络中的多个设备共享一个或一组公共IP地址。NAT主要用于在私有网络（如家庭或企业内部网络）和公共网络（如互联网）之间进行通信时，转换数据包的源地址和目的地址。
NAT的类型主要有三种：
- 静态NAT：为内部网络中的每个设备分配一个固定的公共IP地址。
- 动态NAT：为内部网络中的设备动态分配公共IP地址，通常来自一个地址池。
- 端口地址转换（PAT）：也称为NAT过载，允许多个设备共享单个公共IP地址，通过改变源端口号来区分不同的会话。
实现： NAT的路由器必须：
- 外出的数据包： 替换源地址和端口号位NAT IP地址和新的端口号，目标IP和端口不变。远端的C/S 将会用NAT IP地址，新端口号作为目标地址。
- 需要记住每个转换替换对（NAT的转换表的端口映射）
- 进入的数据包： 替换目标IP地址和端口号，采用存储在NAT表中的mapping 表项，用源IP，端口。
