本篇部落格是考研期間學習王道課程 傳送門 的筆記，以及一整年裡對計算機網絡
知識點的了解的總結。希望對新一屆的計算機考研人提供幫助！！！
關于對 “網絡層” 章節知識點總結的十分全面，涵括了《計算機網絡》課程裡的全部要點（本人來來回回過了三遍視訊），其中還陸陸續續補充了許多内容，是以讀者可以相信本篇部落格對于考研計算機網絡 “網絡層” 章節知識點的正确性與全面性；但如果還有自主命題的學校，還需額外讀者自行再觀看對應學校的自主命題材料。
食用說明書：
第一遍學習王道課程時，我的筆記隻有标題和截圖，後來複習發現看隻看圖檔，并不能很快的了解截圖中要重點表達的知識點。
在第二遍複習中，我給每一張截圖中 标記了重點，以及 每張圖檔上方總結了該圖檔 對應的知識點 以及自己的 思考 。
最後第三遍，查漏補缺。
是以 ，我把目錄放在部落格的前面，就是希望讀者可以結合目錄結構去更好的學習知識點，之後沖刺複習階段腦海裡可以浮現出該知識結構，做到對每一個知識點熟稔于心！
請讀者放心！目錄展示的知識點結構是十分合理的，可以放心使用該結構去記憶學習！
注意(⊙o⊙)！，每張圖檔上面的文字，都是該圖對應的知識點總結，友善讀者更快了解圖檔内容。
《計算機網絡》第4章 網絡層
【考綱内容】王道 152
(一) 網絡層的功能
網課耗時：
0.5 h
- 異構網絡互聯
- 路由與轉發
- SDN基本概念
- 擁塞控制
(二) 路由算法
網課耗時：
0.5 h
- 靜态路由與動态路由
- 距離-向量路由算法
- 鍊路狀态路由算法
- 層次路由
(三) IPv4
網課耗時：
2.5 h
- IPv4分組
- IPv4位址 與 NAT
- 子網劃分 與 子網路遮罩、CIDR、路由聚合、ARP、DHCP 與 ICMP
(四) IPv6
網課耗時：
0.5 h
- IPv6的主要特點
- IPv6位址
(五) 路由協定
網課耗時：
1 h
- 自治系統
- 域内路由 與 域間路由
- RIP路由協定
- OSPF路由協定
- BGP路由協定
(六) IP多點傳播
網課耗時：
0.5 h
- 多點傳播的概念
- IP多點傳播位址
(七) 移動IP
網課耗時：
0.5 h
- 移動IP的概念
- 移動IP通信過程
(八) 網絡層裝置
網課耗時：
0.5 h
- 路由器的組成和功能
- 路由表與路由轉發
【複習提示】
本章是曆年考查的 重中之重 ，尤其是結合第3章、第5章、第6章出綜合題的機率很大；
其中IPv4以及路由的相關知識點是核心，曆年真題都有涉及，是以必須牢固掌握其原理，也要多做題，以便靈活應用；
本章的其他知識點，如 IP多點傳播、移動P、IPv6也要有所了解;
4.1 網絡層的基本概念
4.1.1 網絡層的功能
資料報 是比較長的資料，分組 是對資料報進行切割；
功能一：路由選擇與分組轉發
- 路由選擇：選擇哪一條路；
- 分組轉發：當一個分組到達時所采取的動作 (不保證有序到達)；
功能二：異構網絡互聯
将多個計算機網絡，通過一定方法和一些中間裝置（中繼系統）互相連接配接起來，構成更大的網絡系統；
- 實體層中繼系統：轉發器、集線器；
- 資料鍊路層中繼系統：網橋或交換機；
- 網絡層中繼系統：路由器；
- 網絡層以上的中繼系統：網關；
使用實體層或資料鍊路層的中繼系統時，隻是把一個網絡擴大了，而從網絡層的角度看，它仍然是同一個網絡，一般并不稱為網絡互聯。
是以網絡互聯通常是指用路由器進行網絡互聯和路由選擇。
路由器是一台專用計算機，用于在網際網路中進行路由選擇。
功能三：擁塞控制
當整個網絡負載過重，會導緻分組轉發速率很慢，很多分組被丢棄的情況；
擁塞：出現過量分組而引起網絡性能下降的現象；
擁塞控制的兩種方法：
- 開環控制：擁塞預防；
- 閉環控制：擁塞檢測與處理；
4.1.2 SDN的基本概念
網絡層的主要任務是轉發和路由選擇，可以将網絡層抽象地劃分為 資料層面 (也稱轉發層面) 和 控制層面，
