计算机网络开荒4-网络层

一、网络层概述

发送主机向接受主机传送数据段Segment
发送主机：将数据段Segment封装到数据报datagram中
接受主机：接收到数据报datagram，向上层传递数据段Segment
路由器检查所有穿越它的IP数据报的头部域

1.1 路由转发

转发forwarding：将分组从路由器的输入端口 移动到合适的 输出端口
路由routing：确定分组从源到目的经过的路径，路由算法routing algorithms

必须提前维护好路由转发表

1.2 建立连接

某些网络的重要功能：非同步傳輸模式（英語：Asynchronous Transfer Mode，ATM）

数据分组传输之前需要建立虚拟/逻辑连接

网络层连接和传输层连接的对比：

• 网络层连接：两个主机之间(路径上的路由器等网络设备参与其中)的连接
• 传输层连接：两个 应用进程 直接的链接(对中间设备透明)

1.3 网络服务类型

• 无连接服务(connection-less service)
  • 不事先为系列分组的传输确定传输路径
  • 每个分组独立确定传输路径
  • 不同分组可能传输路径不能不同
  • 数据报网络(datagram network)
• 连接服务(Connection service)
  • 先确定从源到目的经过的路径
  • 沿该路径传输的系列分组
  • 系列分组都按照这个路径传输
  • 结束后拆除
  • 虚电路网络(virtual-circuit network)

二、虚拟电路与数据报网络

都是 报文交换
数据报datagram 和 虚电路virtual-circuit网络是两类分组交换网络
数据报 网络提供 网络层 无连接 服务 类似于传输层的UDP
虚电路 提供 网络层 连接 服务 类似于传输层的TCP

2.1 虚电路Virtual circuits VC网络

一条从源主机到目的主机，类似于电路的路径(逻辑链路)

• 分组交换

• 每个分组的传输利用链路的全部带宽

• 源到目的的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能

• 通信过程：

  • 呼叫建立call setup 、数据传输、拆除呼叫
  • 每个分组携带虚电路标识VC ID，而不是目的的主机地址
  • 经过的每个网络设备(Routing) 维护每条经过它的虚电路连接状态
  • 链路、网络设备资源(带宽、缓存)可以面向VC进行预分配
    • 预分配资源=可预期服务性能
    • 如ATM的电路仿真CBR

2.1.1 VC 实现

• 每条虚电路包括：

1. 从源主机到目的主机的一条路径
2. 虚电路号VCID，沿路每段链路的一个编号
3. 沿路每个网络层设备Router ，利用 Routing Table 记录经过的每条虚电路

• 同一条VC，每段链路上的VCID通常不同
  • 路由转发分组的时依据转发表改写替换虚电路号

2.1.1 虚电路信令协议(signaling protocols)

VC建立、维护、拆除
目前Internet不采用

2.2 数据报网络

网络层 无连接
每个分组携带目的地址
路由器根据分组的目的地址转发分组，
每个分组独立选路(Routing Table 更新之后 选路就会变)

Routing Table中，不会记录每一个地址，不然太大了
记录的是地址范围

理想情况下：

但是大多数情况都是不规律的

最长前缀匹配优先

第二条：更长更具体，优选前缀匹配更长的原则

2.3 对比

三、Internet网络的网络层 IP协议

ICMP协议:Internet Control Message Protol
Router 、网关、主机用来报告错误情况和检测网络通路的可达性 ping

ICMP 和 IP 是伴随协议，
ICMP利用IP传输消息；IP利用ICMP进行错我处理和故障排除

• 版本号 IPV4 IPV6
• 首部长度
• 服务类型TOS
• 总长度字段：IP分组的总字节数(首部+数据)
• 生存时间TTL：可以通过的路由器数(跳步数)
• 协议字段8位：TCP UDP
• 首部校验和：反码：每次路由都校验
• 源 目的 IP
• 选项字段：安全、源选路径(给Router指定)
• 填充：保证符合32位对齐

3.1 IP分片

3.1.1 最大传输单元MTU

一段链路上，可以分装的单片 数据帧上限

大的IP分组 向 小的MTU链路转发的时候，就需要分片 fragmented

• 1个IP分组分为多片
• IP分片到达目的主机后，进行重组reassembled
• Router只会分片，不会重组，最终目的地才会重组

IP首部头部，标识分片以及确定分片的相对顺序

• 总长度、标识、标志位、偏移

3.1.2 分片过程

3.2 IP编址 addressing

IP分组：
源地址SA-
目的地址DA

接口interface：主机/路由器与物理链路的连接

• 实现网络层功能
• 路由器通常有多个接口
• 主机通常带1个或2个接口(以太网接口、无线802.11接口)

IP地址：32bit(IPV4)
编号标识主机、路由器的接口
IP地址与每个接口关联

IP子网

3.3 有类IP地址

私有IP地址
A 10
B 172.16 ~ 172.31
C 192.168.0 ~ 192.168.255

3.4 IP地址划分

ABC类网络的子网掩码：
A：255.0.0.0
B：255.255.0.0
C：255.255.255.0

借用3bit换分子网的B类子网：255.255.224.0

子网地址 + 子网掩码

C类网络划分成八个 子网划分
C：255.255.255.0 借用3位
子网掩码为：255.255.255.224
借用的3位 分成以下子网