网络层是两个核心层之一，其功能是将分组从源主机一路送到目的主机。本章围绕这个功能，探讨网络层的技术和协议。

网络层服务模型

网络层首先探讨了源和目的之间的通信网络的分类和提供的服务：

  • 数据报网络：提供无连接的服务，每个分组（数据报）独立路由，使用 IP 协议。特点：不维护连接状态，分组可能乱序到达。优点：鲁棒性强，适合动态路由。
  • 虚电路网络：提供面向连接的服务，通信前需建立虚电路（如 X.25、ATM、MPLS）。特点：所有分组沿相同路径按序到达，可以预留资源（QoS）。缺点：需要维护连接状态，容错性差（节点故障导致所有连接中断）。

网络层上的协议分为被路由协议（routed protocol）和路由选择协议（routing protocol）：

  • 被路由协议：为分组的路由提供所需要的信息，例如 IP 协议提供地址和分组格式。
  • 路由选择协议：用于填充路由表，如 RIP、OSPF、BGP。

IPv4 地址与子网划分

IPv4 地址表示和分类

IPv4 地址长度为 32 位，通常用点分十进制表示（如 192.0.2.1）。最初分为五类（A、B、C、D、E）：

  • A 类：首位 0，网络号 8 位，主机号 24 位（范围 0.0.0.0 – 127.255.255.255），但 0 和 127 保留，实际 1–126。
  • B 类：首位 10，网络号 16 位，主机号 16 位（128.0.0.0 – 191.255.255.255）。
  • C 类：首位 110，网络号 24 位，主机号 8 位（192.0.0.0 – 223.255.255.255）。
  • D 类（组播）：1110 开头，地址 224.0.0.0 – 239.255.255.255。
  • E 类（保留）：240.0.0.0 – 255.255.255.255。

子网划分与 CIDR

IPv4 地址资源按块分配给 ISP，个人用户从 ISP 获取 IP 地址。为了方便管理和节约 IP 地址，使用子网掩码（如 255.255.255.0）将主机号再分为子网号和子网内主机号。**可变长子网掩码（VLSM）**允许不同子网使用不同掩码长度，尽量不浪费地址。

CIDR（无类别域间路由）：舍弃固定类别，使用“前缀/长度”表示任意长度的网络前缀（例如 192.168.0.0/16）。CIDR 支持路由聚合（超网），大幅缩小路由表规模。

IP 寻址与 MAC 寻址的协作

IP 寻址用于跨网络通信（逻辑地址），而 MAC 寻址（物理地址）用于同一子网内的链路层传输。在数据传输过程中：

  • 源主机将 IP 分组封装成帧，目的 MAC 地址为下一跳路由器（或目的主机）的 MAC。
  • 路由器转发时，IP 分组（源和目的 IP 不变）被重新封装，MAC 地址每跳都更新。

地址解析协议（ARP）

在知晓通信对方的 IPv4 地址，但却不知其 MAC 地址时，启用地址解析协议（ARP）。工作原理：

  1. 发送方广播 ARP 请求（“谁拥有 IP X？请回复 MAC”）。
  2. 目标主机单播 ARP 应答（包含自己的 MAC）。
  3. 发送方将映射存入 ARP 缓存（通常 20 分钟有效期）。

当目的主机位于远程网络中时，必须使用默认网关（路由器），此时 ARP 请求的目标 IP 是网关 IP，从而获得网关 MAC。

ICMP（互联网控制消息协议）

IP 分组传输仅是尽力而为，会遭遇丢包、拥塞等异常。ICMP 提供差错报告和网络诊断。

  • 差错报告：目的不可达（3）、超时（11，如 TTL 为 0）、参数问题等。
  • 网络诊断：回声请求/应答（Type 8/0）用于 ping；时间戳请求用于测量延迟。
  • 著名的 traceroute 使用 TTL 逐跳递增和 ICMP 超时报文来探测路径。

NAT（网络地址转换）

IPv4 总地址池已于 2011 年枯竭，而网民人数还在逐年上升。NAT 是地址不够用的快速修补方案。

  • 私有地址：三个保留地址块（10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16），仅限内部网络使用，不接入公网路由。
  • NAT 工作原理：内部主机访问公网时，NAT 路由器将源 IP（私有）和端口号转换为公网 IP 和一个新端口，并维护映射表。返回数据时逆向转换。
  • NAT 局限性：破坏端到端透明性，外部无法主动连接内部主机（需手动配置端口转发或 UPnP）。

