计网4：网络层

4.网络层

网络层的两个主要功能：转发和选路（forwarding and routing）

虚电路网络 vs 数据报网络

virtual-circuit:

network provides network-layer
connection service

datagram network：

provides network-layer **connectionless **service

Longest prefix matching:
when looking for forwarding table entry for given
destination address, use longest address prefix that
matches destination address.

路由器原理

Switching fabrics：

Input port：

Output ports：

IP数据报分块与合并

IP fragmentation, reassembly

IPv4

IP协议：不可靠、尽力而为、无连接

IP报文结构：

IPV6

子网掩码，子网划分，ABC类地址

IP编址: CIDR

地址格式: a.b.c.d/x, 其中x是地址子网部分的比特长度

几类地址：

一般来说，主机号部分为全“1 ”的IP地址保留用作广播地址；
主机号部分为全“0 ”的IP地址保留用作网络地址。

ICMP

网际控制报文协议
（Internet Control Message Protocol）

该协议是TCP/IP协议集中的一个子协议，属于网络层协议，主要用于在主机与路由器之间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。当遇到IP数据无法访问目标、IP路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送ICMP消息。我们可以通过Ping命令发送ICMP回应请求消息并记录收到ICMP回应回复消息，通过这些消息来对网络或主机的故障提供参考依据。

NAT

网络地址转换协议
(Network Address Translation)

DHCP

动态主机配置协议

DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol:
dynamically get address from as server

DHCP can return more than just allocated IP
address on subnet:

• address of first-hop router for client
• name and IP address of DNS sever
• network mask (indicating network versus host portion
  of address)

两种经典的选路算法

分散的选路算法-距离矢量算法（DV）：
路由器知道物理相连的邻居，到邻居的链路费用计算的迭代过程，与邻居交换信息。

全局的选路算法-链路状态算法（LS）：
所有路由器具有完全的拓扑、链路费用信息。

1. Dijkstra算法

2. 距离向量法

3. LS和DV算法的比较

报文复杂性

• LS: 对n个节点，E条链路, 发送O(nE) 报文
• DV: 仅在邻居之间交换，收敛时间变化

收敛速度

• LS: O(n2) 算法要求 O(nE)报文可能具有振荡
• DV: 收敛时间变化可能有选路环路，计数到无穷问题

健壮性: 如果路由器异常，将
发生什么现象?

• LS:节点可能通告不正确的链路费用，每个节点仅计算它自己的表
• DV:DV节点通告不正确的路径费用，每个节点表能由其他人使用，差错通过网络传播。坏消息传播得慢。

因特网选路算法

Intra-AS Routing，also known as interior gateway protocols (IGP)，most common intra-AS routing protocols:
RIP，OSPF，IGRP

RIP:

• Routing Information Protocol
• distance vector algorithm
• distance metric: # hops (max = 15 hops), each link has cost 1
• if no advertisement heard after 180 sec -->neighbor/link declared dead
• poison reverse： used to prevent ping-pong loops (infinite distance = 16 hops)
• use UDP

OSPF:

• Open Shortest Path First
• route computation using Dijkstra’s algorithm
• carried in OSPF messages directly over IP (rather than
  TCP or UDP）

IGRP:

• Interior Gateway Routing Protocol (Cisco proprietary)

Internet inter-AS routing: BGP

• BGP (Border Gateway Protocol):
• eBGP: obtain subnet reachability information from
  neighboring ASs.
• iBGP: propagate reachability information to all AS internal routers.
• use TCP

考题预测

Dijkstra算法和距离向量法很可能考计算题，做过课堂练习

子网掩码、ABC类地址、子网划分可能会考大题，做过课堂练习

IP分块也可能会考大题，出现在作业题中

牢记这些概念：

• 数据报网络和虚电路的区别
• DHCP
• NAT
• ICMP
• IPV4（32bit） IPV6（128bit）