- 轉發 是 資料層面 實作的功能；
- 路由選擇 是 控制層面 實作的功能。
可以單純地将 資料平面 當做 搬運工 的角色；
控制平面有兩種實作方法：
① 傳統方法（每路由器法）
每台路由器之間的路由選擇算法互相通信，得到路由表；
資料平面與控制平面都是在一個路由器内，
資料平面負責轉發（搬運工），控制平面負責計算轉發表并執行路由選擇算法；
② SDN方法
控制平面從路由器中分離出來，路由器隻負責轉發；
遠端控制器來負責計算和分發轉發表；
路由選擇處理器
SDN 控制平面
SDN 控制器的三個層次
習題
小結
4.2 IPv4 ⭐
4.3.1 IPv4 分組
1. IPv4 分組格式
IP資料報如果過大，就會對其分片，就是分組；
在本章節的學習中，可以宏觀地将IP資料報看作分組；
資料部分是傳輸層的封包段，這裡暫不對其介紹，關注首部即可；
2. IP 資料報分片
IP資料報分片由 辨別、标志、片偏移 字段記錄；
例題
注意總長度、片偏移、首部長度機關的差別
4.3.2 IPv4位址 與 NAT
1. IPv4 位址
IP位址的格式
IP位址分成兩個字段：網絡号 + 主機号 ；
簡單認識下網際網路中的IP位址
分類的IP位址
- A類：網絡号占1B (8位)，類别位 ；
- B類：網絡号占2B (16位)，類别位
；10
- C類：網絡号占3B (24位)，類别位
；110
- D類：多點傳播位址，一對多通信使用，類别位
；1110
- E類：類别位
，待到未來再使用；1111
特殊IP位址
A類：B類：
- 最大可用網絡數：27 - 2 ，
網絡号不可用；0000 0000、01111 1111
- 最大主機數：224 - 2 ，全0全1不可用；
C類：
- 最大可用網絡數：214 - 1 ；
- 最大主機數：216 - 2 ，全0全1不可用；
- 最大可用網絡數：221 - 1 ；
- 最大主機數：28 - 2 ，全0全1不可用；
2. 網絡位址轉換 NAT
路由器對目的位址是私有IP位址的資料報一律不進行轉發，也就是無法與外界網絡通信；
此時就需要使用 網絡位址轉換NAT 進行網絡通信；
端口号：可以唯一地辨別主機中的某一個具體程序；
舉例：
假設現在A主機要發送資料給B主機，那麼發送資訊中的位址字段有 源位址、目的位址、端口号 ；
到了NAT路由器就會發生轉換，源IP位址替換為Lan端對應的WAN端的IP位址，端口号也同樣；
B主機要發資訊給C主機，源位址就是B主機的IP位址，目的位址就是A主機連接配接的NAT的IP位址；
B發送資訊的端口号就是 4002 ，到了NAT會被識别，轉換成 C主機的端口号 30001 ；
4.3.3 子網劃分與子網路遮罩、CIDR
1. 子網劃分
因為 分類的IP位址 存在缺點，是以改進采用 子網劃分 技術；
- IP位址空間的使用率低：主機号的位數很多，但是很多情況下，某個網絡連接配接的主機數并不多；
- 兩級IP位址不過靈活：不能靈活增加本地機關的網絡；
網絡内部可以任意劃分子網，每個子網自身的IP位址不同，但是對外展示的都是源網絡IP位址；
外界無論發送資訊到子網中的某台主機，就需要借助 子網路遮罩 ；
2. 子網路遮罩
習題練習
每個路由器都有一個路由轉發表
3. 無分類編址 CIDR
舉例說明
構成超網
4.3.4 ARP、DHCP與ICMP
| ARP | DHCP | ICMP |
|---|---|---|
| 提供服務的協定 | UDP | IP |
| 屬于哪一層 | 應用層 |
1. 位址解析協定 ARP
ARP 高速緩存 (主機或路由器内)：存放 區域網路内 的 IP 位址 到 MAC 位址 的映射；
若ARP中沒有對應IP位址的MAC映射，此時就要使用到 ARP位址解析協定 ；
