【学习笔记】计算机网络——第四章 网络层
系列文章目录
【学习笔记】计算机网络——第二章 物理层
【学习笔记】计算机网络——第三章 数据链路层
【学习笔记】计算机网络——第四章 网络层
文章目录
- 系列文章目录
- 概述
- 数据交换方式
-
- 为什么要数据交换？
- 数据交换方式
- 电路交换
- 报文交换
- 分组交换
- 分组交换与报文交换时延对比
- 数据报与虚电路
-
- 各种传输单元名词辨析
- 数据报
- 虚电路
- 对比
- 各种协议
-
- IP数据报格式
- IP数据报分片
- IPV4地址
- 特殊的IP地址
- 私有IP地址
- 网络地址转换NAT
- 子网划分
- 子网掩码
- 路由算法与路由协议
-
- 路由算法的分类
- 分层次的路由选择协议
概述
网络层的主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据包。
功能一：路由选择与分组转发
功能二：异构网络互联
功能三：拥塞控制
分组是什么？
分组和数据报就好像父与子的关系，数据报是比较长的数据，但是分组是把数据报进行切割而划分出来的片段。
数据交换方式
网络的核心是路由器，如何使数据通过路由器从源主机到目的主机呢？数据交换。
为什么要数据交换？
从图中可以看出，如果采用第一种来连接方式，整个网络中的链路太多；第二种方法，如果主机数量很多，交换机就需要很多的端口；而第三种方法使用路由器之间的交换网络，既对交换设备的端口要求不大，也可以实现远距离之间的通信。
数据交换方式
- 电路交换
- 报文交换
- 分组交换
电路交换
例如电话网络
电路交换阶段：建立连接-> 通信 -> 释放连接
【优点】
- 通信时延小
- 有序传输
- 没有冲突
- 实时性强
【缺点】
- 建立连接时间长
- 线路独占，使用效率低
- 灵活性差
- 无 差错控制能力
报文交换
报文：应用层的数据单元
【优点】
- 无需建立连接
- 存储转发，动态分配路线
- 线路可靠性高
- 线路利用率较高
- 多目标服务
【缺点】
- 有存储转发时延
- 报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间
分组交换
分组：把大的数据块分割成小的数据块
【优点】
- 无需建立连接
- 存储转发，动态分配线路
- 线路可靠性较高
- 线路利用率较高
- 相对于报文交换，存储管理更容易
【缺点】 - 有存储转发时延
- 需要传输额外的信息
- 乱序到达目的主机时，要对分组排序重组
分组交换与报文交换时延对比
报文交换时间一般比分组交换时间长。
计算题中注意几点：
- 单位换算：b/B，Mbps,kbps
- 是否考虑传播延迟
- 时间至少是多少——选择最少跳数
- 起始时间
- 是否有分组头部大小的开销
- 报文交换时延更长，分组交换时延可能不是整数
数据报与虚电路
各种传输单元名词辨析
应用层：报文
传输层: 报文段
网络层：IP数据报，分组
数据链路层：帧
物理层：比特流
数据报
特点：无连接服务，不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同。
每个分组携带源和目的地址
路由器跟组分组的目的地址转法分组：基于路由协议/算法构建转发表；检索转发表；每个分组独立选路。
虚电路
虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点。
虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径，路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。
对比
| 数据报 | 虚电路 | |
|---|---|---|
| 连接的建立 | 不需要 | 必须有 |
| 目的地址 | 每个分组都有完整的目的地址 | 仅在建立连接阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号 |
| 路由选择 | 每个分组独立地进行路由选择和开发 | 属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发 |
| 分组顺序 | 不保证分组的有序到达 | 保证分组的有序到达 |
| 可靠性 | 不保证可靠通信，可靠性由用户主机来保证 | 可靠性由网络保证 |
| 对网络故障的适应性 | 出故障的节点丢失分组，其他分组路径选择发生变化，可正常传输 | 所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作 |
| 差错处理和流量控制 | 由用户主机进行流量控制，不保证数据报的可靠性 | 可由分组交换网络负责，也可由用户主机负责 |
各种协议
IP数据报格式
IP数据报分片
注：只有DF=0， MF才有意义
片偏移是用片的首个字节除以8B得到的，8B是片偏移量的单位。
IPV4地址
IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。
由网络号+主机号组成
图中有三个局域网，LAN1-LAN3。
路由器可以分割广播域，因为路由器不同的接口是可以接入不同的网络的。
特殊的IP地址
私有IP地址
把这些IP地址放在网上是无效的，用于在内部网络中使用，比如说一个学校或单位。
C类是实验室最常见的。
A类：最大可用网络数是需要减去2，原因是需要排除全0（指的是本网络），以及127(环回地址）。最大主机数需要减2，分别是全0以及全1，全0是自身网络，全1是广播地址。
网络地址转换NAT
NAT(Network Address Translation): 在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器，他至少有一个有效的外部全球IP地址。
NAT路由器内存在一张NAT转换表，当专用网需要与外网进行数据交换时，通过NAT路由器将局域网IP转换为因特网IP。同理因特网要连入局域网是，也是通过NAT路由器进行IP地址转换。
子网划分
可以将子网号中的若干高位划分为子网号，某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分。
子网掩码
假设需要从外网接入局域网，局域网内又存在多个子网，那么此时就需要用到子网掩码定位目的地址了。
子网掩码与IP地址逐位相与，就得到子网网络地址。
【习题】已知IP地址是141.14.72.24，子网掩码是25.25.192.0，求网络地址。
路由算法与路由协议
最佳路由：“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已
路由算法的分类
静态路由算法（自适应路由算法）：
优点：简单、可靠，在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果很好，广泛用于高度安全性的军事网络和较小的商业网络。
缺点：路由更新慢
动态路由算法（自适应路由算法）：
优点：路由器之间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。路由更新快，适应大型网络，及时相应链路费用或网络拓扑变化。
缺点：算法复杂，增加网络负担。
全局性：链路状态算法 OSPF
分散性：距离向量路由算法 RIP
分层次的路由选择协议
为什么要有分层次的路由协议？
- 因特网规模很庞大
- 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
因此就诞生了自治系统AS：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的路由，同时还使用一种AS 之间的路由协议以确定AS之间的路由。也就是内部网关协议IGP和外部网关协议EGP。
未完待续…