計算機網絡第四章 網絡層

4.1.1 網絡層功能概述

網絡層

主要任務是把分組從源端傳到目的端，爲分組交換網上的不同主機提供通信服務，網絡層傳輸單位是數據報。

功能

1. 路由選擇與分組轉發（最佳路徑）
2. 異構網絡互聯
3. 擁塞控制
   

4.1.2 數據交換方式：電路交換、報文交換與分組交換

電路交換

e.g.：電話網絡
步驟/階段：
建立連接（呼叫/電路建立）=>通信=>釋放連接（拆除電路）
是獨佔資源的。
優點：1.通信時延小 2.有序傳輸 3.沒有衝突 4.實時性強
缺點：1.建立連接時間長 2.鏈路獨佔，使用效率低 3.靈活性差 4.無差錯控制能力

報文交換

報文：源應用發送的信息整體。比如xxx.pdf
存儲轉發。需要交換設備存儲報文。

分組交換

分組：把大的數據塊分割成小的數據塊。

對比報文交換和分組交換

傳播時延忽略，接收時延忽略。
例題
對於分組交換，只需要考慮最後一個分組。10+0.1+0.1=10.2s

三種數據交換方式比較總結

4.1.3 數據報與虛電路（都屬於分組交換）

數據報：爲網絡層提供無連接服務。（因特網在用）
虛電路：爲網絡層提供連接服務。
無連接服務：每個分組獨立。連接服務：先建立連接（確立傳輸路徑）。

幾種傳輸單元名詞辨析

應用層：報文（文件）
傳輸層：分割報文，報文段
網絡層：IP數據報，分組（封裝IP地址）
鏈路層：加頭加尾，成幀
物理層：比特流

數據報

特點：

1. 無連接
2. 每個分組攜帶源和目的地址
3. 路由器根據分組的目的地址轉發分組：基於路由協議/算法構建轉發表；檢索轉發表；每個分組獨立選路。

虛電路

將數據報方式和電路交換方式結合。
虛電路：一條源主機到目的主機類似於電路的路徑（邏輯點解），路徑上所有的結點都要維持這條虛電路的建立，都維持一張虛電路表，每一項記錄了一個打開的虛電路信息。（每個分組都通過虛電路號）
通信過程：

數據報和虛電路的 異同

4.3.1 IP數據報格式

TCP/IP協議棧

IP數據報格式

IP和數據報和分組暫時不區分。
首部長度 最少是5*4B=20B
區分服務：優先級啥的。用得不多
總長度最大 2^16-1 = 65535B。
生存時間：每經過一個路由器-1.防止兜圈。
協議：數據部分使用的協議

首部檢驗和：只檢驗首部，每經過一個路由器都重新計算一下。
原地址和目的地址都是32位。
可選字段：0~40B。
填充字段：全0，補成4B的整數倍。

4.3.2 IP數據報分片

最大傳輸單元 MTU

數據鏈路層數據幀可封裝的數據的上限（加頭加尾）。
以太網的MTU是1500字節。

IP數據報格式

標識：同一數據報的分片使用同一標識。
標誌：只有2位有意義，最高位無用。中間位DF，DF=1禁止分片，DF=0允許分片，最低位MF，MF=1表示後面還有分片，MF=0表示後面沒有分片了。
片偏移：指出較長分組分片後，某片在原分組中的相對位置，以8B爲單位。長度是13位，例如裏面是0，那麼在原來數據報中的位置是8B。

