（*长期更新）软考网络工程师学习笔记——Section 7 网络层下篇
九、IPv6
（一）IPv6的定義和省略寫法
IPv6是IPv4的新版本，其采用更大的地址空間，從而解決IPv4地址耗盡的問題。
IPv6的地址長度為128位，通常寫為8組，每組4個十六進制數(shù)，且中間用：隔開，例如下圖的IPv6地址為：240e:369:c328:8000:2040:b04:86dd:b900。
1、可以省略地書寫IPv6地址，首0可省略，即起始的0不用寫出來，比如上圖的IPv6地址240e:369:c328:8000:2040:b04:86dd:b900其中的第2段、第6段省略了起始的0，即原本的IPv6地址為240e:0369:c328:8000:2040:0b04:86dd:b900。
2、另外由全0組成的一段或多段的單個連續(xù)字符串可用一個雙冒號：：代替，且雙冒號只能使用一次，例如IPv6地址12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60可簡寫成：12AB:0:0:CD30::/60。
（二）IPv6地址類型
IPv6地址常見類型可分為三種，分別是單播地址、組播地址和任意播地址。
1、單播地址：用于表示單臺設(shè)備的地址，即點對點通信，單播地址分為全球單播地址和本地鏈路單播地址。
全球單播地址是全球唯一的，當前分配的全球單播地址的前綴為001（十六進制為2xxx::/4或3xxx::/4），它有以下三種劃分方法：
本地鏈路單播地址用于有些單位的網(wǎng)絡(luò)使用TCP/IP協(xié)議，但未連接到互聯(lián)網(wǎng)，連接在這種網(wǎng)絡(luò)上的主機可以通過使用這種本地地址進行通信，但不能與互聯(lián)網(wǎng)上其它的主機進行通信，另外IPv6本地鏈路單播地址的前綴為1111 1110 10（十六進制為FE80::/10）。
2、多播地址：一對多通信，即多個設(shè)備組成一個多播組，一個多播數(shù)據(jù)中一個單播地址作為它的源地址，一個多播地址作為它的目的地址，多播地址的前綴為1111 1111（十六進制為FE80::/10），例如FF01::101就是個多播地址。
3、任意播地址：任意播地址是IPv6中新添加的類型，可以使相同的地址可以駐留在提供相同服務(wù)的一臺或多臺設(shè)備中，傳播的終點是一組計算機，但數(shù)據(jù)報只交付其中一個，通常是距離最近的一個（路由器總選擇到達最近的或代價最低的服務(wù)器路由）。
另外IPv6地址類型還有未指定類型，即特殊地址不能作為目的地址，只能為主機作為源地址使用，且只有一個未指定地址，它為0:0:0:0:0:0:0:0（十六進制為::/128）；
環(huán)回地址，節(jié)點使用其向自身發(fā)生IPv6分組，與未指定地址一樣只有一個，為0:0:0:0:0:0:0:1（十六進制為::1/128）
（三）IPv6數(shù)據(jù)報
IPv6數(shù)據(jù)報由首部和有效載荷組成。
1、版本
標識數(shù)據(jù)報的IP版本號，IP協(xié)議版本號為6。
2、流量類型
長度為8位，區(qū)別不同優(yōu)先級、類型的IPv6報文，與IPv4中的ToS字段類似，用于支持QoS（QoS用于解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞問題）。
3、數(shù)據(jù)流標簽
長度為20位，用于標記需要IPv6路由器進行特殊處理的數(shù)據(jù)流。
4、有效負載長度
長度為16位，指明除首部以外的字節(jié)數(shù)（擴展首部也算在有效負載長度內(nèi)），也包括上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。
5、下一個首部
長度為8位，當IPv6數(shù)據(jù)報沒有擴展首部時，其作用與IPv4的協(xié)議字段一樣，即指出首部后面的數(shù)據(jù)應(yīng)交付給IP層上的哪個高層協(xié)議。
當擴展首部時，其作用是標識擴展報頭的下一個首部類型。
6、跳數(shù)限制
長度為8位，用于防止數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)中一直轉(zhuǎn)發(fā)，與IPv4的TTL字段一樣，每經(jīng)一次轉(zhuǎn)發(fā)，該字段減1，減到0時丟棄該包。
7、源地址和目的地址
都為128位，源地址是數(shù)據(jù)報發(fā)送端的IP地址，目的地址是數(shù)據(jù)報接收端的IP地址。
IPv6所帶來的主要變化是:
(1) 更大的地址空間(采用128位的地址);
(2) 靈活的首部格式;
(3) 改進的選項；
(4) 支持即插即用;
(5) 支持資源的預(yù)分配;
(6) IPv6首部改為8字節(jié)對齊。
十、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換
