前言

本文的主要内容是计算机网络中网络层的一些基础知识，包括三种路由协议，即 RIP 协议、OSPF 协议以及 BGP 协议，IP组播中的IP数据报传送方式和硬件组播，移动 IP 的通信过程以及网络层设备路由器的介绍。

一、RIP 协议与距离向量算法

1、RIP 协议

RIP 协议和 OSPF 协议都是在自治系统内使用的协议，BGP 协议是在自治系统之间使用的协议。
RIP (Route Information Protocol) 是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。RIP 协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录，即一组距离。
距离：通常为“跳数”，即从源端口到目的端口所经过的路由器个数，经过一个路由器跳数加1，从一个路由器到直接连接的网络距离为1。RIP 允许一条路由最多只能包含15个路由器，因此距离为16表示网络不可达。 RIP协议只适用于小互联网。
路由表的示例如下图所示。

RIP 协议仅和相邻的路由器交换信息，所交换的信息是自己的路由表，每30秒交换一次路由信息，然后路由器根据新信息更新路由表。如果超过180s没收到邻居路由器的通告，则判定邻居不在了，并更新自己路由表。
路由器刚开始工作时，只知道直接连接的网络的距离，接着每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息，经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址。
RIP 是应用层协议，使用UDP传送数据。
一个 RIP 报文最多包括25个路由，如果超过，必须再用一个 RIP 报文传送。
RIP 中好消息传得快，坏消息传得慢。 比如，路由器R1到Net1是直接交付的，路由器R1传给路由器R2的路由信息是 Net1 1 直接交付，路由器R2更新路由信息为 Net1 2 R1，此时若Net1网络故障，路由器R1更新到Net1的路由信息为 Net1 16 直接交付，(16表示不可到达)，在路由器R1将 Net1 16 直接交付 发送给路由器R2之前，路由器R2已经将 Net1 2 R1 发送给了路由器R1，路由器R1误以为可以通过路由器R2到达Net1，因此更新自己的信息为 Net1 3 R2，这样一直循环下去，直到两者的跳数都到达16，路由器R1和路由器R2才知道Net1故障不通。

2、距离向量算法

距离向量算法步骤如下：
①修改相邻路由器发来的RIP报文中所有表项。对地址为 x 的相邻路由器发来的RIP报文，修改此报文中的所有项目，把下一跳字段中的地址改为 x，并把所有的距离字段加1。如下图所示。

②对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤(结合上图)：R1路由表中若没有Net3，则把该项目填入R1路由表；R1路由表中若有Net3，则查看下一跳路由器地址，若下一跳是 x，则用收到的项目替换源路由表中的项目；若下一跳不是 x，原来距离比从 x 走的距离远则更新，否则不作处理。
③若180s 后还没收到相邻路由器 x 的更新路由表，则把 x 记为不可达的路由器，即把距离设置为16。
④返回，接着循环更新路由表。
举例：已知路由器R6的路由表，现收到相邻路由器R4发来的路由更新信息，试更新路由器R6的路由表。 解答如下图所示。

向量形式的例题如下图所示。

二、OSPF 协议与链路状态算法

1、OSPF 协议

OSPF(Open Shortest Path First，开放最短路径优先)协议，开放表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的，最短路径优先是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法SPF。OSPF 最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议。
OSPF 的特点：
①使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送信息，即路由器通过输出端口向所有相邻的路由器发送信息，而每一个相邻路由器又再次将此信息发往其所有的相邻路由器。相当于广播，最终整个区域内所有路由器都得到了这个信息的一个副本。
②发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，即本路由器和哪些路由器相邻，以及该链路的度量/代价一一费用、距离、时延、带宽等。
③只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器洪泛发送此信息。
最后，所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图。
为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。每一个区域都有一个32位的区域标识符(用点分十进制表示)，区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过200个。
OSPF 是网络层协议，它直接用 IP 数据报传送。
OSPF 协议每隔30min要刷新一次数据库中的链路状态。由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系，因此当互联网规模很大时，OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。OSPF 不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快。

2、链路状态算法

链路状态算法步骤如下：
①每个路由器发现它的邻居结点HELLO问候分组，并了解邻居节点的网络地址。
②设置到它的每个邻居的成本度量 metric。
③构造DD数据库描述分组，向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息。
④如果DD分组中的摘要自己都有，则邻站不做处理：如果有没有的或者是更新的，则发送LSR链路状态请求分组请求自己没有的和比自己更新的信息。
⑤收到邻站的LSR分组后，发送LSU链路状态更新分组进行更新。
⑥更新完毕后，邻站返回一个LSAck链路状态确认分组进行确认。
⑦使用 Dijkstra 根据自己的链路状态数据库构造到其他节点间的最短路径。
只要一个路由器的链路状态发生变化就泛洪发送LSU链路状态更新分组进行更新，更新完毕后，其他站返回一个LSAck链路状态确认分组进行确认。

三、BGP 协议和三种路由协议的比较

1、BGP 协议

BGP 协议与其他自治系统(AS)的邻站 BGP 发言人交换信息。交换网络可达性的信息，即要到达某个网络所要经过的一系列自治系统。只有在发生变化时更新有变化的部分。

BGP 所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列 AS，当BGP发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各AS的较好路由。
BGP 是应用层协议，借助 TCP 传送。
BGP 协议的特点：BGP支持CIDR，因此BGP的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。在BGP刚刚运行时，BGP的邻站是交换整个的BGP路由表，但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分，这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销都有好处。
BGP-4的四种报文：
①OPEN（打开）报文：用来与相邻的另一个 BGP 发言人建立关系，并认证发送方。
②UPDATE（更新）报文：通告新路径或撤销原路径。
③KEEPALIVE（保活）报文：在无 UPDATE 时，周期性证实邻站的连通性，也作为OPEN 的确认。
④NOTIFICATION（通知）报文：报告先前报文的差错，也被用于关闭连接。

