计算机网络复习笔记---网络层
网络层
1.网络层概述
1）网络层功能
------分组转发
-----当一个分组到达某路由器的一条输入链路时，该路由器必须将该分组转发到适当的输出链路。
------路由选择
------当分组从发送方流向接收方时，网络层必须决定这些分组采用的路由或路径。
2）网络层提供的两种服务
①提供无连接服务---数据报服务
可能沿着不同路径传输
②提供面向连接服务----虚电路服务（逻辑电路）
3）因特网采用的设计思路
①网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。
②网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即IP数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不需要进行编号）。
③网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按顺序到达终点），当然也不保证分组传送的时限。
2.地址解析协议ARP
1）区分IP地址与MAC地址
物理地址==硬件地址==MAC地址
2）作用：
将IP地址转换成物理地址
3）流程：
①A广播发送ARP请求分组（无对方信息的情况）
②目标B收到后将A的IP地址和物理地址存入自己的ARP缓存表，然后将自己的IP地址和物理地址封装，发送响应分组。
PS：ARP缓存表：缓存已知的IP地址到硬件地址的映射。
4）自己电脑查询ARP缓存表---ARP -A
5）范围：
①ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。
②需要路由器帮忙
6）注意：
①从IP地址到硬件地址的解析时自动进行的，主机的用户对这种解析是不知道的。
②只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就会自动将该IP地址解析为链路层所以需要的硬件地址。
问题：为什么不用物理地址通信？？？
7）RARP协议（DHCP协议已经包含其功能，所以很少使用）
3.分类的IP地址及编址方式
1）IP地址概念：
①IP地址是给每一个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个唯一的32位（4字节）的标识符。
②点分十进制记法
2）分类的IP地址
①网络号---唯一的
②主机号---唯一的
3）分类：
①A类网络
PS：127.x.x.x是本机回送地址----主要用于软件测试以及本地进程间通信，一旦使用其发送数据，协议软件立即返回，不进行任何网络传输。
PING 127.0.0.1----网络故障检测
②B类地址
可指派的最小地址：128.1.0.0
128.0.0.0不指派
③C类地址
不指派的192.0.0.0
4）重要特点：
①分等级的地址结构
-----主机号自行分配
-----路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（不用考虑主机号），这样就可以是路由表中的项目数减少，节约存储空间。
②IP地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。
PS:路由器至少有两个IP地址
③用二层交换机（转发器或网桥）连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号net-id。
④所有分配到网络号net-id的网络，无论是范围很小的局域网还是覆盖范围很大的广域网，都是平等的。
4.IP数据包格式
1）固定部分
①版本--4位---当前IP版本号位4
②首部长度-----4位----表示首部的最大数值是15个单位（一个单位为4个字节）==60字节
③区分服务---8位----用来获得更好的服务
------但未被使用过！
④生存时间----8位----TTL
-------数据报在网络中可通过的路由器数的最大值
--------当==0时则丢弃
⑤协议-----8位
----指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上交给那个处理进程。
⑥首部校验和----16位
----只校验数据报的首部，不校验数据部分，采用简单的计算方法。（不是CRC）
⑦源地址和目的地址各占4字节---32位
⑧总长度-----16位
-----指首部和数据的总长度，单位为字节，因此数据报的最大长度位65535自己！
------但是IP数据报总长度不超过MTU（<1500）
------分片与重装：
----标识---16位
-----一个计数器，用来产生数据报的标识。
----标志---3位
-----目前只有两位有意义
----MF等于1时表示后面还有分片;MF==0时表示最后一个分片。
----DF==0时才允许分片！！
----片偏移---13位
-----分片后，指出某分片在原分组的相对位置。（以8个字节为偏移单位）
为什么是1400字节？？？
因为首部为20字节（MTU=1420）
5.划分子网
1）解决二级IP地址不够合理---划分子网
从主机号host-id借用若干位作为子网号subnet-id。
2）一个IP数据报的首部，是无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分。
---------子网掩码的引入（不划分也要用！！）
计算：
若子网掩码改为255.255.224.0，结果也不变。
----B类子网划分（这两个表很有用）
更正：64==0100 0000
例题：
一个B类地址180.20.0.0，子网掩码为255.255.224.0，它能划分几个子网？每个子网容纳多少主机？
--1111 1111.1111 1111.1110 0000.0000 0000
-------------------------------------主机位
有2的三次方（8）个子网：
000、001、010、011、100、101、110、111