1号主機 廣播 ARP請求分組 (從交換機廣播出去)，包含：自身 IP1 、目的主機 IP3 、自身 MAC1、目的主機實體位址 (全F) ；
(全F就是全1，表示區域網路内廣播效應的請求分組)；
- 遠方傳來 單點傳播 ARP響應分組，包含：目的主機 IP3 、目的主機實體位址 MAC3 ；
上圖是同一個區域網路内，1号主機 與 3号主機 通信時 缺少位址映射 的情況；
下圖介紹不同區域網路内，1号主機 與 5号主機 的通信情況：
- ① 1号主機 在 ARP中 查找5号主機的相關資訊，查找失敗；
- ② 1号主機使用自己的子網路遮罩，與 IP5 想與，檢視是否在同一個 網段 内，發現不在；
- ③ 檢視預設網關 (路由器) 的MAC位址，此時資料幀中的目的實體位址暫填 MAC6（路由器靠近1号主機的端口實體位址）；
- ④ 1号主機 廣播 ARP請求分組，得到預設網關的IP位址 (IP6) ；
- ⑤ 遠方傳來 單點傳播 響應分組，得到 IP6 、MAC6 ；
- 此時資料到達鄰接路由器，路由器的網絡層對資訊再一次封裝，其中一些資訊就會發送相應的改變；
- ⑥ 源IP位址、目的IP位址不變，源MAC位址、目的MAC位址 發生改變；
- ⑦ 路由器A 轉到 路由器 B；
- ⑧ 資料到了路由器B，此時就和5号主機處在同一個區域網路内，問題就變回上圖中的情況；
小結下 ARP協定 的使用過程
課上例題
2. 動态主機配置協定 DHCP
主機如何獲得IP位址 ？
- 靜态配置：管理者給機房靜态地、按序地配置設定IP位址（IP位址、子網路遮罩、預設網關）；
- 預設網關：一個區域網路，與外界進行交流的 網絡關口 ；
- 動态配置：主機從DHCP伺服器動态擷取 IP位址、子網路遮罩、預設網關、DNS伺服器名稱 ；
3. 網際控制封包協定 ICMP
小結下 TCP/Ip協定棧 的層級關系，注意 從屬、大小 關系；
ICMP協定負責實作 差錯報告 / 網絡探詢 ，針對出錯的分組，除了丢棄之外，還需要發送特定的 ICMP封包 ；
① ICMP 差錯報告封包
ICMP差錯報告封包的資料字段的形成過程
什麼樣的封包出錯時，ICMP 不管它 ？
（選擇題可能考）
② ICMP 詢問封包
ICMP的應用舉例（具體去百度）
4.3 IPv6
1. IPv6 資料報格式
IPv6的基本首部是 固定 的 (40B)，把IPv4的 可變部分 移到 有效載荷 中的 擴充首部 字段；
2. IPv6 和 IPv4 的差別
- 更大
- 更快
- 更靈活
- 更強大
3. IPv6 位址的表示形式
實作 IPv4 與 IPv6 的通信；
- 雙棧協定；
- 隧道技術；
4.4 路由算法和路由協定 ⭐
4.4.1 路由算法
4.4.2 路由協定
| 哪一層 | 協定 | |
|---|---|---|
| RIP | 應用層 | UDP |
| OSPF | 網絡層 | IP資料報 |
| BGP | 應用層 | TCP |
把這個網際網路分成幾個小團體，每個小團體就是一個 自治系統 ；
自治系統 使用的協定對于外界是 透明的 ；
4.4.3 RIP協定 及 距離-向量路由算法
1. RIP協定
2. 距離-向量算法
==RIP 封包：==各路由器交換資訊的封包；
舉例練習
3. RIP協定的封包格式
并不需要記憶RIP封包各字段，隻需要了解 RIP封包 - UDP使用者資料報 - IP資料報 之間的層次關系即可；
慢收斂：一個網絡出故障，需要較長時間才能發現；
好資訊傳的快：有最新的更短路徑資訊，更新的很快；
小結
4.4.4 OSPF協定 及 鍊路狀态路由算法
1. OSPF協定
最短路徑算法 SPF
2. 鍊路狀态路由算法
==OSPF 區域：==對 自治系統 AS 進一步劃分，主幹區域 和 普通區域；
采用分層次的劃分區域方法，可以使得每個路由區域内的資訊通信量大大減少；
OSPF 分區
