计算机网络-网络层总结
目录
网络层提供的两种服务
1、分组转发和路由选择
2、网络层提供的两种服务
网际协议IP
1、虚拟互联网
2、网际协议IP
3、异构网络互连
4、IPv4地址 概述
4.1分类编址的IPv4地址
4.2划分子网的IPv4地址
4.3无分类编址的IPv4地址
4.4IPv4地址的应用规划
4.5MAC地址、IP地址以及ARP协议（补充）
5、IP数据报的发送和转发过程
6、静态路由配置及其可能产生的路由环路问题
7、路由选择协议
7.1路由选择协议概述
7.2路由信息协议RIP的基本工作原理
7.3开放最短路径优先OSPF的基本工作原理
7.4边界网关协议BGP的基本工作原理
7.5路由器的基本工作原理
8、IPv4数据报的首部格式
9、网际控制报文协议 ICMP
10、IP多播
网络层提供的两种服务
1、分组转发和路由选择
网络层的主要任务就是将分组从源主机经过多个网络和多段链路传输到目的主机，可以将任务划分为分组转发和路由选择两种重要的功能
2、网络层提供的两种服务
1）虚电路服务
核心思想是“可靠通信应由网络自身来保证”
必须首先建立网络层连接-虚电路，以保证通信双方所需要的一切网络资源
通信双方沿着已建立的虚电路发送分组
虚电路表示这是一条逻辑上的连接，分组沿着这条逻辑按照存储转发方式传送，而不是真正建立了一条物理连接
2）数据报服务
核心思想是“可靠通信应由用户主机来保证”
不需要建立网络层连接
每个分组可走不同的路径。因此，每个分组的首部都必须携带目的主机的完整地址
通信结束后，没有需要释放的连接
网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。
网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。
网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组传送的时限。
3）虚电路服务与数据报服务的对比
网际协议IP
1、虚拟互联网
网络层中间设备（中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统）。
物理层中继系统：转发器(repeater)。
数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。
网络层中继系统：路由器(router)。
网络层以上的中继系统：网关(gateway)。
注： 现在说的网关一般指的是路由器接口，网关地址一般习惯使用本网段第一个地址或者最后一个地址
2、网际协议IP
网际协议是TCP/IP体系结构网络层中的核心协议
3、异构网络互连
4、IPv4地址 概述
IPv4地址就是给因特网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32比特的标识符
IPv4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段
分类编址、划分子网、无分类编址
4.1分类编址的IPv4地址
只有A类、B类和C类地址可分配给网络中的主机或路由器的各接口
主机号为“全0”的地址是网络地址，不能分配给主机或路由器的各接口
主机号为“全1”的地址是广播地址，不能分配给主机或路由器的各接口
4.2划分子网的IPv4地址
32比特的子网掩码可以表明分类IP地址的主机号部分被借用了几个比特作为子网号
子网掩码使用连续的比特1来对应网络号和子网号
子网掩码使用连续的比特0来对应主机号
将划分子网的IPv4地址与其相应的子网掩码进行逻辑与运算就可得到IPv4地址所在子网的网络地址
4.3无分类编址的IPv4地址
CIDR无类别域间路由
CIDR实际上是将网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块
我们只要知道CIDR地址块中的任何一个地址，就可以知道该地址块的全部细节
- 地址块的最小地址
- 地址块的最大地址
- 地址块聚合某类网络(A类、B类或C类)的数量
- 地址块中的地址数量
- 地址掩码(也可继续称为子网掩码)
路由聚合 (构造超网)的方法是找共同前缀
网络前缀越长，地址块越小，路由越具体
4.4IPv4地址的应用规划
定长的子网掩码FLSM(Fixed Length Subnet Mask)
- 使用同一个子网掩码来划分子网
- 子网划分方式不灵活: 只能划分出2"个子网(n是从主机号部分借用的用来作为子网号的比特数量）
- 每个子网所分配的IP地址数量相同容易造成IP地址浪
变长的子网掩码VLSM(Variable Length Subnet Mask)
- 使用不同的子网掩码来划分子网
- 子网划分方式灵活: 可以按需分配
