计算机网络第四章 网络层

4.1.1 网络层功能概述

网络层

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报。

功能

1. 路由选择与分组转发（最佳路径）
2. 异构网络互联
3. 拥塞控制
   

4.1.2 数据交换方式：电路交换、报文交换与分组交换

电路交换

e.g.：电话网络
步骤/阶段：
建立连接（呼叫/电路建立）=>通信=>释放连接（拆除电路）
是独占资源的。
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.链路独占，使用效率低 3.灵活性差 4.无差错控制能力

报文交换

报文：源应用发送的信息整体。比如xxx.pdf
存储转发。需要交换设备存储报文。

分组交换

分组：把大的数据块分割成小的数据块。

对比报文交换和分组交换

传播时延忽略，接收时延忽略。
例题
对于分组交换，只需要考虑最后一个分组。10+0.1+0.1=10.2s

三种数据交换方式比较总结

4.1.3 数据报与虚电路（都属于分组交换）

数据报：为网络层提供无连接服务。（因特网在用）
虚电路：为网络层提供连接服务。
无连接服务：每个分组独立。连接服务：先建立连接（确立传输路径）。

几种传输单元名词辨析

应用层：报文（文件）
传输层：分割报文，报文段
网络层：IP数据报，分组（封装IP地址）
链路层：加头加尾，成帧
物理层：比特流

数据报

特点：

1. 无连接
2. 每个分组携带源和目的地址
3. 路由器根据分组的目的地址转发分组：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

将数据报方式和电路交换方式结合。
虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑点解），路径上所有的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信息。（每个分组都通过虚电路号）
通信过程：

数据报和虚电路的 异同

4.3.1 IP数据报格式

TCP/IP协议栈

IP数据报格式

IP和数据报和分组暂时不区分。
首部长度 最少是5*4B=20B
区分服务：优先级啥的。用得不多
总长度最大 2^16-1 = 65535B。
生存时间：每经过一个路由器-1.防止兜圈。
协议：数据部分使用的协议

首部检验和：只检验首部，每经过一个路由器都重新计算一下。
原地址和目的地址都是32位。
可选字段：0~40B。
填充字段：全0，补成4B的整数倍。

4.3.2 IP数据报分片

最大传输单元 MTU

数据链路层数据帧可封装的数据的上限（加头加尾）。
以太网的MTU是1500字节。

IP数据报格式

标识：同一数据报的分片使用同一标识。
标志：只有2位有意义，最高位无用。中间位DF，DF=1禁止分片，DF=0允许分片，最低位MF，MF=1表示后面还有分片，MF=0表示后面没有分片了。
片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置，以8B为单位。长度是13位，例如里面是0，那么在原来数据报中的位置是8B。

IP数据报分片例题

某几个长度的单位

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4.3.3 IPV4地址

3个历史阶段：

1. 分类的ip地址
2. 子网的划分
3. 构成超网（无分类编址方法）

分类的IP地址

全世界唯一 32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。
网桥连接的仍然是一个局域网，不能分割广播。
点分十进制表示法。