OSPF 其它特定
- 30分鐘一次，很持久；
- OSPF适用于較大網絡；
- 發生問題，很快就能發現；
4.4.5 邊界網關協定 (BGP)
1. BGP協定的基本概念
2. BGP協定交換資訊的過程
BGP發言人 交換 路徑向量
路徑向量：一組完整路徑；
王道計算機網絡課代表 - 考研計算機 第四章 網絡層 究極精華總結筆記《計算機網絡》第4章 網絡層
3. BGP協定封包格式
章節小結
4.5 IP 多點傳播
4.5.1 多點傳播的概念
① 單點傳播
點 對 點；
② 廣播
點 對 所有點；
③ 多點傳播 (多點傳播)
點 對 可選擇的點
4.5.2 IP多點傳播位址
IP多點傳播的兩種情況：
- 在網際網路的範圍内進行多點傳播；
- 隻在區域網路上進行硬體多點傳播；
硬體多點傳播
多點傳播MAC位址都以 01-00-5E 開頭
4.5.3 IGMP 與 多點傳播路由選擇協定
1. 網際組管理協定 IGMP
一個主機有多個程序，若這多個程序都是多點傳播組的成員，那麼每個程序都可以有一個多點傳播的IP位址；
下圖中
226.15.37.123
是下圖中加入多點傳播組的主機共同的多點傳播位址，而圖中各主機的IP位址是它們本身的IP位址；
每個路由器可以使用IGMP協定，當它收到一個多點傳播組，可以判斷是否給它區域網路内的主機；
IGMP協定不知道哪些區域網路内多點傳播成員的個數，也不知道成員在哪個區域網路；
IGMP隻能幫助路由器知道自身區域網路内有沒有多點傳播成員；
注意下ICMP與IGMP的層級關系，它們都可以使用 IP資料報- 傳遞封包；
ROUND 1：
A：我要加入 (IGMP 封包)；
管理者1：這小子要加入 (多點傳播路由選擇協定)；
ROUND 2：
管理者1：你們哪一個是二五仔？(沒有二五仔了，不上報消息了)；
2. 多點傳播路由選擇協定
章節小結
4.6 移動 IP
4.6.1 移動IP的概念
4.6.2 移動IP的通信過程
歸屬代理 (老媽)、外部代理 (親戚)
A 剛進入外部網絡 (去親戚家玩)
- ① 我來了，該住哪裡啊？
- ② 親戚告訴老媽我住哪裡；
- ③ 老媽回到：我知道了；
- ④ 親戚：我告訴你媽關于你的消息了；
4.7 網絡層裝置
4.7.1 路由器的組成和功能
路由器按功能分成兩大部分： 轉發 v.s 路由選擇
- 路由選擇部分：為建構、維護 路由表 所服務；
- 分組轉發部分；根據 轉發表 對分組進行轉發 (轉發表 由 路由表得來的)；
- 轉發在 路由器内部 ，從輸入端口 選擇 一個輸出端口進行轉發 (并不是收到的所有分組都會被轉發，例如RIP/OSPF分組)；
- 路由選擇在 路由器之間 ，選擇一個合适的路由路徑；
輸入端口對分組的處理
輸出端口對分組的處理
三層裝置的差別 ⭐
4.7.2 路由表與路由轉發
4.8 常見問題和易混淆知識點
1. “盡最大努力傳遞”有哪些含義 ？
1）不保證源主機發送的P資料報一定無差錯地傳遞到自的主機。
2）不保證源主機發送的IP資料報都在某一規定的時間内傳遞到目的主機。
3）不保證源主機發送的IP資料報一定按發送時的順序傳遞到目的主機。
4）不保證源主機發送的P資料報不會重複傳遞給目的主機。
5）不故意丢棄IP資料報。丢棄P資料報的情況是:路由器檢測出首部校驗和有錯誤；
或由于網絡中通信量過大,路由器或目的主機中的緩存已無空閑空間。
但要注意，IP資料報的首部中有一個“首部校驗和”。
當它檢驗出IP資料報的首部出現了差錯時，就丢棄該資料報。
是以，凡傳遞給目的主機的IP資料報都是IP首部沒有差錯的或沒有檢測出差錯的。
也就是說，在傳輸過程中，出現差錯的IP資料報都被丢棄了。
現在網際網路上絕大多數的通信量都屬于“盡最大努力傳遞”。
如果資料必須可靠地傳遞給目的地,那麼使用P的高層軟體必須負責解決這一問題。
2.“IP網關”和“IP路由器”是否為同義語?“互連網”和“網際網路”有沒有差別 ？
