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@@ -1,7 +1,19 @@
还差什么？
1-3 Theoretical Problems
4 ask yourself questions
3 RIP OSPF BGP?
3 讲述一下RA RS NA NS的过程
[toc]
## 什么是一个自治系统？(Autonome Systeme)
自治系统（Autonomous System，AS）指的是在互联网中由单一管理实体（如网络运营商、企业、大学等）控制的一组IP网络和路由器集合。每个自治系统都有一个唯一的自治系统号码（ASN），用于在边界网关协议（BGP）中标识和交换路由信息。自治系统内部使用统一的路由策略管理数据流，而各AS之间则通过BGP互联，从而构成全球互联网的基础架构。
@@ -335,3 +347,341 @@ NDP 维护一个 **邻居缓存表（Neighbor Cache）**，用于跟踪邻居的
2. 自适应链路状态方法
1. **链路状态（Link State）**：每个路由器维护整个网络的拓扑图，包含所有路由器和链路的状态。
2. **自适应（Adaptive）**：路由器根据网络拓扑的变化动态更新链路状态数据库。
## 讲一下RIP？
## 什么是OSPF？
## 什么是BGP？
**OSPF**、**RIP** 和 **BGP** 是三种常见的路由协议，分别适用于不同的网络环境和需求。以下是它们的详细说明：
---
## **1. OSPF（Open Shortest Path First）**
### **1.1 概述**
- **类型**：链路状态路由协议（Link-State Routing Protocol）。
- **适用范围**：中大型企业网络、ISP 网络。
- **标准**：RFC 2328。
### **1.2 工作原理**
1. **链路状态信息收集**：
- 每个路由器通过 **Hello 协议** 发现邻居路由器，并收集链路状态信息（如链路成本、带宽等）。
2. **链路状态广播**：
- 每个路由器将收集到的链路状态信息封装成 **链路状态通告（LSA, Link State Advertisement）**，并广播给整个网络。
- 使用 **泛洪（Flooding）** 机制确保所有路由器收到 LSA。
3. **链路状态数据库同步**：
- 每个路由器维护一个 **链路状态数据库（LSDB, Link State Database）**，存储整个网络的拓扑信息。
- 通过交换 LSA，所有路由器的 LSDB 最终同步。
4. **最短路径计算**：
- 每个路由器使用 **Dijkstra 算法** 计算到所有目标网络的最短路径。
- 根据计算结果更新路由表。
5. **区域划分**：
- OSPF 支持将网络划分为多个 **区域（Area）**，以减少路由信息的传播范围。
- **Area 0** 是骨干区域，其他区域必须与 Area 0 直接或间接连接。
### **1.3 特点**
- **快速收敛**：在网络拓扑变化时，路由信息传播较快，收敛速度快。
- **支持分层设计**：通过区域划分减少路由信息的传播范围。
- **计算复杂度高**：需要更多的计算资源和存储空间。
### **1.4 适用场景**
- 中大型企业网络。
- ISP 网络。
---
## **2. RIP（Routing Information Protocol）**
### **2.1 概述**
- **类型**：距离向量路由协议（Distance-Vector Routing Protocol）。
- **适用范围**：小型网络。
- **版本**：RIP v1（RFC 1058）、RIP v2（RFC 2453）。
### **2.2 工作原理**
1. **路由表初始化**：
- 每个路由器初始化自己的路由表，记录到直连网络的距离（通常为 0）和下一跳路由器。
2. **定期广播路由信息**：
- 每个路由器定期（默认 30 秒）向邻居路由器广播自己的路由表。
- 广播的内容包括目标网络和到该网络的距离（跳数）。
3. **更新路由表**：
- 路由器收到邻居的路由表后，根据以下规则更新自己的路由表：
- 如果通过邻居到达目标网络的距离更短，则更新路由表。
- 如果邻居的路由表中包含新的目标网络，则添加到自己的路由表中。
4. **路由收敛**：
- 通过多次广播和更新，路由表最终收敛到稳定的状态。
