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七、路由器与路由选择
1、表驱动IP进行路由选择
路由器：进行路由选择的计算机。
路由选择一般采用表驱动的路由选择算法。每台设备存放一张路由表，该表存储有关可能的目的地址及怎样到达目的的信息。
(1)标准路由选择算法
路由表中包含许多(N，R)的有序对，N是目的地址，R是到N的路径中下一个路由器的地址。每个路由器中仅保存下一站，并不知完整路径。
为减少路由表长度或提高路由效率，路由表中的N一般使用目的网络的地址，不是目的主机地址。
(2)子网选择路由-------标准路由选择算法的扩充
IP采用子网编址后，将路由表改为(M,N,R)，其中M为子网掩码，N为目的网络的地址，R为下一个路由的IP地址。
(3)路由表的特殊路由
使用网络地址可以极大缩小路由表规模，路由表也可包含两种特殊的路由表目，即默认路由和特定主机路由。
默认路由：如果路由表没有指定达到目的的网络的路由信息，就可以把数据报转发到默认路由指定的路由器。
特定主机路由：主要表项(包括默认路由)是基于网络地址的。为单个主机指定特别的路径就是特定主机路由。
(4)统一的路由选择算法
允许使用任意的掩码形式，子网路由选择算法不但能按照同样的方法处理网络路由、默认路由、特定主机路由，还可以将标准路由选择算法作为一个特例。
2、路由表的建立与刷新
路由选择的正确与否依赖于路由表的正确与否。路由表分为静态路由表和动态路由表两种。
(1)静态路由表
静态路由表有人工管理，一般情况下不会发生变化，但当连接或拓扑结构变化时，网络管理员必须人工对路由表做出更新。
优点：安全可靠，简单直观;缺点：一旦路径错误，路由表的配置比较麻烦。
(2)动态路由表
动态路由是通过自身学习自动修改和刷新路由表。它适应拓扑结构复杂，规模庞大的网络环境。
为区分速度快慢，延迟的时间，修改和刷新路径时需要给每条路径生成一个数字，该数字称为度量值。度量值越小，路径越好。
度量值的特征如下：
跳数：到达目的地经过的路由器的个数。
带宽：链路的数据传输能力。
延迟：数据从源到目的经过的时间。
负载:网络信息流的活动数量。
可靠性：数据传输过程中的差错率。
开销：一个变化值，可根据带宽、建设费用、维护费用等因素确定。
动态路由虽然适应复杂网络，但修改和刷新路由表本身需要消耗资源。
动态路由应用比较广泛的有两种：路由信息协议(RIP)和开放式最短路径优先协议(OSPF)。RIP是利用向量-距离算法，OSPF则是链路-状态算法。
3、RIP协议与向量-距离算法
基本思想：由路由器周期性地向其相邻路由器广播自己知道的路由信息，用于通知相邻路由器自己可以到达的网络以及到达该网络的距离(跳数)，相邻的路由器根据收到的信息修改和刷新自己的路由表。
RIP协议：可以在局域网中直接实现。规定了路由器之间交换路由信息的时间、交换信息格式、错误的处理等内容。
RIP协议除严格遵守向量距离路由选择算法外，还做了一些改进，包括：(1)对相同开销路由的处理。按先入为主的原则处理。(2)对过时路由的处理：出现开销更小的路由时，代替原有的路由，否则一直保持下去。
4、OSPF协议与链路-状态路由算法
又称最短路径优先算法。基本思想：互联网上的每个路由器周期性的想其他路由器广播自己与相邻路由器之间的关系，每个路由器都可以获得网络中的所有联通情况，根据连通情况和最短路径算法，计算出自己到达各个网络的最短路径。
链路状态路由算法具有收敛速度快、支持服务类型选路，适合庞大复杂环境的网络等优点。但OSPF协议的缺点主要包括：
要求较高的路由器处理能力：网络规模越大，对内存和CPU的处理能力要求越高
一定的带宽要求：为得到相邻路由器的信息，要求路由器不断发送和应答查询信息，OSPF协议要具有一定的带宽要求。
静态路由一般适应小型网络、RIP适应小到中型的网络，而OSPF适应大型、多路径、动态的IP网络。
八、IPV6协议
1、IPv4的局限性