當初發明TCP/IP的研究人員使用TP Gateway作為網際互聯的裝置，可以認為“IP網關”和“I路由器”是同義詞。
“互連網”和“網際網路”都是推薦名，都可以使用，不過建議優先使用“網際網路”。
3. 在一個網際網路中，能否用一個很大的交換機( switch)來代替網際網路中很多的路由器 ？
不行。交換機和路由器的功能是不相同的。
交換機可在單個網絡中與若幹計算機相連，并且可以将一台計算機發送過來的幀轉發給另一台計算機。從這一點上看，交換機具有集線器的轉發幀的功能，但交換機比集線器的功能強很多。在同一時間，集線器隻允許一台計算機發送資料。
路由器連接配接兩個或多個同構的或異構的網絡，在網絡之間轉發分組（即·P資料報)。
是以，如果許多相同類型的網絡互聯時，那麼用一個很大的交換機（如果能夠找其他計算機進行通信，交換機允許找得到）代替原來的一些路由器是可行的。但若這些互聯的網絡是異構的網絡，那麼就必須使用路由器來進行互聯。
4. 網絡字首是指網絡号字段( net-id）中前面的幾個類别位還是指整個的網絡号字段 ？
是指整個的網絡号字段，包括最前面的幾個類别位在内。網絡字首常常簡稱為字首。例如一個B類位址10100000 00000000 00000000 00010000，其類别位就是最前面的兩位:10，而網絡字首就是前16位:10100000 00000000。
5. IP有分片的功能，但廣域網中的分組則不必分片，這是為什麼?
IP資料報可能要經過許多個網絡，而源結點事先并不知道資料報後面要經過的這些網絡所能通過的分組的最大長度是多少。等到P資料報轉發到某個網絡時，中間結點可能才發現資料報太長了，是以在這時就必須進行分片。
但廣域網能夠通過的分組的最大長度是該廣域網中所有結點都事先知道的，源結點不可能發送網絡不支援的過長分組。是以廣域網沒有必要将已經發送出的分組再進行分片。
6. 資料鍊路層廣播和IP廣播有何差別 ？
資料鍊路層廣播是用資料鍊路層協定（第二層》在開個以太網上實作的對該區域網路上的所有主機進行廣播MAC幀，而P廣播則是用P通過網際網路實作的對一個網絡(即目的網絡）上的所有主機進行廣播IP資料報。
7. 主機在接收一個廣播幀或多點傳播幀時，其CPU所要做的事情有何差別?
在接收廣播幀時，主機通過其擴充卡〔即網絡接口卡(NIC)〕接收每個廣播幀，然後将其傳遞給作業系統。CPU執行協定軟體，并界定是否接收和處理該幀。在接收多點傳播幀時，CPU要對擴充卡進行配置，而擴充卡根據特定的多點傳播位址表來接收幀。凡與此多點傳播位址表不比對的幀都将被NIC丢棄。是以在多點傳播的情況下，是擴充卡NIC而不是CPU決定是否接收一個幀。
8. 假定在一個區域網路中計算機A發送ARP請求分組，希望找出計算機B的硬體位址。
這時區域網路上的所有計算機都能收到這個廣播發送的ARP請求分組。
試問這時由哪個計算機使用ARP響應分組将計算機B的硬體位址告訴計算機A?
這要區分兩種情況。第一，如果計算機B和計算機A都連接配接在同一個區域網路上，那麼就是計算機B發送ARP響應分組。第二，如果計算機B和計算機A不連接配接在同一-個區域網路上，那麼就必須由一個連接配接計算機A所在區域網路的路由器來轉發ARP請求分組。這時，該路由器向計算機A發送ARP回答分組，給出自己的硬體位址。
9. 路由器實作了實體層、資料鍊路層、網絡層，這句話的含義是什麼 ？
第1章中提到了網絡中的兩個通信結點利用協定棧進行通信的過程。發送方一層一層地把資料“包裝”，接收方一層一層地把“包裝”拆開，最後上交給使用者。路由器實作了實體層，資料鍊路層和網絡層的含義是指路由器有能力對這三層協定的控制資訊進行識别、分析以及轉換，直覺的了解是路由器有能力對資料“包裝”這三層協定或者“拆開”這三層協定。自然，路由器就有能力互聯這三層協定不同的兩個網絡。