180.20.0.0、180.20.32.0、180.20.64.0、180.20.96.0、180.20.128.0、180.20.160.0、
180.20.192.0、180.20.224.0
规律：相邻的两个子网之间相隔32个IP地址----256-224=32
主机数：2的13次方-2=8190个
--------16-3=13
3）子网掩码的重要属性
①若一个路由器连接在两个子网上，则拥有两个网络地址和两个子网掩码。
②路由器之间交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器。
③路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须给出该网络的子网掩码。
④通过子网掩码，可以确定该主机在那个子网。
6.IP层转发分组
1）查找路由表
①特定主机路由
②默认路由
----减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间。
----在一个网络只有很少的对外链接时是很有用的
2）分组转发算法（没划分子网的情况）
①从数据报的首部提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地址为N。
②若网络N与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机D；否则是间接交付，执行③。
③若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则执行④。
④若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行⑤。
⑤若路由表中有一个默认的路由，则把数据报传送给路由表中的所指明的默认路由；否则，执行⑥。
⑥报告转发分组出错。
3）路由器转发分组（划分子网的情况下）
①从收到的分组的首部提取目的IP地址D
②先用各网络的子网掩码和D逐位相”与”，看是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。否则就是间接交付，执行
③若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则执行④。
④对路由器表中的每一行的子网掩码和D逐位相“与”，若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下一跳路由器；否则，执行⑤。
⑤若路由表中有一个默认的路由，则把数据报传送给路由表中的所指明的默认路由；否则，执行⑥。
⑥报告转发分组出错。
7.CIDR无分类编址
1）意义：消除了传统的ABC类地址以及划分子网的概念，有效的分配IPv4的地址空间。
- 特点：
①使用各种长度的“网络前缀”来替代分类地址中的网络号和子网号。
----路由器按目的网络地址的前缀进行选路和转发。
②斜线记法：
-----在IP地址后面加上斜线“/”，然后写上位数。
③仍然使用“掩码”这一名词
128.14.32.0/20
2）常用CIDR地址块
记住/20就可以了
----255.255.240.0----4K地址数---16个C类网
-
------一个CIDR地址块可以表示很多地址
3）最长前缀匹配
----------最具体
- 路由聚合（超网）
4）优点：
①更加灵活地使用IP地址
②通过聚合，减少路由表的数量
③将少的地址合并成大的进行分配
8.网际控制报文协议ICMP
1）作用：
①报告差错情况
②报告异常情况
（因为IP协议提供的是尽最大努力的服务）
2）概念
①ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。
②ICMP不是高层协议，而是IP层的协议，
3）
类型：
①ICMP差错报文
---终点不可达
---源点抑制，网络层拥挤控制，实际中很少使用。
---时间超时（TTL==0）
---参数问题
---改变路由（重定向）
②ICMP询问报文
---回送请求和回答报文
------------PING IP ---测试本机与其他主机或路由的连通性。
------------tracer oute / tracert
----用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。
(测试发送的是无法交付的UDP用户数据报)
---时间戳请求和回答报文
-----------用来进行时钟同步和测量时间的
9.内部网关协议RIP
1）路由选择协议
①静态路由选择
----简单、开销小、不能及时适应网络状态的变化，由网络管理员设置，完成路由表，小型网络。
②动态路由选择
能适应网络状态的不断变化，开销较大，由选择协议自动完成路由表。
2）
3）基本原理
①与相邻路由交换信息
②每隔30秒
③最大跳数为15
距离向量算法
4）RIP报文
5）优点：
①实现简单，开销较小
②最大距离15（16为不可达）
6）缺点：
①当网络出现故障时，要经过较长的时间才可以将此消息传送到所有路由器。
②路由器之间交换的路由信息时路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销也就增加，收敛慢。
10.内部网关协议OSPF
1）基本思想：
如果每个路由器都知道了整个网络的完整拓扑，那就很容易计算到每个网络的最短路径，并生成路由表。
链路状态算法
2）四个要点
①使用洪泛法（广播）
②发送---与相邻路由器间的所有链路的状态
③当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法发送
④使用最短路径算法计算并生成路由表
3）链路状态数据库
每三十分钟更新（广播）
4）层次OSPF
5）OSPF分组
①类型一：问候（Hello）分组---发现和维持邻站的可达性。（每隔十秒钟交换一次，若超过40S则认为不可达）
②类型二：数据库描述分组
③链路状态请求分组
④链路状态更新分组
⑤链路状态确认分组（实现洪泛，完成确认）
11.外部网关协议BGP
1）定义：