IPv6

IPv6 是大势所趋，其地址长度为 128 位，采用冒分十六进制表示（如 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334）。

IPv6 地址分类

  • 单播：唯一标识一个接口，包括全球单播（可聚合全球）、链路本地（FE80::/10）、唯一本地（FC00::/7）等。
  • 多播（FF00::/8）：代替 IPv4 广播。
  • 任播：分配多个节点，数据发送到最近的一个（按路由距离）。

地址获取与 DAD

IPv6 地址可以通过两种方式获取：

  • 无状态地址自动配置（SLAAC）：根据路由器通告的前缀 + 接口标识符（通常由 MAC 生成 EUI-64）自动生成地址。
  • 动态主机配置协议 v6（DHCPv6）：有状态配置，可下发 DNS 等信息。

获得的 IPv6 地址需要通过重复地址检测（DAD） 之后才可使用：节点发送邻居请求（NS）询问该地址是否已被使用，若无响应则地址有效。

邻居发现协议（NDP）

NDP 取代 IPv4 的 ARP，提供：

  • 地址解析：使用邻居请求（NS）/邻居通告（NA）获取链路层地址。
  • 路由器发现：主机通过路由器通告（RA）获知前缀和默认网关。
  • 地址自动配置：结合 SLAAC。
  • 重定向：路由器通知主机更优的下一跳。

IPv4 向 IPv6 过渡技术

三大类过渡技术：

  1. 双协议栈：节点同时运行 IPv4 和 IPv6，根据目的地址选择协议。
  2. 隧道技术：将 IPv6 分组封装在 IPv4 分组中，穿越 IPv4 网络（如 6to4、Teredo）。
  3. NAT-PT / NAT64：在边界网关处进行 IPv6 与 IPv4 地址和协议的转换。

路由选择协议

按照运行的位置，路由选择协议分为：

  • IGP（内部网关协议）：在一个自治系统（AS）内部运行，如 RIP、OSPF。
  • EGP（外部网关协议）：AS 之间运行，主要是 BGP。

距离矢量路由协议（RIP）

基本原理：每个路由器周期性地向邻居通告其到所有目的网络的“距离”（跳数），并更新自己的路由表。

  • RIP（Routing Information Protocol）：使用跳数作为度量（最大 15，16 表示无穷大）。每 30 秒广播更新。存在计数到无穷问题：链路故障时，错误路由信息在网中传播，需通过水平分割、毒性逆转、最大跳数限制（15）等方法缓解。
  • RIPv2：支持 CIDR、认证和多播。

链路状态路由协议（OSPF）

链路状态（LS）路由协议的基本原理是：发现、设置、构造、分发和计算。每个路由器通过洪泛 LSA（链路状态通告）收集全网的拓扑信息，用 Dijkstra 算法计算最短路径。

OSPF（开放最短路径优先）：

  • 五种报文：Hello（建立邻居）、数据库描述（DD，同步 LSA 摘要）、链路状态请求（LSR）、链路状态更新（LSU）、链路状态确认（LSAck）。
  • DR/BDR 选举：在广播多路访问网络（如以太网）中，选举一个指定路由器（DR）和备份 BDR 来减少 LSA 洪泛。
  • 分区域运行：将大型 AS 分为多个区域（Area 0 为骨干区域），区域内部计算详细路由，区域间汇总路由。好处：缩小路由表、隔离故障、减少 LSA 洪泛。

QoS（服务质量）

网络从免费走向商用时，QoS 问题就不可回避了。本章探讨了三个 QoS 模型：

  1. 综合服务模型（IntServ）：为每个流（如视频会议）预留资源，使用 RSVP 信令。可提供严格 QoS，但扩展性差，不适合大规模网络。
  2. 区分服务模型（DiffServ）：对流量分类标记（DS 字段），边界路由器标记流量类别，核心路由器按每跳行为（PHB）调度（如加速转发 EF、确保转发 AF）。可扩展性好，是目前主流的 QoS 方案。
  3. 多协议标签交换（MPLS）：在网络边缘给分组打上固定长度的标签，核心路由器根据标签快速转发（不查 IP 头）。支持流量工程和虚拟专用网（VPN），位于层 2 和层 3 之间。

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