无编号网络：只有连线。

特殊IP地址

私有IP地址

网段个数指可以分配多少个网络号。

分类后IP地址范围

A：-2 全0和127；24-2=>全0和全1（广播）
B：14-1=>网路号全0；同上
C：同上

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4.3.4 网络地址转换NAT

网络地址转换NAT：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

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4.3.5 子网划分和子网掩码

子网划分

主机号至少有2位。
子网号可能全0或者全1。

子网掩码

子网掩码练习题

广播分组=>主机号全1=>255

使用子网时分组的转发

路由表中：1.目的网络地址 2.目的网络子网掩码 3.下一跳地址
直接交付：与子网地址进行&
4是遍历一遍

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4.3.6 无分类编址CIDR

无分类域间路由选择CIDR特点

1. 消除了传统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念。
   
2. 融合了子网地址与子网掩码，方便子网划分。CIDR把网络前缀相同过的连续IP地址组成一个“CIDR地址块”。
   

构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。
方法：将网络前缀缩短。

最长前缀匹配

匹配到的多个结果中，选最前缀最长的。

CIDR习题

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4.3.7 ARP协议

解决使用MAC的问题。

发送数据的过程

数据链路层要添加目标MAC地址的时候，如果自身高速缓存中没有，俺么要广播ARP请求分组。

如果在同一个局域网内

如果不在同一个局域网

先用子网掩码跟目标IP与一下，然后如果不行，就找默认网关IP6那里（路由器）：也是通过广播ARP的方式。

ARP特性过程和使用情况

ARP例题

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4.3.8 DHCP协议

动态主机配置协议DHCP是应用层的协议，使用客户/服务器方式，客户端和服务器用广播方式进行，基于UDP。
特性与过程

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4.3.9 ICMP协议

网际控制报文协议 ICMP。
有差错或者异常会发送特定的ICMP报文，分为ICMP差错报文+ICMP询问报文。
ICMP报文：

ICMP差错报告报文（5种）

如何生成ICMP差错报告报文

不应该发送ICMP差错报文的情况

ICMP询问报文

ICMP的应用

4.4 IPv6

IPv6数据报格式

流标签：A->B属于同一个流。

IPv6 对比 IPv4

IPv6地址表示形式

一般形式：冒号十六进制记法
压缩形式：。。

IPv6基本地址类型

任播 通常是离他最近的一台

IPv6向IPv4过渡的策略 两者兼容

（1）双栈协议，同时拥有两个。
（2）隧道技术，套娃。

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4.2 路由算法与路由协议概述

路由算法

静态路由算法（非适应路由算法）

管理员手工配置路由信息

动态路由算法（自适应路由算法）

路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。
（1）全局性 链路状态；路由算法 OSPF
（2）分散性 距离向量路由算法 RIP

分层次的路由选择协议

4.5.1 RIP协议与距离向量算法

RIP协议

基于距离向量。

概念

RIP的工作

每30s向相邻路由器交换路由表 信息。

距离向量算法

第一步：全部修改下一跳路由器，然后距离加一
第二步：逐个来看修改后的，先看目的网络，没有则填入，有的话不管距离总是要替换成新的，如果不相同，换成更短的。

例题2

RIP协议的报文格式

RIP协议特点

RIP的特点:当网络出现故障时，要经过比较长的时间(例如数分钟)才能将此信息传送到所有的路由器，“ 慢收敛’

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4.5.2 OSPF协议与链路状态算法

SPF=最短路径算法Dijkstra。
主要特征：使用分布式的链路状态协议。

链路状态路由算法

OSPF的区域

OSPF分组

OSPF其他特点

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4.5.3 BGP协议

BGP协议交换信息的过程

BGP协议报文格式

BGP协议的特点

BGP-4的四种报文

三种路由协议比较

4.6 IP组播

IP数据报的三种传输方式

单播（点对点）、广播（点对多点）、组播（多播）（点对多点）。不同的是，组播是考虑用户需求，在最后的时候自身复制。

IP组播地址

只能作为目的地址。源地址还得是单播的。

硬件组播

D类IP->MAC地址的转换

IGMP协议（网际组管理协议）与组播路由选择协议

IGMP协议

单个路由器进行管理组播组。（本局域网是否有主机（的进程）参加或退出了某个组播组）。是网络层协议，使用IP数据报。

组播路由选择协议

路由器之间进行传递，进行路径选择。
目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。

常使用的三种算法：基于链路状态的路由选择、基于距离-向量的路由选择、协议无关的组播（稀疏/密集）

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4.7 移动IP

相关术语

移动IP技术：移动节点（计算机/服务器等）以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。
移动节点：具有永久IP地址的移动设备。
归属代理（本地代理）：一个移动节点拥有的就“居所”成为归属网络，在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理。
外部代理（待敌代理）：在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体称为外部代理。
永久地址（归属地址/主地址）：移动站点在归属网络中的原始地址。
转交地址（辅地址）：移动站点在外部网络使用的临时地址。

通信过程

4.8 网络层设备

路由器

输入端口

输出端口

三层设备的区别

路由表与路由转发

路由表是路由之间，转发表会到主机。