地址空间的局限性：IP地址空间耗尽制约了互联网的发展，子网划分、无类域间路由(cidr)等方法虽使IP地址得到有效的利用，但也仅仅是缓解了地址短缺的矛盾。
IP协议的性能问题：主要目标是网络之间的数据可靠、健壮和高效传输提供有效机制，但在性能上还有改进的余地。
IP协议的安全性问题：IP协议对安全性考虑较少。
自动配置问题：IP协议设计初没有考虑自动配置问题。后来最优DHCP(动态主机配置协议)在一定程度上解决了地址自动配置问题，但需要对DHCP服务器配置，比较麻烦。
服务质量(QoS)保证问题：IP的QoS保证主要依赖于协议头中的服务类型，但其功能有限。Internet需要提供有效的QoS机制，保证实时数据的传输质量。
2、IPv6 地址
(1)IPv6的地址表示：128位地址长度。(IPv4地址长度32位)
基本表示法：按16位一段，每个位短转换为4位十六进制数，并用冒号隔开。如：21DA:0000:0000:0000:02AA:000F:FE08:9C5A
零压缩法：在有多个零出现时，用一位0标识一个位段。如上面地址描述为：21DA:0:0:0:2AA:F:FE08:9C5A
IPv6前缀：与无类域间路由类似，IPv6采用前缀表示法形如“地址/前缀长度”。前缀是IPv6的一部分，用来表示路由或子网标识。例如：21DA:D3::/48是一个路由前缀，而21DA:D3:0:2F3B::/64是一个子网前缀
(2)IPv6地址类型
单播地址：标识一个区域中单个网络接口。
组播地址：称多播地址，用于表示一组网络接口。数据会送到该组的所有接口。
任播地址：泛播地址，也用于表示一组网络接口，可发送到组内任意接口，但通常发送到最近的一个，从单播地中分配。
特殊地址：全0地址(地址不存在)，回送地址(0：0：0:0:0：0:0:1),IPv4兼容的IPv6的地址，映射到IPV4的IPv6地址等。
3、IPv6的数据报
IPv6的数据报由一个IPv6的基本头、多个扩展头和一个高层协议数据单元组成。基本头40字节长度。一些可选的内容放在扩展头部分实现，此种设计方法可提高数据报的处理效率。IPv6数据报格式对IPv4不向下兼容。
各域段含义：
版本：取值为6，意思是IPv6协议。
通信类型：表示IPv6的数据报类型或优先级，以提供区分服务。
流标记：流是特定从源到目的结点之间的数据报序列，一个流由源IP地址和非零的流标记唯一标识。
载荷长度：有效载荷长度，包含扩展头和高层数据。
下一个报头：存在扩展头，该域段的值指明下一个扩展头的类型;如果无扩展头，该域段的值指明高层数据的类型，如TCP、UDP或ICMPv6等。
跳数限制：IP数据报丢弃之前可以被路由器转发的次数。
源地址：源IPv6的地址
目的地址：大多情况下，该域段为最终目的结点的地址，如果有路由扩展头，目的地址可能为下一个转发路由器地址。
4、IPv6扩展头
IPv6的基本报头固定40字节长，一些可选头信息由IPv6扩展头实现。IPv6的基本头中“下一个报头”字段指出第一个扩展头类型。每个扩展头中都包含“下一个报头”字段用以指出后继扩展头类型。最后一个扩展头中的“下一个报头”字段指出高层协议的类型。
扩展头包含的内容：
逐跳选项头：类型为0，由中间路由器处理的扩展头。
目的选项头：类型为60，用于中间节点或目的结点指定数据报的转发参数。
路由头：类型43，用来指出数据报在从数据源到目的结点过程中，需要经过一个或多个中间路由器。
认证头：类型51，用于携带通信双方进行认证所需的参数。
封装安全有效载荷报头：类型52，与认证头结合使用，也可单独使用，用于携带通信双方进行认证和加密所需的参数。
5、IPv6的地址自动配置分为两类：有状态地址配置和无状态地址配置两种形式。
无状态地址配置：128的IPv6地址由64位前缀和64位网络接口标识符组成。如果主机与本地网络的主机通信可以直接通信;如果与其他网络互联时，主机需要从网络中的路由器中获得该网络使用的网络前缀，然后与64位网络接口标识符结合形成有效的IPv6的地址。