NAT，即網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換，用于替換數(shù)據(jù)報文中的IP地址，一般是將私有地址轉(zhuǎn)換為公有地址來實現(xiàn)訪問公網(wǎng)的目的，即在專用網(wǎng)連接到互聯(lián)網(wǎng)的路由器上安裝NAT軟件，稱為NAT路由器，它至少有一個有效的外部全球IP地址，NAT路由器使所有使用本地地址的主機在與外界通信時，在其上將本地地址轉(zhuǎn)換為全球IP地址從而連接到互聯(lián)網(wǎng)。
（一）基本NAT
基本NAT分為靜態(tài)NAT和動態(tài)NAT，靜態(tài)中內(nèi)、外網(wǎng)IP地址映射是固定的。
（二）NAPT
使用端口號的NAT稱為NAPT，即網(wǎng)絡(luò)地址與端口轉(zhuǎn)換，其中多對一地址轉(zhuǎn)換或地址復(fù)用，NAPT同時映射IP地址和端口號，來自不同內(nèi)部地址的數(shù)據(jù)報的源地址映射到同一個外部地址，端口號被轉(zhuǎn)換為該地址的不同端口號，即NAPT出口數(shù)據(jù)報中的內(nèi)網(wǎng)IP地址被NAT的公網(wǎng)IP地址代替，而出口分組的端口被另一個高端端口代替，外網(wǎng)進來的數(shù)據(jù)報根據(jù)對應(yīng)關(guān)系進行轉(zhuǎn)換。
通過使用NAPT將所有地址映射到一個外部IP地址，從而隱藏了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的IP配置，節(jié)省了資源。
十一、虛擬專用網(wǎng)
虛擬專用網(wǎng)VPN利用公網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)作為本機構(gòu)各專用網(wǎng)之間的通信載體，內(nèi)部使用互聯(lián)網(wǎng)的專用地址，一個VPN至少要有一個路由器具有合法的全球IP地址，這樣才能和本系統(tǒng)的另一個VPN通過互聯(lián)網(wǎng)進行通信。
由兩個場所的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的虛擬專用網(wǎng)VPN稱為內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，即內(nèi)聯(lián)網(wǎng)VPN，表示這兩個場所屬于一個機構(gòu)；若有些機構(gòu)需要外部機構(gòu)參加，即稱為外聯(lián)網(wǎng)VPN。
遠程接入虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(遠程接入VPN)允許個人用戶使用連接到互聯(lián)網(wǎng)的計算機或其他受支持的iOS或Android設(shè)備，從遠程位置連接到網(wǎng)絡(luò)。
十二、路由基礎(chǔ)
（一）路由選擇算法
根據(jù)路由算法能否隨網(wǎng)絡(luò)的通信量或拓撲自適應(yīng)地進行調(diào)整變化來劃分，可分為靜態(tài)路由選擇策略（非自適應(yīng)路由選擇）和動態(tài)路由選擇策略（自適應(yīng)路由選擇）。
兩種路由對比：靜態(tài)路由簡單且開銷較小，但不能及時適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，可以說對于較簡單的小型網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)適合采用靜態(tài)路由；而動態(tài)路由能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，但實現(xiàn)較復(fù)雜且開銷較大，所以動態(tài)路由適合于較復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)。
| 靜態(tài)路由 | 簡單 | 不能 | 小型網(wǎng)絡(luò) | 較小 |
| 動態(tài)路由 | 復(fù)雜 | 能 | 大型網(wǎng)絡(luò) | 較大 |
（二）路由器原理
1、路由器的分類和組成
路由器工作在OSI模型的第三層，即網(wǎng)絡(luò)層，是連接網(wǎng)絡(luò)中各類局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的設(shè)備，它會根據(jù)信道的情況自動選擇和設(shè)定路由，并以最佳路徑按前后順序來發(fā)送信號。
路由器可由不同類型來分類，例如按性能分為高性能、中端和低端路由器；按結(jié)構(gòu)分為模塊結(jié)構(gòu)路由器和非模塊結(jié)構(gòu)路由器；按網(wǎng)絡(luò)位置分為核心路由器、分發(fā)路由器和接入路由器。
