目錄

• IP協(xié)議
  • IPv4
    • IPv4地址
    • IPv4數(shù)據(jù)報
  • IPv6
    • IPv4和IPv6的區(qū)別
    • 過渡技術(shù)
• 配套協(xié)議
  • ARP
  • ICMP
• 路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議
  • 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議RIP
  • 開放最短路徑OSPF
  • 邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP

一 IP協(xié)議

1.1IPv4

IPv4地址

IP 地址的編址方式經(jīng)歷了三個歷史階段：

（1）分類的IP地址

IP地址由兩部分組成：網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號。不同分類具有不同且固定的網(wǎng)絡(luò)號長度。

IP 地址 ::= {< 網(wǎng)絡(luò)號 >, < 主機(jī)號 >}

（2）劃分子網(wǎng)

通過在主機(jī)號字段中拿一部分作為子網(wǎng)號，把兩級 IP 地址劃分為三級 IP 地址。

IP 地址 ::= {< 網(wǎng)絡(luò)號 >, < 子網(wǎng)號 >, < 主機(jī)號 >}

要使用子網(wǎng)，必須配置子網(wǎng)掩碼。一個 B 類地址的默認(rèn)子網(wǎng)掩碼為 255.255.0.0，如果 B 類地址的子網(wǎng)號占兩個比特，那么子網(wǎng)掩碼為 11111111 11111111 11000000 00000000，也就是 255.255.192.0。

注意，外部網(wǎng)絡(luò)看不到子網(wǎng)的存在。

（3）無分類 / 構(gòu)成超網(wǎng)

無分類編址 CIDR的目的是按需分配。它消除了傳統(tǒng) A 類、B 類和 C 類地址以及劃分子網(wǎng)的概念，使用網(wǎng)絡(luò)前綴和主機(jī)號來對 IP 地址進(jìn)行編碼，IP地址從三級又回到了兩級編址。

IP 地址 ::= {< 網(wǎng)絡(luò)前綴號 >, < 主機(jī)號 >}

CIDR 的記法上采用在 IP 地址后面加上網(wǎng)絡(luò)前綴長度的方法，例如 128.14.35.7/20 表示前 20 位為網(wǎng)絡(luò)前綴。CIDR 的地址掩碼可以繼續(xù)稱為子網(wǎng)掩碼，子網(wǎng)掩碼首 1 長度為網(wǎng)絡(luò)前綴的長度。

CIDR把網(wǎng)絡(luò)前綴都相同的連續(xù)的IP地址組成一個“CIDR地址塊”，這種地址的聚合常稱為路由聚合或構(gòu)成超網(wǎng)。它使得路由表中的一個項目可以表示原來傳統(tǒng)分類地址的很多個（例如上千個）路由。

在路由表中的項目由“網(wǎng)絡(luò)前綴”和“下一跳地址”組成，在查找時可能會得到不止一個匹配結(jié)果，應(yīng)當(dāng)采用最長前綴匹配來確定應(yīng)該匹配哪一個。

Q：子網(wǎng)掩碼的作用是什么？
為了方便路由器進(jìn)行快速轉(zhuǎn)發(fā)使用的。
子網(wǎng)掩碼就是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)識，大大減少了路由表的路由項，提高轉(zhuǎn)發(fā)速度。

IPv4數(shù)據(jù)報

1.2 IPv6

IPv4和IPv6的區(qū)別

Q：IPv4和IPv6的區(qū)別：

1. IP地址方面：

• 地址空間增加：v4地址是32位，v6地址是128位；
• 地址表示不同：v4是點分十進(jìn)制，v6是冒分十六進(jìn)制；
  如：192.168.0.1 和 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344

2. ip數(shù)據(jù)報格式方面：

v6的頭部字段比v4精簡了很多，這樣可以使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸更快。

過渡技術(shù)

1. 雙協(xié)議棧：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，服務(wù)器等支持兩種協(xié)議棧
2. 隧道：通過隧道，IPv6分組被作為無結(jié)構(gòu)無意義的純數(shù)據(jù)封裝在IPv4的數(shù)據(jù)報中。或者反過來，IPv4分組被作為春數(shù)據(jù)封裝在IPv6的數(shù)據(jù)報中。
3. 地址轉(zhuǎn)換：把IPv4地址轉(zhuǎn)換到IPv6地址

二 配套協(xié)議

與 IP 協(xié)議配套使用的還有三個協(xié)議：

• 地址解析協(xié)議 ARP（Address Resolution Protocol）
• 網(wǎng)際控制報文協(xié)議 ICMP（Internet Control Message Protocol）
• 網(wǎng)際組管理協(xié)議 IGMP（Internet Group Management Protocol）

ARP

網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)主機(jī)之間的通信，而鏈路層實現(xiàn)具體每段鏈路之間的通信。在通信過程中，IP 數(shù)據(jù)報的源地址和目的地址始終不變，而 MAC 地址隨著鏈路的改變而改變。

ARP 實現(xiàn)由 IP 地址得到 MAC 地址。每個主機(jī)都有一個 ARP 高速緩存，里面有本局域網(wǎng)上的各主機(jī)和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

