【计算机网络原理】第四章 网络层

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往期必看

【计算机网络原理】第一章 概述

【计算机网络原理】第二章 网络应用
【计算机网络原理】第三章 传输层

一、网络层服务

（1）主要作用

将网络层数据报从源主机送达目的主机

（2）主要功能

• 转发： 分组从输入接口转移到输出接口
• 路由选择： 决定分组经过的路由或路径

具体如下图——路由器内部结构

• 转发表： 记录输入的数据应该去的目的地
  依靠路由选择协议实现

• 通过路由选择协议确定路由表

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二、数据报网络与虚电路网络

（1）数据报网络

按照目的主机地址进行路由选择的网络

特点：

1. 无连接
2. 每个分组左右一个独立的数据报进行传送，路径也可能不同
3. 分组可能出现乱序和丢失的情况
4. 本质上不可靠，但效率高

（2）虚电路网络

在网络层提供面向连接的分组交换服务

特点：

1. 建立一条网络层逻辑连接
2. 不需要为每条虚电路分配独享资源（区别于电路交换建立专用通路）
3. 根据虚电路号沿虚电路路径按序发送分组
   PS：现代计算机网络主要选择了数据报的方式

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三、网咯互连与网络互连设备

（1）异构网络互连

异构网络

两个网络的通信技术和运行的协议不同

异构网络互连的基本策略

1. 协议转换；
   将数据遵循的协议转换，相当于翻译工作
2. 构建虚拟互联网络（较大使用）
   让不同的网络的不同协议共同支持一个上层的协议
   如互联网是支持IP协议，自身的协议作为下层协议

（2）路由器

输入端口

1. 从线路接收分组
2. 物理层处理
3. 数据链路层处理
4. 网络层处理：分组排队、查表、转发分组

输出端口

1. 网络层处理：分组排队、缓存管理
2. 数据链路层处理
3. 物理层处理
4. 向线路发送、分组

交换结构

1. 基于内存交换——即输入端口与输出端口之间是一块内存
2. 基于总线交换——即输入端口与输出端口之间是一条总线
3. 基于网络交换——输入端口与输出端口之间的线路交叉连接，通过连接点的开通与否决定传输的路径

路由处理器

路由器内部有自己的CPU，有自己的内存，运行程序，相应的控制软件

执行路由器各种指令，如路由协议的运行、路由计算、路由表的更新维护

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四、网络层拥塞控制

（1）网路拥塞

拥塞

一种持续过载的网络状态，此时用户对网络资源的需求超过网络固有容量

原因

1. 缓冲区容量有限
2. 传输线路的带宽有限
3. 网络结点的处理能力有限
4. 网络中某些部分发生了故障

（2）流量感知路由

根据网络负载动态调整，将网络流量引导到不同的线路上，均衡负载

1. 多路径路由；
   去一个目的地可以选择多条路径，此时网络流量便可引导到各条路径上
2. 缓慢转移流量至另一链路
   缓慢转移是因为避免快速转移下导致另一条路也拥堵了

（3）准入控制

是一种广泛应用于虚电路网络的拥塞预防技术

基本思想

对新建虚电路进行审核 ，如果新建虚电路会导致网络拥塞，则拒绝建立

拥塞状况的量化

考虑平均流量和瞬时流量

（4）流量调节

处理拥塞：将拥塞信息通知到其上游结点

方法：

1. 抑制分组：给拥塞数据报的源主机返回抑制分组
2. 背压：让抑制分组在从拥塞结点到源节点上的每一跳，都发挥抑制作用

（5）负载脱落

主动丢弃某些数据报

选择：

1. 丢弃新分组：如GBN
2. 丢弃老分组：如实时视频流

根据应用情况选择

五、Internet网络层

（1）IPv4协议

数据报格式

IP首部固定部分20字节

IP数据报分片

标识： 判断这些分片是否属于同一个IP数据报
标志： 判断是否为最后一个分片
片偏移： 判断各分片的先后顺序

（2） IPv4编址

• 长度：32位二进制

• 点分十进制标记法：
  每八位为一组换算成十进制
  即可得到四个数字，中间用小数点隔开
  如：192.168.1.101

• 技巧：二十进制转换：
  128、64、32、16、8、4、2、1
  圈出八位二进制中对应的值，并加起来便可得到相对应的十进制

• 分类地址：ABCDE五类
  特殊地址、私有地址
  
  ABC三类实际分配给上网的主机和终端使用，每个计算机的IP地址各不相同

  D类用来作为主播或者多播地址使用

  E类作为保留地址，暂时不使用

• 网络号： IP地址所在的网络的编号

• 主机号： 独属于主机

• 区别ABC类： 看最高位二进制

• 子网划分： 将一个较大的子网划分成多个较小的子网
  较大子网——较短网络前缀
  较小子网——较长网络前缀

• 超网： 将具有较长前缀的相对较小的子网合并成一个具有较短前缀的相对较大的子网

• 子网掩码： 用来定义一个子网的网络前缀长度

• 路由聚合： 将相同路由的连续子网合并

（3）动态主机配置协议DHCP

为网络内的主机提供动态IP地址分配服务

（4）网络地址转换

网络地址转换NAT——使用私有地址访问互联网

1. 从内网进入互联网的IP数据报
   将其源IP地址替换成NAT服务器拥有的合法的公共IP地址，同时替换源端口号，并将替换关系记录到NAT转换表中
2. 从互联网返回的IP数据报
   根据目的IP地址及目的端口号检索NAT转换表，得到内部私有IP地址与端口号，替换目的IP地址及目的端口号，然后将IP数据报发到内部网络

（5）ICMP

互联网控制报文协议

实现差错信息报告

1. 终点不可达
2. 源点抑制
3. 时间超时
4. 参数问题
5. 路由重定向
   ICMP询问报文：
   回声请求/应答、时间戳请求/应答

（6）IPv6

• 解决IPv4地址耗尽问题
• 首部长度固定40字节
• 地址长度128位

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六、路由算法与路由协议

（1）链路状态路由选择算法

计算最短路径——Dijkstra算法

（2）距离向量路由选择算法

1. 结点和它自己之间的最短距离和代价被初始化为0。

2. 一个结点和任何其他结点之间的最短距离被设置为无穷大。一个结点和其他任何结点之间的代价应当给定(如果两个节点之间没有直接连接，可设置为无穷大)。

3. 然后循环执行 算法Dij = min{(ci1+D1j),(ci2+D2j),…(ciN+DNj)}

（3）层次化路由选择

划分自治系统
网关路由器
自治系统间路由协议

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