一、网络层的功能

（一）网络层的功能

1.路由选择和分组转发

（二）软件定义网络（Software Defined Network，SDN）

软件定义网络（SDN）是一种新兴的网络架构，它将数据平面和控制平面分离，以实现更高效、更灵活、更可靠的网络管理。在传统的网络架构中，路由器、交换机等网络设备都有各自的控制平面和数据平面，而且这些设备之间的通信受限于特定的协议和硬件。而在SDN中，

数据平面和控制平面是软件定义网络（SDN）中的两个核心概念，它们分别实现了

SDN（Software Defined Networking）是一种新型的网络架构，其中SDN控制器是整个网络的核心部件。SDN控制器实现了网络的控制、管理和监控，从而使得网络的灵活性、可编程性和可定制性大幅提升。

二、路由算法与路由协议概述

路由算法和路由协议是用来实现计算机网络中的路由选择功能的。

自治系统（AS，Autonomous System）是指

（一）路由信息协议-RIP协议

RIP（Routing Information Protocol）是一种距离向量路由协议，用于在互联网中进行路由表的维护和更新。RIP最初由Xerox公司开发，后来被TCP/IP协议列为标准之一。

距离向量算法的核心思想是：每个节点通过自己到达其它节点的路径长度（距离）来计算到其它节点的距离，再将这些距离以向量的形式记录在路由表中。每个节点通过向其它节点发送自己的距离向量，并从其它节点收到距离向量，更新自己的路由表。

RIP（Routing Information Protocol）报文格式如下：

（二）开放最短路径优先协议-OSPF协议

OSPF（Open Shortest Path First）是一种开放式的链路状态路由协议，属于TCP/IP协议族中的一种。它是目前应用最为广泛的内部网关协议（IGP）之一，主要用于传输IP数据包在网络中的路由选择和转发。

链路状态路由算法（Link-State Routing Algorithm）是一种基于网络中各节点状态信息的路由计算方法。在这种路由算法中，每个路由器都会采集有关自己和相邻节点之间的链路状态信息，并将其广播给该网络中的所有其他路由器。路由器收集到的链路状态信息包括链路带宽、延迟、可靠性等指标，以及该链路所连接的节点地址等。

OSPF（Open Shortest Path First）是一种基于链路状态路由算法的内部网关协议，其主要特点包括支持区域化、分组、多路径和可靠性等功能。

（三）边界网关协议-BGP协议

BGP（Border Gateway Protocol）是一种基于路径向量的外部网关协议，主要用于在互联网中不同自治系统（AS）之间的路由选择和交换。以下是BGP协议的一些特点：

BGP（Border Gateway Protocol）协议的报文格式主要分为两部分，即BGP头部和BGP消息体。其中，BGP头部包括固定长度的16字节信息，用于标识BGP报文的类型、长度和版本等信息；而BGP消息体则是可变长度的部分，用于携带具体的路由信息。

RIP（Routing Information Protocol）、OSPF（Open Shortest Path First）和BGP（Border Gateway Protocol）都是常见的路由协议，但它们有各自不同的特点和应用场景。以下是它们之间的主要对比：

三、IPv4

在网络层中，ARP、IP、ICMP和IGMP是实现不同功能的协议，它们之间有着密切关系。

（一）IPv4分组

1.IPv4分组格式

IP数据报是TCP/IP协议族中网络层的数据格式，用于在不同网络之间传输数据。它由首部和数据两部分组成，其中首部包含了一些必需的字段，用于控制数据报的传输和处理过程，而数据则包含了传输的实际数据。

2.IP数据报分片

IP分片是指将一个IP数据报按照一定的规则分成多个小片进行传输的过程。由于不同网络的MTU（最大传输单元）大小不同，如果一个大的IP数据报在传输过程中遇到MTU限制，就需要进行分片处理。

（二）IPv4与NAT

1.IPv4地址

IPv4地址按照网络规模和需求的不同，被分为五个类别：A、B、C、D和E。其中前三种类别是正式使用的IP地址，后两种则是作为特殊用途的保留地址。

2.网络地址转换-NAT

网络地址转换（NAT）是一种在IP网络中将私有网络地址转换为公共网络地址的技术。私有网络地址是指在局域网内使用、不对外公开的IP地址范围，而公共网络地址则是可以在Internet上进行路由的、全球唯一的IP地址。

（三）子网划分与子网掩码、CIDR

1.子网划分

子网划分是对一个大型网络进行进一步划分，将网络划分成若干个更小的子网，每个子网有独立的网络地址和主机地址范围。子网划分的主要目的是提高网络性能、安全性和管理效率。

2.子网掩码

子网掩码（Subnet Mask）用于划分网络中不同的子网，它是一个32位的二进制数，其中前面的连续的1代表网络地址，后面的0则代表主机地址。具体来说，子网掩码可以将IP地址分成两部分，一部分是网络地址，用于标识网络；另一部分是主机地址，用于标识主机。

