王道考研 计算机网络笔记 第四章：网络层

本文基于2019 王道考研 计算机网络: 2019 王道考研 计算机网络
个人笔记总结
第一章：王道考研 计算机网络笔记 第一章：概述&计算机网络体系结构
第二章：王道考研 计算机网络笔记 第二章：物理层

第三章：王道考研 计算机网络笔记 第三章：数据链路层
后续章节将陆续更新…

第四章大纲：

一、网络层功能

网络层提供主机与主机之间的逻辑通信

1. 路由选择和分组转发

也就是网络层设备路由器本身的功能：

• 路由选择
• 分组转发

实现让数据在路由器之间走最佳的路径

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2. 实现异构网互联

通过路由器可以把不同的网络连接起来形成一个大的互联网

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3. 拥塞控制

拥塞控制要和流量控制区分开：

• 拥塞控制是全局性的问题，涉及到网络当中所有主机、路由器，以及导致网络传输能力下降的所有因素
• 流量控制解决就是因为发送方发送的太快，接收方来不及接收的问题

拥塞控制分为两种：

• 开环控制：是静态的，在网络开始之前就先把所有能产生拥塞的因素考虑大，预先控制
• 闭环控制：是动态的，预先不考虑，网络运行时自动调整实现拥塞控制

二、数据交换方式

数据交换的由来：

通过网络核心路由器可以实现远距离通信，将多种多样的异构网络互联；

那么如何使数据通过路由器从源主机到目的主机呢？具体的实现就需要数据交换技术

为什么需要数据交换？

• 减少链路条数和长度
• 减少单个交换设备的流量

为了解决以上问题，就利用交换设备互联形成交换网络，也是现在最常用的数据交换方式

1. 电路交换

特点：独占资源，只要建立了连接，就会占用那一部分链路资源

• 比如A和B打电话，即使两个人不说话，资源也被会两个人占用

优点：

1. 通信时延小：只要连接建立好，有数据就会通过交换设备发出去
2. 有序传输：建立好连接后，数据按序发送，按序接收
3. 没有冲突：因为独占连接，不会有第三方的接入
4. 实时性强：通信双方的链路一旦建立成功，双方便可随时进行通信

缺点：

1. 建立连接时间长
2. 线路独占，使用效率低
3. 灵活性差；如果一个设备宕机，则该链路崩溃，无法进行通信
4. 无差错控制能力；发送数据时，交换设备并不会对数据检错或者纠错，只是单纯的把数据转发出去

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2. 报文交换

优点：

1. 无需建立连接
2. 存储转发，动态分配线路；不需要事先约定好一个路径，而是可以随机动态的分配线路，寻找一个最佳路径
3. 线路的可靠性较高：如果其中一台交换设备出现了问题，可以从其他路径到目的主机
4. 线路利用率很高：报文交换过程中，通信双方不是固定的占有一整条通信线路，而是在不同的时间一段一段的占用线路
5. 多目标服务：一个报文可以同时发往多个目的地址

缺点：

1. 有存储转发时延
2. 报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间

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3. 分组交换

优点：

1. 无需建立连接

2. 存储转发，动态分配电路

3. 线路可靠性较高：分组较短，出错几率减小

4. 线路利用率高：报文交换过程中，通信双方不是固定的占有一整条通信线路，而是在不同的时间一段一段的占用线路

5. 相对于报文交换，存储管理更容易：对交换设备的缓存大小要求低，因为分组大小很小

6. 相对于报文交换方式，总共传输时延小，因为分组交换是一种并行转发分组的过程，而报文交换串行转发分组的过程

   

缺点：

1. 有存储转发时延：每个交换设备都得把分组存起来再转发出去
2. 需要额外的信息量：每个报文进行分组后，分组需要附加一些额外的信息，主要包括源地址、目的地址、报文编号等信息，最后再接受端拼合起来
3. 乱序到达主机，要对分组排序重组