路由器中很多種內(nèi)存，其中ROM用于存儲引導(dǎo)軟件，Flash用于存儲操作系統(tǒng)，ROM是主存，NVRAM用于保存啟動配置。設(shè)備接電時，當前運行配置存儲在RAM中，設(shè)備斷電后配置消失，而備份配置存儲在NVRAM中，設(shè)備斷電后仍存在，設(shè)備重新啟動后使用該備份配置。
2、路由器的功能和工作原理
路由器的主要功能是進行路由處理和包轉(zhuǎn)發(fā)。包轉(zhuǎn)發(fā)是指單個路由器的運行動作，路由器接收數(shù)據(jù)包并檢查數(shù)據(jù)包報頭，根據(jù)其目的地址檢查下一跳IP地址，修改TTL的值并重新計算校驗和，然后將新數(shù)據(jù)附加新數(shù)據(jù)鏈路層報頭轉(zhuǎn)發(fā)；路由處理是多個路由器共同協(xié)作的過程，通過運行路由協(xié)議學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，路由器之間相互交換信息，通過一定的規(guī)則建立和維系路由表，保持信息有效，且通過特定算法，依據(jù)路由表決定最佳路徑。
松散源路由允許相鄰兩個IP地址之間跳過多個網(wǎng)絡(luò)，只給出IP數(shù)據(jù)報必須經(jīng)過源站指定的路由器；而嚴格源路由嚴格規(guī)定IP數(shù)據(jù)報要經(jīng)過路徑上的每一個路由器，相鄰路由器之間不得有中間路由器，并且所經(jīng)過路由器的順序不可更改。
（三）靜態(tài)路由表和動態(tài)路由表
路由表的作用是供路由選擇使用，可分為靜態(tài)路由表和動態(tài)路由表，二者區(qū)別是靜態(tài)路由表由系統(tǒng)管理員事先設(shè)置固定的路由表，不會隨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變而改變，而動態(tài)路由表會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運行情況自動調(diào)整路由表，根據(jù)路由選擇協(xié)議提供的功能自動學(xué)習(xí)和記憶網(wǎng)絡(luò)運行情況且在需要時自動計算數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂健?/p>
（四）自治系統(tǒng)
可以將整個互聯(lián)網(wǎng)劃分為很多較小的自治系統(tǒng)（AS），是指在單一技術(shù)管理下的一組路由器，它對于其它AS表現(xiàn)的是一個單一的和一致的路由選擇策略。
簡單的來說，AS也就是使用同一個內(nèi)部路由協(xié)議的一組網(wǎng)絡(luò)。路由選擇協(xié)議分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP）和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）。
（五）內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP）
內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議即自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由選擇協(xié)議，主要目的是發(fā)現(xiàn)和計算自治域內(nèi)的路由信息，與其它自治系統(tǒng)選用什么路由選擇協(xié)議無關(guān)，比如RIP、OSPF協(xié)議。
1、RIP
路由信息協(xié)議(RIP），是一種分布式基于距離向量的內(nèi)部路由選擇協(xié)議，且距離向量路由算法是動態(tài)路由算法，可以說該協(xié)議基于UDP，其端口號為520，RIP的特點是簡單適合用于小型互聯(lián)網(wǎng)。
這里的向量即距離方向。
RIP路由的更新周期為30s，180s內(nèi)若無回應(yīng)則說明該路由不可達，240s內(nèi)若無回應(yīng)則刪除路由表信息，且RIP協(xié)議的最大跳數(shù)為15跳，16跳表示不可達，直連網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為0，每經(jīng)過一個結(jié)點跳數(shù)加1。
RIP按固定的時間間隔與相鄰的路由器交換信息，交換當前到達本AS中所有網(wǎng)絡(luò)的最短距離和到每個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)經(jīng)過的下一跳路由器，通過在相鄰之間相互交換信息，路由器不斷更新其內(nèi)部的路由表。
RIP分為RIPv1、RIPv2和RIPng三個版本，RIPv1報文基于廣播，RIPv2基于組播（組播地址為224.0.0.9），且屬于無類協(xié)議，支持可變長子網(wǎng)掩碼（VLSM）和無類別域間路由（CIDR），采用了觸發(fā)更新機制來加速路由收斂，這里的收斂是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的路由表與網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)保持一致。