3.无类别域间路由（Classless Inter-Domain Routing、CIDR）

CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类域间路由选择）是一种用于对IPv4地址进行编址和路由选择的技术。相较于传统的IP地址分类方法，CIDR更加灵活、高效，可以更好地利用IP地址资源，提高网络的可扩展性和灵活性。

超网（Supernet）是一种将多个相邻的网络地址汇聚为一个更大的网络地址的技术。它在IP网络路由中起到了精简路由表、减少路由器负担的作用，同时也提高了网络的运行效率。

CIDR的最长前缀匹配（Longest Prefix Match）是指在一个拥有多个CIDR地址的IP网络中，路由器在进行路由选择时，根据目标IP地址的最长匹配前缀，选择最优的路由路径进行转发。

（四）地址解析协议-ARP协议（Address Resolution Protocol）

ARP（Address Resolution Protocol）协议用于将逻辑地址（如IP地址）转换为物理地址（如MAC地址）

之前连接过就会有ARP缓存，当目标设备的MAC地址（网卡）未改变且ARP缓存未过期时，就不需要重新发送ARP请求来获得目标设备的MAC地址。

（五）动态主机配置协议-DHCP协议

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）是一种在局域网中自动分配IP地址的协议。DHCP协议可以为需要上网的设备提供IP地址、子网掩码、默认网关等网络参数，从而使设备能够正常地进行网络通信。

（六）网际控制报文协议-ICMP

1.ICMP的概念和组成

ICMP（Internet Control Message Protocol，网络控制报文协议）是一种在IP网络中用于传递控制消息的协议。通过ICMP协议，网络中的各种设备可以相互发送控制信息，以维护网络状态、进行故障排除等。

2.ICMP的类型

ICMP协议中的一项重要功能是差错报告，它可以帮助网络管理员快速定位并解决网络问题。当IP数据包在传输过程中出现错误时，会触发ICMP协议发送差错报告。

ICMP协议还提供了一种重要的功能，即询问报文（Echo Request）和回复报文（Echo Reply）。通常使用 ping 命令来测试主机之间的网络连通性，就是基于这种机制实现的。

3.ICMP的应用

ICMP协议广泛应用于网络故障排查、网络测量、网络管理、流量控制等方面。

四、IPv6

（一）IPv6产生原因

IPv6产生的原因主要有以下几点：

（二）IPv6数据报格式

Version：4位字段，表示IPv6的版本号，取值为6。

（三）IPv6与IPv4的不同

IPv6和IPv4有以下几点不同：

（四）IPv6地址表现类型

IPv6地址有以下三种表现类型：

（五）IPv6基本地址类型

IPv6基本地址类型包括以下三种：

（六）IPv6向IPv4过度的策略

IPv6向IPv4过度的策略主要有以下几种：

五、IP组播

（一）IP数据报的三种传输格式

IP数据报有三种传输格式，分别是标准格式、松散源路由选项格式和严格源路由选项格式。

（二）IP组播地址

IP组播地址和硬件组播是网络中两种不同的组播概念。

（三）IGMP协议与组播路由选择协议

IGMP协议（Internet Group Management Protocol）是一种用于管理IP组播的协议，它是TCP/IP网络体系结构中的一个重要协议。IGMP协议在主机和组播路由器之间传递信息，通过IGMP协议，主机可以向路由器发送它想订阅的组播地址，而路由器则可以根据这些信息，动态地维护组播转发树，从而实现高效的组播传输。

组播路由选择协议是一种用于管理和维护组播路由表的网络协议，它主要负责将组播数据包从源主机传输到多个目的主机。以下是几种常见的组播路由选择协议：

六、移动IP

（一）基本概念和相关术语

移动IP（Mobile IP）是一种用于在移动性网络中支持无线终端用户进行移动通信的协议。它使得用户可以在不改变网络地址的情况下，从一个网络移动到另一个网络，同时仍然能够保持网络连接。

（二）通信过程

移动IP的通信过程可以分为四个步骤，以下是详细的解释：

七、网络层设备路由器

（一）路由器

路由器是计算机网络中用于转发数据包的网络设备。其主要功能是根据目标地址选择最佳的转发路径，并将数据包从一个接口传输到另一个接口，实现不同网络之间的通信。路由选择和分组转发是路由器工作的两个重要方面，下面分别进行介绍：

路由器的输入端口和输出端口是路由器内部与外界进行数据交换的重要接口，其分别对线路上收到的分组和传送来的分组进行处理。下面分别介绍它们的处理过程：

（二）路由器、网桥、集线器之间的区别

路由器、网桥和集线器是计算机网络中常用的三种设备，它们都具有连接不同设备的作用，但是它们在功能和应用场景上存在着明显的区别。下面分别介绍一下它们之间的不同点。

（三）路由器与路由转发、转发表

路由表和转发表是网络中两个非常重要的概念，它们都记录了数据包的转发规则和转发路径，但是在实际应用中有着不同的作用。下面分别介绍一下路由表和转发表。