分组交换分为两种：

数据报方式

虚电路方式

对比：

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三种方式对比

三、路由算法和路由协议

1. 路由算法

路由算法的分类：

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2. 路由选择协议

当今采用分层次的路由选择协议

原因：

• 因特网规模很大
• 许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网

因此将因特网分为很多小的团体：自治系统AS

• 定义：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

• 一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。

• 自治系统内采用的协议对外界来说透明，而且可以使每个路由器的路由表不过与庞大

由此将路由选择协议分为了两种：

1. 内部网关协议IGP：用于一个AS内使用的，例如：RIP、OSPF
2. 外部网关协议EGP：用于AS之间使用，例如：BGP

1. RIP协议及距离向量算法

RIP协议是内部网关协议，用于一个自治系统AS内使用

1. RIP协议（应用层协议）

2. RIP协议报文格式

3. RIP协议特点

4. 距离向量算法

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2. OSPF与链路状态算法

1. OSPF协议

2. 链路状态路由算法

3. OSPF的区域

4. OSPF分组

5. 特点

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3. BGP协议

1. BGP协议（应用层协议）

2. BGP协议交换信息的过程

3. BGP协议报文格式

4. 特点

5. BGP-4四种报文

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三种协议对比

四、IP数据报

1. 格式（首部）

IP数据包头部详细格式：


协议对应的字段值：

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2. IP数据报分片

需要分片的原因：链路层有可封装的数据上限MTU，以太网的MTU是1500字节；如果所传送的数据报文长度超过某链路MTU的值，就需要分片

分片的方法需要结合IP数据报首部的标识、标志、片偏移三个字段来理解

例题：

五、IPv4地址

• 路由器可以分割广播域：因此路由器的每个接口IP地址都不同
• 网桥不能分隔广播域：因此网桥的每个接口IP地址都相同

1. 分类IP地址(网络地址转换NAT)

特殊的IP地址：


网络地址转换NAT

在ABC三类地址当中取出来一部分地址作为私有IP地址，特点：

• 无法直接和外部进行通信，外部也不知道私有地址的存在

• 私有IP地址常用于本地网/专用网，比如单位，学校机房等

NAT就是进行私有IP地址和共有IP地址的转换，解决以上问题

• 只能在本地网、专用网中使用，在广域网当中，路由器以及其他主机无法识别该IP地址

• 路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发

• 专用网与外部网络建立通信的过程就是通过网络地址转换NAT实现的

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2. 子网的划分

子网划分：

子网掩码：由一系列连续的1和连续的0所构成的二进制数

• 主机号部分所对应的位全为0
• 其他部分所对应的位全为1

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3. 构成超网（无分类编址CIDR）

• 减少了路由表的表项

六、重要协议

1. ARP协议

实现MAC地址和IP地址的映射

1. 发送数据的过程

交换机没有MAC地址，路由器每个端口有一个MAC地址，每个主机有一个MAC地址

2. ARP协议

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2. DHCP协议（应用层协议）

实现动态获取IP地址

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3. ICMP协议

ICMP、IGMP协议处于网络层和传输层之间的协议，起桥梁作用

• ICMP是为了更有效的转发IP数据报和提高成功交付的机会

1. ICMP差错报文

2. ICMP询问报文

3. ICMP应用

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4. IGMP协议与组播路由协议

1. IP数据报的三种传输方式

2. IP组播地址

3. 硬件组播

4. IGMP协议与组播路由协议

1. IGMP协议

2. 组播路由选择协议

七、IPv6

1. 数据格式

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2. IPv6对比IPv4

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3. IPv6地址表示与类型

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4. IPv6过渡IPv4的策略

八、移动IP

移动IP要与动态IP区分开

• 动态IP：通过使用DHCP协议在一个局域网内部的一台主机就可以动态的获得一个IP地址
• 移动IP：由互联网工程任务组（IETF）制定的一种网上传输协议标准。它设计的目的，是为了让移动设备用户，能够从一个网上系统中，移动到另一个网上系统，但是设备的IP地址保持不变。这能够使移动节点在移动中保持其连接性，实现跨越不同网段的漫游功能

1. 相关术语

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2. 通信过程

九、网络层设备——路由器

路由器

路由选择+分组转发

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三层设备的区别