- 每个子网所分配的IP地址数量可以不同，尽可能减少对IP地址的浪费
4.5MAC地址、IP地址以及ARP协议（补充）
从网络体系结构看IP地址与MAC地址
数据包转发过程中IP地址与MAC地址的变化情况
5、IP数据报的发送和转发过程
IP数据报的发送和转发过程包含以下两个部分
1）主机发送IP数据报
2）路由器转发IP数据报
6、静态路由配置及其可能产生的路由环路问题
静态路由配置是指用户或网络管理员使用路由器的相关命令给路由器人工配置路由表
- 这种人工配置方式简单、开销小。但不能及时适应网络状态 (流量、拓扑等)的变化
- 一般只在小规模网络中采用
使用静态路由配置可能出现以下导致产生路由环路的错误
- 配置错误
- 聚合了不存在的网络
- 网络故障
7、路由选择协议
7.1路由选择协议概述
常见的路由选择协议
路由器的基本结构
7.2路由信息协议RIP的基本工作原理
1）路由信息协议RIP(Routing lnformation Protoco)是内部网关协议IGP中最先得到广泛使用的协议之一，其相关标准文档为RFC 1058。
2）RIP要求自治系统AS内的每一个路由器都要维护从它自己到AS内其他每一个网络的距离记录。这是一组距离，称为“距离向量D-V(Distance-Vector)”
3）RIP使用跳数(Hop Count)作为度量(Metric)来衡量到达目的网络的距离
- 路由器到直连网络的距离定义为1。
- 路由器到非直连网络的距离定义为所经过的路由器数加1.
- 允许一条路径最多只能包含15个路由器。“距离”等于16时相当于不可达因此，[RIP只适用于小型互联网
7.3开放最短路径优先OSPF的基本工作原理
基本特点
1）开放最短路径优先OSPF(Open Shortest Path First)，是为克服RIP的缺点在1989年开发出来的。直接封装在IP数据报传输。“最短路径优先”是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF
2）OSPF是基于链路状态的，而不像RIP那样是基于距离向量的。链路状态是指本路由器都和哪些路由器相邻，以及相应链路的“代价”(cost)
3）OSPF采用SPF算法计算路由，从算法上保证了不会产生路由环路
4）OSPF不限制网络规模，更新效率高，收敛速度快.
划分区域
为了使OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF把一个自治系统再划分为若干个更小的范围
叫做区域 (Area)
7.4边界网关协议BGP的基本工作原理
7.5路由器的基本工作原理
路由器是一种具有多个输入端口和输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。
路由选择部分:核心构件是路由选择处理机，其任务是根据所使用的路由选择协议，周期性地与其他路由器进行路由信息的交换，以便构建和更新路由表。
分组转发部分:由一组输入端口、交换结构以及一组输出端口
8、IPv4数据报的首部格式
IP数据报
一个 IP 数据包由首部和数据两部分组成。
-
首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。
-
在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。
9、网际控制报文协议 ICMP
ICMP报文的类型
- ICMP 报文的种类有两种，即 ICMP 差错报告报文和 ICMP 询问报文。
- ICMP 报文的前 4 个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着的 4 个字节的内容与 ICMP 的类型有关。
- 差错报告报文有五种：终点不可达 ，源点抑制(Source quench) ，时间超过 ，参数问题 ，改变路由（重定向）(Redirect)
- 询问报文有两种：回送请求和回答报文，时间戳请求和回答报文
ICMP协议的应用：
- Ping应用：网络故障的排查；
- Traceroute应用：可以探测IP数据报在网络中走过的路径。
10、IP多播
在因特网上进行IP多播需要的两种的两种协议
1）网际组管理协议IGMP
IGMP有三种报文类型：成员离开报文、离开组报文、成员查询报文
网际组管理协议IGMP的基本工作原理
2）多播路由选择协议
多播路由选择协议的主要任务是: 在多播路由器之间为每个多播组建立一个多播转发树.
多播转发树连接多播源和所拥有该多播组成员的路由器
目前有以下两种方法来构建多播转发树
基于源树 (Source-Base Tree) 多播路由选择
组共享树 (Group-Shared Tree) 多播路由选择
