1. 概述

1.1 网络层的由来

在数据链路层中，我们提到了MAC地址这个唯一的身份编址。理论上，单单依靠MAC地址，上海的网卡就可以找到洛杉矶的网卡了，技术上是可以实现的。但是，这样做有一个重大的缺点。以太网采用广播方式发送数据包，所有成员人手一”包”，不仅效率低，而且局限在发送者所在的子网络。也就是说，如果两台计算机不在同一个子网络，广播是传不过去的。这种设计是合理的，否则互联网上每一台计算机都会收到所有包，那会引起灾难。

因此，必须找到一种方法，能够区分哪些MAC地址属于同一个子网络，哪些不是。如果是同一个子网络，就采用广播方式发送，否则就采用”路由”方式发送。
这就导致了”网络层”的诞生。它的作用是引进一套新的地址，使得我们能够区分不同的计算机是否属于同一个子网络。这套地址就叫做”网络地址”，简称”网址”。于是，”网络层”出现以后，每台计算机有了两种地址，一种是MAC地址，另一种是网络地址。两种地址之间没有任何联系，MAC地址是绑定在网卡上的，网络地址则是管理员分配的，它们只是随机组合在一起。

1.2 网络层的主要功能

TCP/IP体系中的网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。网络层不提供服务质量的承诺，不保证分组交付的时限，所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序。进程之间通信的可靠性由运输层（下一章）负责。

注释：
（根据评论已修正，现在关系是对的）数据报和分组的关系：数据报是一段比较长的数据，将它进行切割成一段段之后就得到分组
功能一就是让数据在路由器之间走最佳的路径
功能二就是让不同的设备（手机，电脑，平板等）都能正常连接
功能三见图中解释
开环控制就是在拥塞之前就提前设计解决
闭环控制就是在拥塞时自动调整解决问题
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OSI参考模型 各层次的传输单元
应用层 报文
传输层 报文段
网络层 IP数据报，分组（如果IP数据报太大就切割成分组）
数据链路层 帧
物理层 比特流

2. 数据交换方式

为什么要进行数据交换？因为每个节点之间都拉网线太麻烦了也不实际，所以通过大量交换设备互联进行数据交换
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2.1 电路交换

常见的例子：打电话
注释：
链路支持多路复用（可参考数据链路层的TDM等）
特点是独占资源，因为两者建立了连接
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2.2 报文交换

注释：报文发送的过程
1.源先根据报文加上ip地址，物理地址等，通过物理层发送
2.交换机收到报文之后，先进行存储，等待链路空闲之后进行转发，但是转发的路径不是固定的，是比较随机的
3.最后通过许多交换机最终到达目的地
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2.3 分组交换

分组交换和报文交换基本相同，就是将报文切割之后再进行发送
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2.4 分组交换和报文交换的具体计算对比

注释：是怎么计算的？
报文交换：一共三段，每段都需要10000bit/1000bps=10s，三段就是3x10=30s
分组交换：可以分为两段，一个是第一个数据开始发到最后一个数据从源发出，一段是最后一个数据到达目的地。第一段总时间是10000bit/1000bps=10s，第二段总时间是（10/1000）*2=0.02s，所以总时间是10.02s。
理解一下，这里就是报文交换的时候，由于报文没有分割，所以即使先到的数据也不能先发走，只能等到最后一段报文全部到了之后才能一起走，相对于分组交换明显拖慢了前面数据的速度，所以导致报文交换明显慢于分组交换
可以看到分组交换明显快于报文交换，所以我们通常使用分组交换
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2.4.1 分组传输的两种传输方式-数据报与虚电路

综述

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数据报

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虚电路

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3. 路由算法和路由协议概述

路由算法就是让路由知道收到报文之后下一步怎么走
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AS就是多个路由器之间构成的单独的小圈子，圈子内使用自己的协议，圈子和圈子之间用的是BGP协议
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3.1 RIP协议和距离向量算法