### **2.3 特点**
- **简单易实现**：算法简单，适合小型网络。
- **慢收敛问题**：在网络拓扑变化时，路由信息传播较慢，可能导致路由环路。
- **最大跳数限制**：RIP 的最大跳数为 15，超过 15 跳的网络被视为不可达。
### **2.4 适用场景**
- 小型网络。
- 对路由计算复杂度要求较低的场景。
---
## **3. BGP（Border Gateway Protocol）**
### **3.1 概述**
- **类型**：路径向量路由协议（Path-Vector Routing Protocol）。
- **适用范围**：互联网骨干网、ISP 之间的路由。
- **版本**：BGP-4（RFC 4271）。
### **3.2 工作原理**
1. **建立邻居关系**：
- BGP 路由器通过 **TCP 连接（端口 179）** 建立邻居关系（Peer）。
- 邻居关系可以是 **内部 BGP（iBGP）** 或 **外部 BGP（eBGP）**。
2. **交换路由信息**：
- 邻居之间交换 **BGP 更新消息（Update Message）**，包含目标网络和路径属性（如 AS 路径、下一跳等）。
3. **路径选择**：
- 每个 BGP 路由器根据路径属性（如 AS 路径长度、本地优先级等）选择最佳路径。
- 最佳路径被添加到路由表中，并广播给其他邻居。
4. **路由策略**：
- BGP 支持灵活的路由策略配置，如路由过滤、路径偏好设置等。
### **3.3 特点**
- **支持大规模网络**：BGP 是互联网的核心路由协议，支持大规模路由表。
- **路径向量协议**：通过 AS 路径属性避免路由环路。
- **路由策略灵活**：支持复杂的路由策略配置。
### **3.4 适用场景**
- 互联网骨干网。
- ISP 之间的路由。
- 大型企业网络的多宿主连接。
---
## **4. 三种协议的对比**
| **特性** | **OSPF** | **RIP** | **BGP** |
| -------------- | ------------------------ | ---------- | ---------------------------- |
| **类型** | 链路状态 | 距离向量 | 路径向量 |
| **适用范围** | 中大型企业网络、ISP 网络 | 小型网络 | 互联网骨干网、ISP 之间的路由 |
| **收敛速度** | 快 | 慢 | 中等 |
| **计算复杂度** | 高 | 低 | 高 |
| **路由策略** | 有限 | 无 | 灵活 |
| **典型应用** | 企业内网、ISP 网络 | 小型局域网 | 互联网骨干网 |
---
## **5. 总结**
- **OSPF**：适用于中大型网络，支持分层设计和快速收敛，计算复杂度较高。
- **RIP**：适用于小型网络，简单易实现，但存在慢收敛问题。
- **BGP**：适用于互联网骨干网和 ISP 之间的路由，支持复杂的路由策略，但配置和管理较为复杂。
根据网络规模和需求，可以选择合适的路由协议。
## A200 Address Resolution and Neighbor Discovery (Theorie)
Das RFC 826 definiert das Address Resolution Protocol (ARP). In RFC 4861 wird das Neighbor Discovery Protocol (NDP) spezifiziert. RFC 826 定义了地址解析协议（ARP）。RFC 4861 规定了邻居发现协议（NDP）。
1. **Wozu wird ARP eingesetzt? Was ist der Unterschied zu NDP?** **ARP 的用途是什么？它与 NDP 的区别是什么？**
My answer: ARP is used to convert the IPv4 Address to Hardware address, i.e. MAC address.
NDP is used in IPv6 protocol
While ARP works by broadcasting requests, NDP uses ICMPv6 messages and **multicast** addresses to achieve more efficient neighbor discovery.