IP數據報分片例題

某幾個長度的單位

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4.3.3 IPV4地址

3個歷史階段：

1. 分類的ip地址
2. 子網的劃分
3. 構成超網（無分類編址方法）

分類的IP地址

全世界唯一 32位/4字節標識符，標識路由器主機的接口。
網橋連接的仍然是一個局域網，不能分割廣播。
點分十進制表示法。

無編號網絡：只有連線。

特殊IP地址

私有IP地址

網段個數指可以分配多少個網絡號。

分類後IP地址範圍

A：-2 全0和127；24-2=>全0和全1（廣播）
B：14-1=>網路號全0；同上
C：同上

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4.3.4 網絡地址轉換NAT

網絡地址轉換NAT：在專用網連接到因特網的路由器上安裝NAT軟件，安裝了NAT軟件的路由器叫NAT路由器，它至少有一個有效的外部全球IP地址。

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4.3.5 子網劃分和子網掩碼

子網劃分

主機號至少有2位。
子網號可能全0或者全1。

子網掩碼

子網掩碼練習題

廣播分組=>主機號全1=>255

使用子網時分組的轉發

路由表中：1.目的網絡地址 2.目的網絡子網掩碼 3.下一跳地址
直接交付：與子網地址進行&
4是遍歷一遍

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4.3.6 無分類編址CIDR

無分類域間路由選擇CIDR特點

1. 消除了傳統的A類，B類和C類地址以及劃分子網的概念。
   
2. 融合了子網地址與子網掩碼，方便子網劃分。CIDR把網絡前綴相同過的連續IP地址組成一個“CIDR地址塊”。
   

構成超網

將多個子網聚合成一個較大的子網，叫做構成超網，或路由聚合。
方法：將網絡前綴縮短。

最長前綴匹配

匹配到的多個結果中，選最前綴最長的。

CIDR習題

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4.3.7 ARP協議

解決使用MAC的問題。

發送數據的過程

數據鏈路層要添加目標MAC地址的時候，如果自身高速緩存中沒有，俺麼要廣播ARP請求分組。

如果在同一個局域網內

如果不在同一個局域網

先用子網掩碼跟目標IP與一下，然後如果不行，就找默認網關IP6那裏（路由器）：也是通過廣播ARP的方式。

ARP特性過程和使用情況

ARP例題

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4.3.8 DHCP協議

動態主機配置協議DHCP是應用層的協議，使用客戶/服務器方式，客戶端和服務器用廣播方式進行，基於UDP。
特性與過程

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4.3.9 ICMP協議

網際控制報文協議 ICMP。
有差錯或者異常會發送特定的ICMP報文，分爲ICMP差錯報文+ICMP詢問報文。
ICMP報文：

ICMP差錯報告報文（5種）

如何生成ICMP差錯報告報文

不應該發送ICMP差錯報文的情況

ICMP詢問報文

ICMP的應用

4.4 IPv6

IPv6數據報格式

流標籤：A->B屬於同一個流。

IPv6 對比 IPv4

IPv6地址表示形式

一般形式：冒號十六進制記法
壓縮形式：。。

IPv6基本地址類型

任播 通常是離他最近的一臺

IPv6向IPv4過渡的策略 兩者兼容

（1）雙棧協議，同時擁有兩個。
（2）隧道技術，套娃。

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4.2 路由算法與路由協議概述

路由算法

靜態路由算法（非適應路由算法）

管理員手工配置路由信息

動態路由算法（自適應路由算法）

路由器間彼此交換信息，按照路由算法優化出路由表項。
（1）全局性 鏈路狀態；路由算法 OSPF
（2）分散性 距離向量路由算法 RIP

分層次的路由選擇協議

4.5.1 RIP協議與距離向量算法

RIP協議

基於距離向量。

概念

RIP的工作

每30s向相鄰路由器交換路由表 信息。

距離向量算法

第一步：全部修改下一跳路由器，然後距離加一
第二步：逐個來看修改後的，先看目的網絡，沒有則填入，有的話不管距離總是要替換成新的，如果不相同，換成更短的。

例題2

RIP協議的報文格式

RIP協議特點

RIP的特點:當網絡出現故障時，要經過比較長的時間(例如數分鐘)才能將此信息傳送到所有的路由器，“ 慢收斂’

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4.5.2 OSPF協議與鏈路狀態算法

SPF=最短路徑算法Dijkstra。
主要特徵：使用分佈式的鏈路狀態協議。

鏈路狀態路由算法

OSPF的區域

OSPF分組

OSPF其他特點

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4.5.3 BGP協議

BGP協議交換信息的過程

BGP協議報文格式

BGP協議的特點

BGP-4的四種報文

三種路由協議比較

4.6 IP組播

IP數據報的三種傳輸方式

單播（點對點）、廣播（點對多點）、組播（多播）（點對多點）。不同的是，組播是考慮用戶需求，在最後的時候自身複製。

IP組播地址

只能作爲目的地址。源地址還得是單播的。

硬件組播

D類IP->MAC地址的轉換

IGMP協議（網際組管理協議）與組播路由選擇協議

IGMP協議

單個路由器進行管理組播組。（本局域網是否有主機（的進程）參加或退出了某個組播組）。是網絡層協議，使用IP數據報。

組播路由選擇協議

路由器之間進行傳遞，進行路徑選擇。
目的是找出以源主機爲根節點的組播轉發樹。

常使用的三種算法：基於鏈路狀態的路由選擇、基於距離-向量的路由選擇、協議無關的組播（稀疏/密集）

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4.7 移動IP

相關術語

移動IP技術：移動節點（計算機/服務器等）以固定的網絡IP地址，實現跨越不同網段的漫遊功能，並保證了基於網絡IP的網絡權限在漫遊過程中不發生任何改變。
移動節點：具有永久IP地址的移動設備。
歸屬代理（本地代理）：一個移動節點擁有的就“居所”成爲歸屬網絡，在歸屬網絡中代表移動節點執行移動管理功能的實體叫做歸屬代理。
外部代理（待敵代理）：在外部網絡中幫助移動節點完成移動管理功能的實體稱爲外部代理。
永久地址（歸屬地址/主地址）：移動站點在歸屬網絡中的原始地址。
轉交地址（輔地址）：移動站點在外部網絡使用的臨時地址。

通信過程

4.8 網絡層設備

路由器

輸入端口

輸出端口

三層設備的區別

路由表與路由轉發

路由表是路由之間，轉發表會到主機。