3.1.1 RIP协议概述

通过交换信息构建路由表
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3.1.2 如何建立路由表

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3.1.3 RIP协议报文格式

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3.1.4 RIP协议特点

就是来回更新路由表，错误信息被覆盖，导致直至达到距离上限强制错误时才可以得知出错
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3.1.5 距离向量算法

注释：
为什么改地址？因为图中是从x得到的信息
为什么距离固定+1？因为路由器只从相邻路由器之间获取RIP报文，举例只会是1
为什么下一跳是x就要替换？因为网络环境不断变化，可能这次某个节点挂掉，所以保持最新的
为什么下一跳不是x时有更新和不处理两种手段？因为这样可以提高效率，比原来快就换，比原来慢就保留原来的，也可以理解
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3.2 OSPF协议和链路状态算法

3.2.1 OSPF协议概述

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3.2.2 OSPF的其他特点

为什么OSPF收敛速度快？因为它只是刷新一下链路状态，得知其是否连通，不需要和RIP一样进行对照，而是直接通过Dijilstra算法来自己算出路径
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3.2.3 链路状态路由算法

了解即可
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3.2.4 OSPF区域

了解即可
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3.2.5 OSPF分组

了解即可
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3.3 BGP协议

3.3.1 BGP协议简介

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3.3.2 BGP协议交换信息的过程

了解即可，只需要知道BGP交换协议里面交换的是一组路径向量
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3.3.3 BGP协议报文格式

BGP是应用层协议
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3.3.4 BGP协议特点

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3.3.5 BGP的四种报文

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3.4 三种路由协议的比较

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4. IP数据报

4.1 IP数据报格式

注释：

名称 注释 大小
版本 Version ipv4或者ipv6 4位
首部长度 IHL 此处数值再乘以4才是真正大小，同时因为IP数据报固定长度为20字节，所以此处最小值为5，即二进制的0101 4位
区分服务 DSCP + ECN 希望获得哪种服务，用的比较少 8位
总长度 Total Length 首部+数据的长度，最大为2^16-1=65535 16位
标识 Identification 用来表示是哪一个数据报的分片，不同的分片标识各不相同 8位
标志 Flags 用来表示是否分片和分片是否结束 3位，但实际有用的只有后两位
片偏移 Fragment Offset 用来标记分片之后，该分片在原来的数据报的位置，以8字节为单位 13位
生存时间 Time To Live 即TTL，没经过一个路由器TTL-1,0时自动放弃，根据系统不同默认的TTL不同 8位
协议 Protocol 用来标记协议名的字段值，如TCP,UDP,ICMP等等 8位
首部检验和 Header Checksum 检验首部的字段是否出错，出错就丢弃此数据报
源地址 Source IP Address 发送方ip地址 32位
目的地址 Destination IP Address 接收方ip地址 32位
可选字段 Options 用来排错等安全检测 未知，可在0-40位之间
填充 将数据报对齐成4字节的整数倍，数值全部为0 未知，根据可选字段来定

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计算偏移量时记住是以0开始的就行，以每一篇最开始的除以8得到的数值就是偏移量
MF和DF的定义见上图
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5. IP

5.1 ipv4地址

全球唯一的表示某一个主机或者路由器接口的编码

5.1.1 ip地址分类

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5.1.2 特殊ip地址

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环回地址用于测试本主机网络层功能，该地址是用来发送给本主机的，并不向外发出去

5.1.3 私有ip地址

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私有IP地址只能在本网、专用网中使用 ，在互联网(外网)中路由器无法识别这些ip地址

解释一下
为什么A类最大是126.xxx.xxx.xxx？
因为网络号最开始第一位是0，一共八位，所以二进制表示位0xxxxxxx，最大就是2^7-1=127，但是因为127.xxx.xxx.xxx是特殊ip地址，所以将其去掉
为什么B类最大是191.255.xxx.xxx？
因为网络号最开始第一位是10，一共八位，所以二进制表示位10xxxxxx，最大就是10111111=191，最小就是10000000=128，无特殊ip地址
为什么C类最大是223.255.xxx.xxx？
因为网络号最开始第一位是110，一共八位，所以二进制表示位110xxxxx，最大就是11011111=223，最小就是10000000=192，无特殊ip地址