因此，边界网关协议BGP只能是力求寻找一条到达目的网络符合策略要求，经过自治系统少的路由，而并非寻找一条有明确物理意义的“最佳”路由。
2）过程：
①发言人（BGP边界路由器），需要与其他自治系统的发言人交换信息，要先建立TCP连接。
②交换BGP报文，建立BGP会话。利用会话交换路由信息。
③使用TCP连接可以提供可靠的服务。通告到达各网络的最短路径，构成一个树状拓扑。
- 特点：
①在BGP刚刚运行时，BGP的邻站间交换整个的BGP路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。
②采用路径向量算法（类似于距离向量算法），因此没有“坏消息传播慢的问题”。
12.路由器的构成
1）
①输入端口：
他会执行查找和转发功能，将复制的转发表放在每个输入端口
②输出端口
2）转发与路由选择的区别
①转发
-----就是路由器根据转发表将IP数据报从合适的端口转发出去。
②路由选择
------根据路由选择算法和拓扑变化动态选择路由。
PS：路由表是由路由选择算法得出
转发表是由路由表得出的
----路由选择算法---路由表----转发表
3）交换结构
①通过存储器
②通过总线（不能同时的）
③通过互联网络（可以多个同时）
13.虚拟专用网VPN
1）通过公用网提供安全，临时的连接。
----不是端到端的物理链路，而是利用公众网络资源动态组成的。
2）为什么要使用？
解决IP地址不够用的问题，有的企业有多，有的机构分配不到。
3）IP专用地址的定义
①私有地址
②本地地址
本机构自行分配，机构内部通信
4）两种方法
①建立一条专线
---成本高
②建立一条隧道（利用公网设施在一个网络之中的网络上传输数据的方法）
----通过隧道协议传输---一旦封装的帧，到达了公网的目的地，就会被解除封装，并继续送达到最终目的地。
14.网络地址转换NAT
1）解决IP地址不够用问题，将内部地址转化为外部地址。
通过NAT软件转化
-----节约了大量的公共IP地址
-----增加了内部网络的安全性
2）内部地址翻译NAT
----所有使用本地地址的主机在和外界通信时都要在NAT路由器上将其本地地址转化成IP地址才能和因特网连接。
----一对一---一个内部地址对应一个外部IP地址
3）内部全局地址复用--PAT
----采用port multiplexing技术，或改变外出数据的源port技术可以将多个内部IP地址影射到同一外部地址，这就是PAT，多对一的关系。
通过端口号：
4.1 随堂测试
1【填空题】网络层的功能是分组转发和（ 路由选择）。
2【填空题】网络层提供面向连接服务的称为虚电路网络，提供无连接的服务称为（ 数据报网络）。
3【填空题】网际协议即为（ IP协议）。
4【填空题】在网络层，实现网络互连的中间设备为（路由器 ）。
5【填空题】在DOS命令提示符下查看ARP缓存表的命令为（ arp –a）。
6【判断题】ARP协议的作用是将主机的IP地址映射成Mac地址。 T
7【判断题】ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。 T
4.2 随堂测试
1【填空题】在DOS命令提示符下查看ARP缓存表的命令为（arp –a ）。
2【判断题】ARP协议的作用是将主机的IP地址映射成Mac地址。 T
3【判断题】ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。 T
4.3 随堂测试
1【填空题】A类地址的网络号占（ 1）个字节，取值范围为1到（ 126）。
2【填空题】B类地址的主机号占（ 2 ）个字节。每个C类地址的网络包含（ 254 ）个地址。
3【判断题】127.x.x.x地址用于环回测试用。 T
4.4 随堂测试
1【填空题】 Ipv4协议的版本号为(4 )。
2【填空题】标识、标志和（片偏移 ）主要用于数据包的分片。
3【填空题】IP数据包首部的固定长度占（20字节 ）。
4【判断题】首部校验和字段，只检验数据包的首部不检验数据部分。T
4.5 随堂测试
1【填空题】A类地址默认的子网掩码是（ 255.0.0.0）, C类地址默认子网掩码是（255.255.255.0 ）。
2【填空题】已知IP地址是141.14.72.24，子网掩码是255.255.255.0,写出网络地址为（141.14.72.0 ）.若子网掩码修改为255.255.128.0，其网络地址为（ 141.14.0.0）.
3【填空题】一个C类网络地址210.45.160.0，它的子网掩码为255.255.255.192，能划分（ 4）个子网，每个子网可容纳（ 62）个主机数。
4.6 随堂测试
1【填空题】利用各网络的子网掩码和目的IP地址进行相与的运算，可获得其（ 网络地址 ）。
2【填空题】IP层分组依据主机的( 目的IP地址 )来转发。
3【判断题】路由表根据目的主机所在的网络地址来制作。T
4.7 随堂测试
1【填空题】在CIDR地址块128.14.32.0/20中，网络前缀为（20位 ）。在这个地址块中，最小的IP地址为（128.14.32.0 ），最大的IP地址为（ 128.14.47.255 ）。
2【填空题】在/25 CIDR地址块中，包含的地址数为（ 128 ）。
3【填空题】在使用CIDR地址时，查找路由表转发分组时遵循（ 最长前缀匹配 ）。
4.8 随堂测试
1【填空题】ICMP报文分为 ICMP差错报文和（ ICMP询问报文 ）。
2【填空题】( ping ）命令可用于测试本机与其他主机或路由器的连通性。
3【填空题】( traceroute )命令用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。
4.9 随堂测试
1【填空题】RIP路由协议依据（ 跳数 ）来选择最佳路由。
2【填空题】RIP路由协议每隔30S和（ 相邻 ）路由器交换路由信息。
3【填空题】RIP 限制了网络的规模，它能使用的最大距离为（ 15 ）。
4.10 随堂测试
1【填空题】RIP协议是属于距离矢量路由选择算法，OSPF协议被称为（ 链路状态算法 ）。
2【填空题】OSPF协议使用（ 最短路径 ）算法计算并生成路由表。
3【填空题】OSPF分组共有（ 5 ）种类型。