【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?

【学习笔记】计算机网络——第四章 网络层_第1张图片
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

  1. 电路交换
  2. 报文交换
  3. 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】

  1. 通信时延小
  2. 有序传输
  3. 没有冲突
  4. 实时性强

【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
  4. 无 差错控制能力

报文交换

报文:应用层的数据单元

【优点】

  1. 无需建立连接
  2. 存储转发,动态分配路线
  3. 线路可靠性高
  4. 线路利用率较高
  5. 多目标服务

【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

分组交换

分组:把大的数据块分割成小的数据块
【优点】

  1. 无需建立连接
  2. 存储转发,动态分配线路
  3. 线路可靠性较高
  4. 线路利用率较高
  5. 相对于报文交换,存储管理更容易
    【缺点】
  6. 有存储转发时延
  7. 需要传输额外的信息
  8. 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:

  1. 单位换算:b/B,Mbps,kbps
  2. 是否考虑传播延迟
  3. 时间至少是多少——选择最少跳数
  4. 起始时间
  5. 是否有分组头部大小的开销
  6. 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

【学习笔记】计算机网络——第四章 网络层_第2张图片

IP数据报分片

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注:只有DF=0, MF才有意义
【学习笔记】计算机网络——第四章 网络层_第4张图片
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。
网络号+主机号组成
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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

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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。
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C类是实验室最常见的。
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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。
【学习笔记】计算机网络——第四章 网络层_第9张图片
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。

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子网掩码

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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。
【学习笔记】计算机网络——第四章 网络层_第12张图片
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?

  1. 因特网规模很庞大
  2. 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。
【学习笔记】计算机网络——第四章 网络层_第13张图片

未完待续…

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