网络层

网络层是端到端的最底层，完成的是发送方到接收方的事情。对于一个网络通信任务而言，其中可能会经过很多节点，这些节点之间我们考虑链路层以下的事情，而网络层描述了这整个通信任务的开始和结尾

网络层可能会跨越不同网络

我们使用一些中间设备，可以将两个计算机网络连接起来，我们之前学习的

物理层的中继器Repeater，集线器Hub
链路层的网桥Bridge，交换机Switch

这些都属于中间设备，但是我们认为这些设备只是扩大的网络，这些设别连接起来的节点仍然属于同一个网络

而不同网络之间真正的中间设备，也是网络层所管理的设备，是路由器Router，为到来的跨网络数据包根据其目的地找到一条路径，并且对应地将其转发

在更高层还有网关 Gateway 这个中间设备

由于历史原因，路由器有时也被称为网关

路由转发的大概流程是，主机将数据包发送给最近的路由器，路由器store数据包，直到其完成到达并且链路完成校验，数据包会被转发给路径上的下一个路由器，直到其达到目标主机

除了将异构网络互联，通过路由转发之外，网络层还关注拥塞控制（congestion control）和服务质量（quality of service）等话题

1. 提供给传输层的服务

无连接还是面向连接

在设计网络层的时候，其实产生过要投入无连接还是面向连接的争议

面向连接更可靠（OSI主张这个
无连接更快（网络上的任何做法终究是不可靠的）

最后是采用了无连接，但是在发展过程中也引入了面向连接的特性，大家更加注重服务质量了，与此相关的两个面向连接技术是MPLS和VLAN

屏蔽路由技术

不论采用哪种服务，都应该屏蔽路由技术的具体实现方式，传输层可用的网络地址应该有一套可以跨越LAN和WAN的统一编址方案

无连接服务的实现：数据报网络 datagram network

我们在物理层讨论了三种不同的交换方式，而在这里我们采用包交换 packet switching 的方式

将每个数据包独立注入网络中，并且为每个数据包独立路由（对每个数据包都分别进行一次寻路）。在该方式中，我们将数据包称为数据报 datagram，并且将该种网络称为数据报网络 datagram network

在这种方式中，每个数据报的首部要保存起目的地址，路由器根据该地址进行寻路

每个table保存了，我从自己到第一列的目标，需要先到哪里（第二列）

优点

网络造价降低，运行方式灵活
应对故障的能力强
不会独占某些电路
分组保持的源地址和目标地址

缺点

不保证，有序，可靠

面向连接的服务实现虚电路网络 virtual-circuit network

也是包交换，不是给每个数据包选择一条路径，而是建立一个连接，选择一条固定的路径，需要这个连接的都走这个路径

为什么叫虚电路，是因为这个连接并不存在，只是逻辑上存在

每个连接有一个连接标识符 connection identifier（下面的1，2这些东西），这种方式中，每个数据报不需要保存目的地址，而是保存 connection identifier，建立完虚电路之后，电路里的节点都保留着该VCID，而我们传输的分组也有VCID，根据这些内容就可以完成路由转发了

虚电路的优点

可靠，有序
对于长时间的频繁数据交换存在优势
分组内部没有目的地址，包含VCID，也就是虚电路号

缺点

虚电路需要建立->传输->拆除，有开销
一旦其中一个节点或一条链路出现了问题，整个虚电路都无法使用

要注意的是，网络传输中是否有确认，和网络层的选择没有任何关系

MPLS 似乎不考

两种网络的比较

其实就是各有优劣

SDN Software Defined Network 似乎不考？

拥塞控制

注意和链路层的流量控制做一个区分
开环控制，一种静态的控制方法，在设计网络的时候就规定好，而中途不修改
闭环控制，一种动态的控制方法，实时监控网络状态，基于反馈环路的设计

2. 路由算法

路由器的功能就是 路由 routing 和转发 forwarding 。

路由就是根据特定的路由算法来构造出路由表，同时不断进行更新维护
转发就是根据到来的数据包内容查询路由表，并从合适的端口转发出去

路由算法一般可以分为两种

静态路由 static routing / 非适应性算法 nonadaptive algorithm 简单且开销较小，在拓扑变化不大，路由选择清楚的场合很有用；但是不会动态调整也就无法应对故障和优化路由
动态路由 dynamic routing / 适应性算法 dapative algorithm 能够改善网络性能，有助于流量控制，受故障影响小，但是算法较为复杂，会增加网络负担，如果变化太快容易引起震荡，变化过慢会影响路由一致性

最优化路由的结果一定是一颗树，其实就是每个路由建立起自己的slink tree就行了

shortest path

这一部分主要有两个内容，一个是我们如何去衡量一个path length

另一个就是找最短路，就是Dijkstra算法

Flooding

就是当我们收到一个包，我们把包向除了其来的那个端口以外的所有端口，都发一遍

How to damp the flooding process

我对数据包维持一个数，每经过一跳将这个数减一，直到其为0的时候将该包丢弃
我对路由器维护一个来过的数据包的信息，当有个数据包又一次来到的时候，我们将其丢弃

Flooding的坏处是开销大，好处在于它几乎肯定能找到对应的路径（只要有可用的路径）

Distance Vector Routing / Bellman-Ford Routing

每一个节点维护一个表，维护的是我到某个节点的最短路是多少

当我们需要转发的时候

比如J要到F，我们让J所有相邻的节点，把它们的表发过来，我们观察一下这些相邻的表哪个离F最近（当然还要计算上J到该相邻节点的距离），进行转发

我们将这种和邻居交换信息得到结果的算法称为收敛 convergence

更新最佳路径的缺陷

首先，我们假设有ABC三个点，\(A\rightarrow B\rightarrow C\)，首先A从B那边交换得到信息，我能从B到C；然后这时候B到C的链路断了，此时B再进行查询，它会发现A那边记录着一条到C的链路（它不知道这条链路是否通过了自己），它又以为自己可以从A到C，此时就发生了错误

Link State Routing

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3. IPV4

IPV4是当前使用的IP协议的一种

3.1 IPV4 分组

这个分组的格式有一些需要记忆的部分

IHL 首部长度，占4位，以4B为单位，例如其为15的时候最大，那么首部此时为60B，最常见的情况是5
Total length总长度，占16位，指的是首部和数据部分之和，\(2^{16}-1\)
identification：标识一个IP数据报，由于IP数据报本身往往大于链路层帧的大小，因此IP数据报会被拆分成片，我们要确认一些片是否属于同一个IP数据报，就依赖这个字段
DF=0时，允许分片
MF=1，表示后面还有分片，MF=0，表示后面没有了
Fragment offset 13位，表示该片在原数据报中的相对位置，以8B为单位，因此分片的时候必须是8B的整数倍

分组分片

上述很多部分的设计都是为了IP报的分片机制，MTU表示了对应链路的一个最大传送单元