2. **Beschreiben Sie den Aufbau einer ARP-PDU und erläutern Sie die Bedeutung der einzelnen Felder!** **描述 ARP-PDU 的结构并解释各个字段的含义！**
Hardware type 2
protocol type 2
hardware size 1
protocol size 1
op code 2
src_ip: 4
src_hw: 6
dst_ip: 4
dst_hw: 6(ff)
3. **Welche unterschiedlichen ARP-PDUs gibt es? Welche NDP-PDUs gibt es?** **有哪些不同的 ARP-PDU？NDP-PDU 又有哪些？**
reply and request
NA NS RS rA
4. **Wie lang (in Bytes) ist eine ARP-PDU in einem Netz in dem IPv4 und Ethernet eingesetzt werden?** **在 IPv4 和以太网网络中，ARP-PDU 的长度是多少字节？** 28
5. **Wie lang (in Bytes) ist eine Neighbor Solicitation Nachricht?** **Neighbor Solicitation 消息的长度是多少字节？**
![image-20250224232406578](./assets/image-20250224232406578.png)
6. **Das RFC 826 spricht von einer Tabelle (table), deren Implementierung meist als ARP-Cache bezeichnet wird. Was soll laut RFC mit einer Ethernet-SDU passieren, wenn kein Eintrag zur Ziel-IP-Adresse in der Tabelle gefunden wird?** **RFC 826 提到了一张表（table），其实现通常称为 ARP 缓存。RFC 规定如果表中没有找到目标 IP 地址的条目，对以太网 SDU 应该怎么处理？**
First, the host broadcast the ARP request packet to every neighbor in the network.
If the host receives the ARP reply packet, add the entry to both sides.
else drop the packet.
### A300 Fragmentierung und IP-Tunneling (Theorie)
i) In wie viele Fragmente wird ein IP-Paket mit Größe 9000 Byte zerlegt, um über ein Ethernet mit MTU = 1500 Byte übertragen zu werden? Geben Sie eine vollständige Rechnung an! 一个大小为 9000 字节的 IP 包在 Ethernet 的 MTU 为 1500 字节的情况下会被分成多少个片段？请提供完整的计算过程！
ii) Nennen Sie drei Gründe dafür, dass Netzbetreiber IP-Fragmentierung in ihren Netzen verbieten. Erläutern Sie diese Gründe! 请列举网络运营商在其网络中禁止 IP 分片的三个原因，并对这些原因进行解释！**Three Reasons Why Network Operators Prohibit IP Fragmentation and Their Explanations**
IP fragmentation occurs when a packet exceeds the Maximum Transmission Unit (MTU) of a network link and must be broken into smaller fragments. Many **network operators prohibit IP fragmentation** due to the following reasons:
**1. Performance Degradation & Increased Overhead**
- Fragmentation increases the number of packets that must be processed, leading to **higher CPU and memory usage** in routers and firewalls.
- Each fragment requires additional headers, increasing **network overhead** and reducing effective data transmission efficiency.
- Reassembly at the destination requires buffer space, which can cause delays and resource exhaustion in high-throughput environments.
**2. Security Risks & Susceptibility to Attacks**
- Fragmentation makes networks vulnerable to **fragmentation-based attacks**, such as **overlapping fragments (Teardrop attack)** and **tiny fragment attacks** used to evade security filters.
- Intrusion Detection Systems (IDS) and firewalls may struggle to inspect fragmented packets, allowing attackers to **bypass security policies** and smuggle malicious payloads.
- Attackers can send fragmented packets with missing fragments, causing **DoS (Denial of Service)** by exhausting resources on the target system waiting for reassembly.
**3. Complications in Path MTU Discovery (PMTUD) & Packet Loss Issues**
- Many modern networks use **Path MTU Discovery (PMTUD)** to dynamically determine the optimal packet size. If fragmentation is allowed, incorrect PMTUD settings can result in persistent retransmissions.
- If a single fragment of a fragmented packet is lost, the entire packet must be retransmitted, leading to **higher packet loss rates** and inefficiencies.
- Some middleboxes (e.g., NAT devices, firewalls) drop fragmented packets, causing unpredictable failures in communication.
### **Conclusion:**
Because of these issues, **network operators often prohibit IP fragmentation and instead rely on techniques like MSS (Maximum Segment Size) adjustment and PMTUD** to ensure efficient packet transmission without fragmentation.
