计算机网络（网络层）

网络层

1.虚电路与数据报服务

2.网际协议IP

下图是IP协议与其配套协议的关系

1、虚拟互联网络
将网络互相连接起来使用的一些中间设备根据所在的层次看：

许多计算机网络通过一些路由器进行互联。参加互联的计算机网络使用相同的网际协议IP，可以将互联后的计算机网络作为一个虚拟互联网络。其逻辑互联，物理网络的异构是客观存在的，使用IP协议使得性能各异的网络在网络层看起来像一个统一的网络。

IP网络好处：当ip网上的主机进行通信，好像在一个单个网络上通信。
下图表示源主机H1将一个IP数据报发送给目的主机H2.

2、分类的IP地址
IP地址的编址方式龚经理三个阶段：

IP地址由 两个字段组成，为网络号和主机号。网络号标志主机所连接的网络，网络号在互联网内唯一，主机号标志主机，在网络号所指的网络中的范围是唯一的。

三类IP地址的指派范围：

一般不使用的特殊IP地址

IP地址的特点：
（1）每个IP地址都有网路号和主机号组成
（2）实际上IP地址是标志一台主句和一条链路的接口
（3）一个网络是指具有相同的网络号的主机的集合，则转发器或网桥连接的多个局域网为一个网络
（4）路由器是具有两个或两个以上的IP地址，即路由器的每个接口都有一个不同网络号的IP地址

3、IP地址与硬件地址

IP地址数据包交给数据链路层后封装为MAC帧，在传送时使用的源地址和目的地址都为硬件地址。都写在MAC帧的首部中。


注意：

• 在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报
• 路由器只有根据目的站的ip地址的网络号进行路由选择
• 局域网的链路层只能看到MAC帧

4、地址解析协议ARP
作用：知道一个机器的IP地址，需要知道其对应的硬件地址。

ARP协议的通过过程：

ARP解决同一个局域网上主机或路由器的IP地址和应将地址的映射问题。
5、IP数据报格式

6、IP层转发分组的流程


分组转发算法：
（1）从数据报提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地址为N
（2）当N就是与此路由器直接相连的某个网络地址，则进行直接交付，将数据报直接交给目的主机，不需经过其他路由器，否则是间接交付
（3）当路由表中有目的地址为D的特定主机路由，将数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，进入下一步
（4）当路由表有到达网络N的路由，将数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则进入下一步
（5）当路由表中有一个默认路由，将数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则进入下一步
（6）分组转发错误

3. 子网划分与构造超网

划分子网的基本思路：
（1）、有多个物理网络的单位，将所属的物理网络划分为若干个子网。该网络仍对外表现为一个网络。
（2）、从网络的主机号借用若干位作为子网号，则两级IP地址在本单位内部变为三级IP地址：网络号、子网号、主机号。
（3）、从其他网络发送来的IP数据报仍然根据数据报的目的网络号找到连接在本单位网络上的路由器，再按目的网络号和子网号找到目的子网，将IP数据报交给目的主机。


子网掩码：


子网掩码的好处：
不管网络有没有划分子网，只要把子网掩码和IP地址进行逐位与操作，就得出网络号。
所有的网络都必须使用子网掩码，同时在路由器的路由表中必须有子网掩码，当不划分子网，则使用默认子网掩码。

例如下面的例子，一个B类地址的子网划分方法：


子网数根据子网号得到，当子网位数为n，共有2^n种排列，除去全1和全0的情况就是子网数。
根据子网掩码和IP地址求一个网络地址：

2、子网划分的分组转发：
（1）、从收到的数据报的首部提取目的IP地址D。
（2）、先判断是否为直接交付，对路由器直接连接的网络检查，使用各个网络的子网掩码和D逐位相与，当结果和网络地址匹配，则分组进行直接交付，转发任务完成，否则为间接交付，进入下一步；
（3）、当路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则将数据报传送给路由表中指明的下一跳路由器，否则进入下一步；
（4）、对路由表中的每一行用其中的子网掩码与D逐位相与，当结果与该行的目的网络地址匹配，则将数据报传送给该行指明的下一跳路由，否则进入下一步；
（5）当路由表中有一个默认路由，则将数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则执行下一步；
（6）分组转发出错
如下面的例子：



3、无分类编址CIDR


常用CIDR地址块：


对CIDR地址分配的例子如下：


最长前缀匹配：
从匹配结果中选择有最长网络前缀的路由。网络前缀越长，地址块越小，路由越具体。

4. 网际控制报文协议ICMP

ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。
1、ICMP报文的种类

5.互联网路由选择协议

1、基本概念
理想的路由算法：
（1）算法是正确完整的
（2）在计算上简单
（3）适应通信量和网络拓扑的变化
（4）具有稳定性
（5）最佳的
分层次路由选择协议：

可以将路由选择协议分为两大类：
（1）内部网关协议：一个自治系统内部使用的路由选择协议，如RIP和OSPF协议
（2）外部网关协议：当源主机和目的主机在不同的自治系统，当数据报传到一个自治系统边界，需要将路由选择传递到另一个自治系统。自治系统之间的路由选择叫域间路由选择。

2、RIP协议
基于距离向量的路由选择协议，优点是简单；RIP的距离定义如下：


特点：
（1）仅和相邻路由器交换信息
（2）信息是当前本路由器所知道的全部信息。
（3）按固定的时间间隔交换路由信息。
RIP协议的报文格式：

该协议的缺点：

3、OSPF协议（开放最短路径优先协议）
该协议的最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议。
（1）向本自治系统中所有路由器发送信息。使用的是洪泛法。
（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。
（3）只有当链路状态发生变化，路由器才向所有路由器用洪泛法发送此信息。


4、路由器构成

整个结构可分为路由选择和分组转发部分。


输入端口：

输出端口：

交换结构：

6. IPV6

1、基本首部
（1）更大的地址空间
（2）扩展的地址层次结构
（3）灵活的首部格式
（4）改进的选项
（5）允许协议继续扩充
（6）允许即插即用
（7）支持资源的预分配
（8）IPV6首部为8字节对齐


IPV6基本首部：

2、IPV6的地址

IPV6的地址分类：

3、从IPV4到IPV6的过渡
双协议栈：

隧道技术：

7. IP多播

1、基本概念