有状态地址配置：自动配置需要DHCPv6服务器的支持，主机向DHCPv6服务器发多播“DHCP请求信息”，DHCPv6返回“DHCP应答消息”中奖分配的地址返回请求主机，主机利用该地址作为自己的IPv6进行配置。
九、传输控制协议(TCP)与用户数据报协议(UDP)—(传输层)
1、端对端通信
传输层需要提供从一台主机到另一远程主机的端对端通信控制。传输层利用互联层发送数据，每一传输层都需要封装在一个互联层的数据报中通过互联网，到达目的地后，互联层再将数据提交给传输层。
注意：传输层虽然使用互联层来携带报文，但互联层并不阅读或干预报文。传输层仅把互联层看作一个包通信系统，这一通信系统负责连接两端的主机。
2、传输控制协议(TCP)
保证可靠性是传输层的主要责任。
(1)TCP提供的服务：从TCP用户的角度看，TCP可以提供面向连接、可靠的、全双工的数据流传输服务，保证数据在连接关闭之前被可靠地投递到目的地。
TCP提供的服务有如下特征：
面向连接：发送数据前，应用程序首先建立一个到目的主机的连接。
完全可靠性：TCP确保通过一个连接发送数据正确到达目的地，不会发生数据丢失或乱序。 来源:考试大网
全双工通信：TCP允许任意一方，任意时刻发送数据。
流接口：TCP提供了一个流接口，应用程序利用它可以发送连续的数据流。
连接的可靠性与优雅关闭：建立连接的过程中，TCP保证新连接不会与其他连接混淆;连接关闭时，TCP确定之前传递的所有数据都可靠地到达目的地。
(2)TCP的可靠性实现
TCP建立在IP协议提供的面向非连接、不可靠的数据传输服务基础上(IP协议运行在互联层，只报告不负责纠正)，因此必须实现可靠传输。可靠性问题即包括数据丢失后的恢复问题，又包括连接的可靠性建立问题。
(3)数据丢失与重发
TCP建立在一颗不可靠的虚拟通信系统上，数据的丢失可能经常发生，一般发送方利用重发技术补偿数据报的丢失。需要通信双发协同解决。
接收方正确接收数据包，要回复一个确认信息给发送方;而发送方发送数据是启动一个定时器，在定时器到时之前，如果没有收到确认信息，则重发该数据。
(4)连接的可靠建立与优雅关闭
为确保连接建立和终止的可靠性，TCP使用了“三次握手”法。简单说在建立和终止过程中，通信双方需要交换3个报文。
三次握手的过程：第一次，主机A向主机B发出连接请求，其中保护主机A选择的初始序列号x。第二次，主机B收到请求后，发回连接确认，其中包含主机B选择的初始序列号y和对主机A初始序列号x的确认。第三次，主机A想主机B发送序列号x的数据，包括对主机B初始序列号y的确任。
为保证关闭连接前所有数据都可靠到达目的地，TCP使用第三次握手，一方发出关闭请求并不立即关闭，而要等待对方确认，只有收到对方确认信息，才能关闭连接。
(5)TCP缓冲、流控与窗口
TCP使用窗口机制进行流量控制。当连接建立时，连接的每一端分配一块缓冲区存储接收的数据，并将缓冲区的尺寸(大小)发给另一端。当数据到达时，接收方发送确认，其中包含自己剩余的缓冲区尺寸。将剩余的缓冲区空间的数量称为窗口。
如果发生方操作的速度快于接收方的速度，最终接收方的缓冲区必满，导致接收方向发送方通告一个零窗口，发送方收到零窗口通告后，必须停止发送，直到接收方重新通告一个非零窗口。
窗口和窗口通告可以有效控制TCP的流量，使发送方的数据不会溢出接收方的缓冲空间。
(6)TCP连接与端口
一个TCP连接的两端称为端口，端口用16位的二进制数表示。TCP可利用端口提供多路复用功能。
3、UDP(用户数据报协议)
从用户角度看，UDP虽处于传输层，但UDP提供了面向非连接，不可靠的传输服务。(相似互联层的IP协议)
UDP面向非连接，它可以将数据直接封装在IP数据报中进行发送。它不使用确认信息对数据的到达进行确认，也不对收到的数据排序。因此UDP协议传输的数据可能丢失、乱序或重复现象。
优点：运行高效和实现简单。
与TCP相同，有很多端口号被指派给一些著名的应用程序，用户使用时应避免使用。
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