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5.2 网络地址转换NAT

注释：连接内网和外网，就是找个代理的用它的ip地址与外面收发数据
NAT需要构建NAT转换表，既要存广域网（WAN：外网）也要存局域网（LAN：内网）的ip地址和端口号
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5.3 子网划分和子网掩码

5.3.1 为什么需要子网划分

总结一下，就是ip不够用，所以需要额外整个子网扩展ip
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注： 为什么子网号能全0或者全1：因为CIDR编址（可见下一段）

5.3.2 子网掩码

子网掩码就是用来和ip地址一起计算子网的地址的，也可用来区分网段，掩码与主机号比较来判断该主机是否属于该网段
方法就是讲子网掩码逐位写成二进制然后而原来ip地址进行与运算，就可以得到子网ip地址
因为255是11111111，所以如果写着255的话，ip地址和子网ip地址对应的地方的数值就相同
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习题1：
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这道题可以看出来，即使子网掩码不同，相同ip地址对应的子网ip地址也可能相同
但是子网掩码不同，划分的子网数目不同
为什么划分的子网数目不同？或者说怎么算划分的子网位数目？
以255.255.192.0为例，255是11111111即八个1,192是11000000即2个1，一共是8×2+2=18个1，一共有32位地址，所以剩余有32-18=14位
以255.255.224.0为例，255是11111111即八个1,224是11100000即3个1，一共是8×2+3=19个1，一共有32位地址，所以剩余有32-19=13位

习题2：
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这道题先将255.255.252.0计算出一共有8+8+6=22位网络号位
所以就有32-22=10位主机号位
将180.80.77.55解析，可以知道在77部分某部分开始会用来表示主机号位
77的二进制是0100 1101，因为一共有22位网络号位，所以010011 （此处分开） 01，从这个01开始是主机号位。
所以用来表示子网ip地址的应该是180.80.76（010011 00）.xxx PS注意76括号内后两位二进制00
但是本体是发布广播地址，所以主机号全部都要是1
所以应该是180.80.79（010011 11）.255（11111111）注意79括号内后两位二进制11

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注：
1.这里特定主机路由就是指找特定的处理这里这个ip地址的路由
2.默认路由会将这个数据报发给另一个路由，直至找到对应的路由，或者TTL耗尽被丢弃

5.4 无分类编制CIDR

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使用CIDR可以聚合网络
如图，通过缩短前缀，R1和R2就可以合并在206.1.0.0/16的子网下
但是这样转发表之中就会有多个匹配结果，所以我们使用最长前缀匹配
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最长前缀匹配就是在计算后符合同一子网的时候，选前缀越长的
这道题选B
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因为本网络是192.168.5.0/24，就是192.168.5.（0000 0000）/24，将248写成二进制是11111 000，有五个1，所以前五位都可以作为子网的编号，剩下的三位就是用来分配子网内剩余的地址了，因为不能全0或者全1，所以还要减2
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5.5 ARP协议

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5.6 DHCP协议

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5.7 ICMP协议

5.7.1 ICMP协议概述

ICMP，IGMP处于网络层和传输层之间，就是为了更好地转发ip数据报和提高交互成功的几率
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5.7.2 ICMP差错报告报文

ICMP差错报告报文如何与IP数据报结合

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五种ICMP差错报文

其中源点抑制已废弃不用
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四种不发送ICMP差错报文的情况

注释：组播是指由一点到多点，但不是无脑发到所有点，无脑发到所有点的是广播，组播有筛选条件

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5.7.3 ICMP询问报文

四种ICMP询问报文

后两种是掩码地址请求和回答报文，路由器询问和通告报文，这两个已经废弃不再使用
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5.7.4 ICMP的应用