2、三种路由协议的比较

RIP是一种分布式的基于距离向量的内部网关路由选择协议，通过广播UDP报文来交换路由信息。
OSPF是一个内部网关协议，要交换的信息量较大，应使报文的长度尽量短，所以不使用传输层协议（如UDP或TCP），而是直接采用IP。
BGP是一个外部网关协议，在不同的自治系统之间交换路由信息，由于网络环境复杂，需要保证可靠传输，所以采用TCP。
三种路由协议的比较如下表所示。

四、IP 组播

1、IP 数据报的三种传输方式

IP 数据报的三种传输方式为单播、广播和组播(多播)。
单播：用于发送数据包到单个目的地，且每发送一份单播报文都使用一个单播IP地址作为目的地址，它是一种点对点传输方式。
广播：是指发送数据包到同一广播域或子网内的所有设备的一种数据传输方式，它是一种点对多点传输方式。
组播：当网络中的某些用户需要特定数据时，组播数据发送者仅发送一次数据，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发，它是一种点对多点传输方式。
组播和广播很像，但是组播是根据用户需求发送数据的，而广播则不管用户需不需要，面向所有用户发送。
单播在发送者和每一个接收者之间都需要单独的数据信道，如下图所示。

组播提高了数据传送效率，减少了主干网出现拥塞的可能性，组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持——运行组播协议的路由器）。上面同样的例子利用组播传送方式如下图所示。

2、IP 组播地址

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备，属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址（一群共同需求主机的相同标识）。组播地址范围为224.0.0.0~239.255.255.255，它们是D类地址，一个D类地址表示一个组播组，它只能用作分组的目标地址，而源地址总是为单播地址。
对于 IP 组播地址，需要注意的几点是：组播数据报是尽最大努力交付，不提供可靠交付，应用于UDP；对组播数据报不产生ICMP差错报文；并非所有D类地址都可以作为组播地址。

3、硬件组播

IP 组播分为局域网上硬件组播和在因特网的范围内进行组播。
同单播地址一样，组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到的。
TCP/IP协议使用的以太网多播地址的范围是：01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF。
组播IP地址的构成如下图所示。

注意组播IP地址的前25位固定不变，后23位直接用 IP 地址的后23位替换即可。
收到多播数据报的主机，还要在IP层利用软件进行过滤，把不是本主机要接收的数据报丢弃。

4、IGMP 协议和组播路由选择协议

在因特网的范围内进行组播就涉及到 IGMP 协议和组播路由选择协议。
IGMP 协议就是让路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出了某个组播组。
IGMP工作的两个阶段：某主机要加入组播组时，该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声明自己要称为该组的成员，本地组播路由器收到IGMP报文后，要利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器；本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还是组播组的成员，只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的，如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。
组播路由选择协议的目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。构造树结构可以避免在路由器之间兜圈子，对不同的多播组对应于不同的多播转发树，同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。
组播路由选择协议常使用的三种算法：基于链路状态的路由选择、基于距离向量的路由选择以及协议无关的组播。

五、移动 IP

1、移动 IP 相关术语

移动IP技术是移动结点以固定的网络IP地址实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。
移动结点：具有永久IP地址的移动设备，如计算机、服务器等。
归属代理：也称本地代理，一个移动结点拥有的“居所”称为归属网络，在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理。
外部代理：也称外地代理，它是指在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体。永久地址：也称归属地址或主地址，它是移动站点在归属网络中的原始地址。
转交地址：也称辅地址，它是移动站点在外部网络使用的临时地址。

2、移动 IP 通信过程

移动 IP 通信过程可以参见下图。

结合上图，如果 A 移动到了下一个网络，则需要在新的外部代理登记注册一个转交地址，同时新的外部代理给本地代理发送新的转交地址，并覆盖掉之前旧的转交地址，之后就可以通信了。如果 A 回到了归属网络，就需要向本地代理注销转交地址，同时按照原始方式通信。

六、路由器

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。其结构示意图如下图所示。

路由选择是根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期地和相邻路由器交换路由信息而不断地更新和维护路由表。
交换结构的功能是根据转发表对分组进行转发。
如果输入端口收到 RIP 或 OSPF分组等，则把分组送往路由选择处理机，若收到数据分组，则查找转发表并输出。
输入端口的处理过程如下图所示。

输入端口中的查找和转发功能在路由器的交换功能中是最重要的。
输出端口的处理过程如下图所示。

若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终会减至零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。因此，路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。
路由器可以互联两个不同网络层协议的网段。
网桥可以互联两个物理层和链路层不同的网段。
集线器不能互联两个物理层不同的网段。
路由表根据路由选择算法得出，其主要用途是路由选择，总是用软件来实现。转发表由路由表得来，可以用软件实现，也可以用特殊的硬件来实现。转发表必须包含完成转发功能所必需的信息，在转发表的每一行必须包含从要到达的目的网络到输出端口和某些MAC地址信息的映射。

总结

以上就是计算机网络——网络层路由协议、IP组播、移动 IP、路由器的所有内容了，RIP、OSPF 和 BGP 这三种路由协议和移动 IP 的通信过程是本文中的重点知识，应当多花时间理解掌握。
参考视频：
RIP协议与距离向量算法
OSPF协议与链路状态算法
BGP协议
IP组播
移动IP
网络层设备