2、OSPF
開放式最短路徑優(yōu)先(OSPF)，是一種用于單一AS內(nèi)決策路由的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，其特點是適合小中和較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，它采用的是最短路徑優(yōu)先算法(SPF）來計算最小生成樹，從而確定最短路徑。
OSPF基于IP，采用組播方式來交換OSPF包，另外它通過鏈路狀態(tài)廣播(LSA)的方式來傳送給某區(qū)域內(nèi)的所有路由器。
OSPF使用IP包頭封裝5類報文，用于交換鏈路狀態(tài)廣播(LSA)，如下:
Hello消息用于發(fā)現(xiàn)鄰居(鄰接路由器)，能在NBMA網(wǎng)絡(luò)上選舉指定路由器(DR）以及備份指定路由器(BDR），默認的Hello報文發(fā)送時間間隔為10s，默認無效時間間隔為40s，即40s內(nèi)沒有從特定的路由器接收到這種分組則認為其不存在，另外Hello組播地址為224.0.0.5。
數(shù)據(jù)庫描述(DD）消息用于交換各個LSA的摘要版本。
鏈路狀態(tài)請求(LSR)消息用于請求一個或多個LSA，告知相鄰路由器提供LSA的詳細信息給發(fā)送路由器。
鏈路狀態(tài)更新(LSU)消息包含LSA的詳細信息，用于響應(yīng)LSR消息。
鏈路狀態(tài)應(yīng)答(LSAck)消息用于確認已經(jīng)收到的LSU消息。
OSPF的工作流程:首先啟動OSPF進程的接口，發(fā)生Hello消息，從而交換Hello信息建立鄰居關(guān)系，然后每臺路由器對所以鄰居發(fā)送LSA，路由器接受鄰居發(fā)送的LSA后并保存在鏈路狀態(tài)庫LSDB中，發(fā)送一個LSAcopy給其它鄰居，于是LSA泛洪至整個區(qū)域，區(qū)域所有路由器形成相同的LSDB，此時每臺路由器以自身為根，根據(jù)最短路徑算法(SPF)算出到達每個目的地的最短路徑且通過最短路徑構(gòu)成自己的路由表，包含區(qū)域內(nèi)最優(yōu)路由、區(qū)域間路由、E1外部路由以及E2外部路由。
OSPF網(wǎng)絡(luò)類型分為四種，分別是點到點網(wǎng)絡(luò)，組播地址為224.0.0.5;點到多點網(wǎng)絡(luò)，它不選舉DR/BDR，可看成多個點到點鏈路的集合，數(shù)據(jù)傳播方式為單播;廣播型網(wǎng)絡(luò)，選舉DR/BDR，所有路由器和BR/BDR交換信息且不能被搶占，其中DR、BDR組播到224.0.0.5，DR/BDR偵聽224.0.0.6;非廣播型需要手動指定鄰居，利用Hello消息單播。
（六）外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）
外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議即自治系統(tǒng)之間的路由選擇協(xié)議，當源主機傳送一個數(shù)據(jù)報給目的主機（兩個AS可能使用不同的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議），需要一種協(xié)議將路由選擇信息傳遞給另一個AS中，即連接不同AS的相鄰路由器之間交換路由信息的協(xié)議，比如BGP-4。
自治系統(tǒng)之間的路由選擇叫做域間路由選擇，而內(nèi)部叫做域內(nèi)路由選擇。
1、對等體
在BGP中，兩個路由器之間的相鄰連接稱為對等體連接，兩個路由器互為對等體，若同在一個AS中，則稱為IBGP對等體，否則稱為EBGP對等體。
2、BGP報文和BGP工作流程
BGP有四種常見報文，OPEN報文建立鄰居關(guān)系，KEEPALIVE報文用于保持活動狀態(tài)，周期性確認鄰居關(guān)系，對OPEN報文回應(yīng)，UPDATE報文用于發(fā)送新的路由信息，NOTIFICATION報文用于報告檢測到的錯誤。
首先BGP路由器直接就行TCP三次握手，建立TCP回話連接，然后交換OPEN消息確認版本等參數(shù)來確認鄰居關(guān)系，路由器交換所有BGP路由直到平衡，之后只交換變化了的路由信息，路由的更新由UPDATE報文完成，可以通過KEEPALIVE報文驗證路由器是否可用，若出現(xiàn)問題，則通過NOTIFICATION報文通知錯誤。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的（*长期更新）软考网络工程师学习笔记——Section 7 网络层下篇的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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