如果主機(jī) A 知道主機(jī) B 的 IP 地址，但是 ARP 高速緩存中沒有該 IP 地址到 MAC 地址的映射，此時主機(jī) A 通過廣播的方式發(fā)送 ARP 請求分組，主機(jī) B 收到該請求后會發(fā)送 ARP 響應(yīng)分組給主機(jī) A 告知其 MAC 地址，隨后主機(jī) A 向其高速緩存中寫入主機(jī) B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。

ICMP

ICMP 是為了更有效地轉(zhuǎn)發(fā) IP 數(shù)據(jù)報和提高交付成功的機(jī)會。ICMP允許主機(jī)或路由器報告差錯情況和提供有關(guān)異常情況的報告。

它封裝在 IP 數(shù)據(jù)報中，作為其中的數(shù)據(jù)部分，但是不屬于高層協(xié)議。

ICMP 報文分為差錯報告報文和詢問報文。

Ping：Ping 是 ICMP 的一個重要應(yīng)用，主要用來測試兩臺主機(jī)之間的連通性。

Ping 的原理是通過向目的主機(jī)發(fā)送 ICMP Echo 請求報文，目的主機(jī)收到之后會發(fā)送 Echo 回答報文。Ping 會根據(jù)時間和成功響應(yīng)的次數(shù)估算出數(shù)據(jù)包往返時間以及丟包率。

Traceroute：Traceroute 是 ICMP 的另一個應(yīng)用，用來跟蹤一個分組從源點到終點的路徑。

三 路由選擇協(xié)議

路由選擇可分為：

1. 靜態(tài)路由選擇/非自適應(yīng)路由選擇：由人工配置的路由。其特點是簡單和開銷較小，但不能及時適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。適用于很簡單的小網(wǎng)絡(luò)。
2. 動態(tài)路由選擇/自適應(yīng)路由選擇：能較好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，但實現(xiàn)較為復(fù)雜，開銷也比較大。適用于較復(fù)雜的大網(wǎng)絡(luò)。

互聯(lián)網(wǎng)采用的路由選擇協(xié)議主要是自適應(yīng)的，能隨著網(wǎng)絡(luò)通信量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。

互聯(lián)網(wǎng)可以劃分為許多較小的自治系統(tǒng) AS，在AS內(nèi)部和AS之間分別進(jìn)行路由選擇。比如一個大的ISP就是一個AS。這樣，互聯(lián)網(wǎng)就把路由選擇協(xié)議劃分為兩大類：

1. 自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由選擇：RIP 和 OSPF
2. 自治系統(tǒng)間的路由選擇：BGP

內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議RIP

RIP 是一種基于距離向量的路由選擇協(xié)議。使用跳數(shù)作為距離度量，直接相連的路由器跳數(shù)為 1。跳數(shù)最多為 15，超過 15 表示不可達(dá)。

RIP的特點：（和那些路由器交換信息？交換什么信息？在什么時候交換信息？）

• 僅與相鄰路由器交換信息。
• 路由器交換的信息是當(dāng)前路由器所知道的全部信息，即自己現(xiàn)在的路由表。
• 按固定的時間間隔交換路由信息。

RIP 協(xié)議實現(xiàn)簡單，開銷小。但是 RIP 能使用的最大距離為 15，限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，要經(jīng)過比較長的時間才能將此消息傳送到所有路由器。

開放最短路徑OSPF

開放最短路徑優(yōu)先 OSPF，基于Dijkstra 提出的最短路徑算法 SPF，使用鏈路狀態(tài)作為距離度量。

鏈路狀態(tài)包括與哪些路由器相連以及鏈路的度量/代價，代價用來表示費用、距離、時延、帶寬等，這些由網(wǎng)絡(luò)管理人員來決定。

OSPF 具有以下特點：（和那些路由器交換信息？交換什么信息？在什么時候交換信息？）

• 向本自治系統(tǒng)中的所有路由器發(fā)送信息，這種方法是洪泛法。
• 發(fā)送的信息就是與相鄰路由器的鏈路狀態(tài)，這只是自己知道的部分信息。
• 只有當(dāng)鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，路由器才會發(fā)送信息。

所有路由器都具有全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，并且是一致的。相比于 RIP，OSPF 的更新過程收斂的很快。

邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP

AS 之間的路由選擇很困難，主要是由于：

• 互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模很大；
• 各個 AS 內(nèi)部使用不同的路由選擇協(xié)議，無法準(zhǔn)確定義路徑的度量；
• AS 之間的路由選擇必須考慮有關(guān)的策略，比如政治、安全、經(jīng)濟(jì)等問題。

所以BGP 只能尋找一條比較好的路由，而不是最佳路由。

每個 AS 都必須配置 BGP 發(fā)言人，AS之間通過在兩個相鄰 BGP 發(fā)言人之間建立 TCP 連接來交換路由信息。

BGP所交換的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)行的信息就是要到達(dá)某個網(wǎng)絡(luò)所要經(jīng)過的一系列AS。

BGP發(fā)言人根據(jù)所采用的策略，從收到的路由信息中找到到達(dá)各自AS的較好的路由。也就是構(gòu)造連通樹形結(jié)構(gòu)。