------
**网络运营商在其网络中禁止 IP 分片的三个原因及其解释**
IP 分片（IP Fragmentation）发生在数据包超过网络链路的 **最大传输单元（MTU）** 时，需要拆分成多个小片进行传输。许多**网络运营商禁止 IP 分片**的原因如下：
**1. 性能下降 & 额外开销增加**
- 分片会导致 **路由器和防火墙的 CPU 及内存负载增加**，因为它们需要处理更多的小数据包。
- 每个分片都需要附加额外的头部信息，增加了**协议开销**，降低了有效数据传输效率。
- 目标端的 **数据重组** 需要缓冲区（buffer），在高吞吐量环境下容易造成**延迟**或**资源耗尽**。
**2. 安全风险增加 & 易受攻击**
- 分片容易受到 **基于分片的攻击**，例如**重叠分片攻击（Teardrop attack）\**和\**微小分片攻击（Tiny Fragment Attack）**，这些攻击可用于绕过安全检查。
- **入侵检测系统（IDS）和防火墙** 可能无法正确分析分片数据包，导致攻击者可以绕过安全策略，传输恶意负载。
- 攻击者可以发送 **丢失部分片段的数据包**，导致目标设备的**资源耗尽（DoS 攻击）**，因为系统需要长时间等待完整数据包。
**3. PMTUD（路径 MTU 发现）问题 & 数据丢失风险**
- 现代网络通常使用 **路径 MTU 发现（PMTUD）** 机制来动态确定最佳数据包大小，如果允许分片，错误的 PMTUD 配置可能导致**持续的重传**问题。
- 如果 **一个分片丢失**，整个数据包必须重新传输，导致**更高的数据丢失率**和**不必要的网络流量**。
- 一些中间设备（如 **NAT 设备、防火墙**）可能会**直接丢弃**分片数据包，导致通信失败。
iii) Wie wird in modernen TCP/IP-Implementierungen dafür gesorgt, dass Fragmentierung in der Regel nicht erforderlich ist? 在现代的 TCP/IP 实现中，是如何确保通常情况下不需要分片的？
### **How Do Modern TCP/IP Implementations Avoid the Need for Fragmentation?**
Modern TCP/IP implementations use several techniques to **minimize or eliminate IP fragmentation**, ensuring efficient packet transmission. The key mechanisms include:
#### **1. Path MTU Discovery (PMTUD)**
- **PMTUD dynamically determines the maximum packet size** that can be transmitted without fragmentation.
- It works by sending packets with the **Don't Fragment (DF) flag** set. If a router cannot forward the packet due to MTU limitations, it drops the packet and sends an **ICMP "Fragmentation Needed" message** back to the sender.
- The sender then **reduces the packet size** accordingly until it finds a suitable MTU.
- **Drawback:** Some networks block ICMP messages, causing PMTUD to fail.
#### **2. TCP Maximum Segment Size (MSS) Adjustment**
- During the **TCP handshake**, both communicating hosts negotiate the **Maximum Segment Size (MSS)**, which defines the largest payload a TCP segment can carry.
- The MSS is set to ensure that the TCP segment, when combined with headers, does not exceed the MTU.
- This prevents the need for IP fragmentation at the transport layer.
#### **3. IPv6 Enforces No Fragmentation by Routers**
- Unlike IPv4, **IPv6 does not allow routers to fragment packets**. Instead, **only the sender can fragment** based on the discovered MTU.
- IPv6 requires **end-to-end PMTUD**, ensuring that packets fit within the smallest MTU along the path.
- This shifts the responsibility of fragmentation from routers to the sender, improving network efficiency.
#### **4. Datagram Packetization Layer Path MTU Discovery (DPLPMTUD)**
- To address ICMP blocking issues in traditional PMTUD, **DPLPMTUD** uses **probe packets** of increasing sizes to discover the optimal MTU.
- This method is more reliable since it does not rely on ICMP messages.
- Supported in protocols like **QUIC and modern TCP implementations**.
### **Conclusion:**
Modern TCP/IP implementations avoid fragmentation by:
1. **Using PMTUD** to dynamically adjust packet sizes.
2. **Negotiating MSS** in TCP to prevent oversized packets.
3. **Relying on IPv6's no-fragmentation rule** and sender-side control.