1.ping命令：测试两个主机之间连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文
2.traceroute命令：跟踪一个分组从原点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文
traceroute命令讲解

6. IPV6

6.1 为什么会有IPV6

就是IPV4地址用完了，从根本上增加ip地址数目，之前讲的NAT和CIDR也只是在IPV4的基础上扩展了IPV4地址数目，治标不治本
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6.2 IPV6地址表示形式

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6.3 IPV6数据报格式

名称 作用 位数
版本 Version 知名协议版本，此处因为是ipv6所以总是6 4位
优先级 Traffic Class 又来区分数据报的类型和优先级 8位
流标签 Flow Label 和ipv4标识某个数据报分片不同，这是对于一整个数据报流的标记 19位
有效载荷长度 Payload Length 指的是扩展首部+数据部分的大小，和ipv4的总长度和首部长度都不同，ipv6的首部长度是固定的40字节 16位
下一个首部 Next Header 基本首部的下一个首部指的是有效载荷里标记的的扩展首部，有效载荷里的扩展首部再指向有效载荷里标记的的扩展首部，直至最后指向数据 8位
跳数限制 Hop Limit 基本相当于ipv4当中的TTL，每到一个路由器-1.减到0时丢弃 7位
源地址 Source Address 发送方ipv6地址 128位
目标地址 Destination Address 接收方ipv6地址 128位

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6.4 IPV4和IPV6的区别

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6.5 IPV6基本地址类型

名称 作用 要求
单播 一对一通信 可做源地址，目的地址
多播 一对多通信，以前的广播地址当做覆盖所有主机的多播 可做目的地址
任播 一对多当中的一个通信，看似一对多，实则一对一 可做目的地址

6.6 IPV4和IPV6之间的过渡

如果是ipv6的数据报到了ipv4，就用ipv4重新封装，把ipv6数据报前面加上ipv4伪装成ipv4数据报继续传输，直至到了ipv6路由再解开ipv4伪装
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7. IP组播（多播）

7.1 什么是组播

单播只能一对一，广播必须一对全部，组播就可以是一对全部中的一部分
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辅助理解：单播所占资源多
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组播明显减轻了压力
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7.2 IP组播地址

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7.3 硬件组播

就像全F的mac地址代表广播一样，00-10-5E打头的MAC地址就代表组播
7为什么最大是00-10-5E-7F-FF-FF？因为只有最后23位决定

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7.4 IGMP协议与组播路由选择协议

7.4.1 IGMP协议

注释：IGMP只能知道有没有组播组成员，对有几个组播组成员，成员在哪个地方都不知道
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7.4.2 组播路由选择协议

有了这个，成员可以自行找到转发组，自行决定参加哪个组播（就像电视机选台一样）
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8. 移动IP

移动IP不等于动态IP（DHCP获得的）
移动IP的可以让用户因为地理原因等等，即使不在内网也可以访问内网的东西

8.1 移动IP的相关术语

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8.2 移动IP通信过程

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9. 网络层设备

9.1 路由器

9.1.1 路由器的构造

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9.1.2 路由器的输入输出端口构造

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9.1.3 集线器，网桥，路由表几层设备比较

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9.1.4 路由器的路由表和转发表

这里实际上就是对前面知识的复习了
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10. 本章思维导图

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本章常用名词中英文对照

Forwarding table 转发表
Virtual-circuit networks 虚电路网络
Datagram networks 数据报网络
Signaling message 信令报文
Active queue management 主动队列管理
Head-of-the-line 队头
Classless interdomain routing (CIDR) 无类域间路由
Plug-and-play 即插即用
Anycast 任播
Interior gateway protocols 内部网关协议
Routing information Protocol 路由信息协议（RIP）
Open shortest Path First OSPF 开放最短路径优先
Area border routers 区域边界路由器
Circuit Switching 电路转换
Packet Switching 分组交换

参考资料
2019 王道考研 计算机网络
网络层思维导图
思维导图来自此处