4. **Using DPLPMTUD** as an advanced method for MTU discovery.
------
### **在现代的 TCP/IP 实现中，是如何确保通常情况下不需要分片的？**
现代 TCP/IP 实现采用多个技术来**减少或避免 IP 分片**，从而提高数据传输效率。主要方法包括：
#### **1. 路径 MTU 发现（PMTUD）**
- **PMTUD 负责动态确定数据包的最大可传输大小**，以避免分片。
- 它通过发送 **“不分片（DF）”标志** 的数据包来测试路径 MTU。
- 如果路由器无法转发该数据包（因为 MTU 限制），它会丢弃数据包并返回 **ICMP “需要分片”** 消息。
- 发送方根据反馈**调整数据包大小**，直到找到合适的 MTU。
- **缺点：**某些网络会屏蔽 ICMP 消息，导致 PMTUD 失败。
#### **2. TCP 最大段大小（MSS）调整**
- 在 **TCP 握手** 过程中，双方会协商 **最大段大小（MSS）**，决定 TCP 段的最大有效负载。
- MSS 设定时会确保 TCP 段加上 **IP 和 TCP 头部** 不会超过 MTU。
- 这样可以在 **传输层避免 IP 分片**，确保数据包大小适应网络环境。
#### **3. IPv6 取消路由器分片**
- IPv6 **不允许路由器对数据包进行分片**，只有**发送端**可以执行分片。
- IPv6 依赖 **端到端的 PMTUD**，确保数据包适应最小 MTU。
- 这使得分片的控制权交给发送方，**提升了网络效率**。
#### **4. 数据报分组层路径 MTU 发现（DPLPMTUD）**
- 传统 PMTUD 依赖 ICMP 消息，但某些网络会**屏蔽 ICMP**，导致失败。
- **DPLPMTUD** 通过发送不同大小的**探测数据包**来测试路径 MTU，而不依赖 ICMP。
- 这种方法更可靠，并已在 **QUIC 和现代 TCP 实现** 中得到支持。
### **总结：**
现代 TCP/IP 通过以下方式避免分片：
1. **使用 PMTUD** 动态调整数据包大小。
2. **TCP 通过 MSS 协商**，确保 TCP 段不会超出 MTU 限制。
3. **IPv6 取消路由器分片**，让发送方控制数据包大小。
4. **DPLPMTUD 提供更先进的 MTU 发现机制**，解决 ICMP 屏蔽问题。
### A301 IPv6 (Theorie)
i) Erklären Sie anhand eines Beispiels auf einer Ihrer VMs wie link-local Adressen aus der MAC-Adresse abgeleitet werden! 请结合您虚拟机中的一个示例，解释链路本地地址是如何从 MAC 地址派生的！
1. Split the MAC address into two halves:
- `08:00:27:53:8a:e0` → `08:00:27` and `53:8a:e0`
2. Insert `FF:FE` in the middle:
- `08:00:27:FF:FE:53:8a:e0`
3. Invert the 7th bit (Universal/Local bit) of the first byte (08):
- Convert `08` to binary: `00001000`
- Flip the **7th bit**: `00001010` (which is `0A` in hex)
- New identifier: **0A:00:27:FF:FE:53:8A:E0**
4.
5. ```
FE80::0A00:27FF:FE53:8AE0
```
ii) Wie implementiert IPv6 „Broadcasts”? IPv6 是如何实现“广播”的？
iii) Welches sind die privaten Adressbereiche in IPv6, analog zu 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12 und 192.168.0.0/16 in IPv4? IPv6 中的私有地址范围与 IPv4 中的 10.0.0.0/8、172.16.0.0/12 和 192.168.0.0/16 对应的是什么？
iv) Für besondere Zwecke, außer für den privaten Gebrauch, sind noch weitere Bereiche reserviert. Wie teilt sich der IPv6 Addressraum auf? Hinweis: IANA, ignorieren Sie die vom IETF reservierten Bereiche 除了私人用途外，还有其他特殊用途的地址范围被保留。IPv6 地址空间如何划分？提示：请参考 IANA，并忽略由 IETF 保留的范围。