计算机网络-网络层

计算机网络-网络层

以下笔记整理为哔哩哔哩湖科大教书匠的《计算机网络微课堂》的教学视频。
链接:计算机网络微课堂

1. 网络层概述

1.1 网络层的主要任务是实现网络互联,进而实现数据包在各网络之间的传输。

1.2 要实现网络层任务,需要解决以下主要问题:

​ 1.2.1 网络层向运输层提供怎样的服务(“可靠传输” 还是 “不可靠传输”)

​ 1.2.2 网络层寻址问题

​ 1.2.3 路由选择问题

1.3 因特网是目前全世界用户数量最多的互联网,它使用TCP/IP协议栈

1.4 由于TCP/IP协议栈的网络层使用网际协议IP,它是整个协议栈的核心协议,因此在TCP/IP协议栈中网络层常称为网际层

1.5 综上所述,我们通过学习TCP/IP协议栈的网际层来学习网络层的理论知识和实践技术。

2. 网络层提供的两种服务

2.1 虚电路服务与数据报服务的比较:

对比方面 虚电路服务 数据报服务
思路 可靠通信应当由网络来保证 可靠通信应当由用户主机来保证
连接的建立 必须建立网络层连接 不需要建立网络层连接
终点地址 仅在连接建立阶段使用 每个分组都有终点的完整地址
分组的转发 属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发 每个分组可走不同的路由
当结点出故障时 所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作 出故障的结点可能会丢失分组,一些路由可能会发生变化
分组的顺序 总是按发送顺序到达终点 到达终点时不一定按发送顺序
服务质量保证 可以将通信资源提前分配给每一个虚电路,容易实现 很难实现

2.2 由于TCP/IP体系结构的因特网的网际层提供的是简单灵活无连接的尽最大努力交付的数据报服务,因此本章主要围绕网际层如何传送IP数据报这个主题进行讨论。

3. IPv4地址概述

3.1 在TCP/IP体系中,IP地址是一个最基本的概念,我们必须把它弄清楚。

3.2 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唯一的32比特的标识符。

3.3 IP地址由因特网名字和数字分配机构ICANN进行分配。

​ 3.3.1 我国用户可向亚太网络信息中心APNIC申请IP地址,需要缴费,一般不接受个人用户申请。

​ 3.3.2 2011年2月3日,互联网号码分配管理局IANA宣布,IPv4地址已经分配完毕。

​ 3.3.3 我国在2014至2015年也逐步停止了向新用户和应用分配IPv4地址。同时全面开展商用部署IPv6。

3.4 IPv4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段:

1981年分类编址 --> 1985年划分子网 --> 1993年无分类编址

3.5 32比特的IPv4地址不方便阅读、记录以及输入等,因此IPv4地址采用点分十进制表示方法以方便用户使用。

4. 分类编址的IPv4地址

计算机网络-网络层_第1张图片

弄清楚ABC类地址的IPv4地址结构,知道怎么分配!

5. 划分子网的IPv4地址

5.1 为新增网络申请新的网络号会带来以下弊端:

​ 5.1.1 需要等待时间和花费更多的费用

​ 5.1.2 会增加其他路由器中路由表记录的数量

​ 5.1.3 浪费原有网络号中剩余的大量IP地址

5.2 可以从主机号部分借用一部分比特作为子网号

5.3 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

​ 5.3.1 子网掩码使用连续的比特1来对应网络号和子网号

​ 5.3.2 子网掩码使用连续的比特0来对应主机号

​ 5.3.3 将划分子网的IPv4地址与其对应的子网掩码进行逻辑与(&)运算就可以得到IPv4地址所在子网的网络地址

5.4 给定一个分类的IP地址和其对应的子网掩码,就可以知道子网划分的细节:

重点掌握:

​ 5.4.1 划分出的子网数量

​ 5.4.2 每个子网可分配的IP地址数量

​ 5.4.3 每个子网的网络地址和广播地址

​ 5.4.4 每个子网可分配的最小和最大的地址

5.5 默认的子网掩码是指在未划分子网的情况下使用的子网掩码:

​ 5.5.1 A类:255.0.0.0

​ 5.5.2 B类:255.255.0.0

​ 5.2.3 C类:255.255.255.0

6. 无分类编址的IPv4地址

6.1 划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难,但是数量巨大的C类网因为其地址空间太小并没有得到充分使用,而因特网的IP地址仍在加速消耗,整个IPv4地址空间面临全部耗尽的威胁。

6.2 为此,因特网工程任务组IETF又提出采用无分类编址的方法来解决IP地址紧张的问题,同时还专门成立IPv6工作组负责研究新版本IP以彻底解决IP地址耗尽问题。

6.3 1993年IETF发布了无分类域间路由选择CIDR的RFC文档:

​ 6.3.1 CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址,以及划分子网的概念;

​ 6.3.2 CIDR可以更加有效地分配IPv4的地址空间,并且可以在新的IPv6使用之前允许因特网的规模继续增长。

6.4 CIDR使用==“斜线记法”,或称为CIDR记法。即在IPv4地址后面加上’/',在斜线后面写上网络前缀所占的比特数量==。

6.5 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”。

6.6 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:

重点掌握:

​ 6.6.1 地址块的最小地址

​ 6.6.2 地址块的最大地址

​ 6.6.3 地址块中的地址数量

​ 6.6.4 地址块聚合某类网络(A类、B类、C类)的数量

​ 6.6.5 地址掩码(也可继续称为子网掩码)

​ 地址掩码就是网络号部分全部取1,主机号部分全部取0

6.7 路由聚合(构造超网)的方法就是找共同前缀

6.7 网络前缀越长,地址块越小,路由越具体

6.8 若路由器查表转发分组时发现有多条路由可选,则选择网络前缀最长的那条,这称为最长前缀匹配,因为这样的路由更具体。

7. IPv4地址的应用规划

定长的子网掩码FLSM 变长的子网掩码VLSM
使用同一个子网掩码来划分子网 使用不同的子网掩码来划分子网
子网划分方式不灵活:只能划分出2的n次方个子网(n是从主机号部分借用的用来作为子网号的比特数量) 子网划分方式灵活:可以按需分配
每个子网所分配的IP地址数量相同,容易造成IP地址浪费 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

8. IP数据报的发送和转发过程

8.1 主机发送IP数据报

判断目的主机是否与自己在同一个网络:

判断方法:

① 将源主机的主机地址与源主机的子网掩码做逻辑运算,得到源网络地址

② 将目的主机的主机地址与源主机的子网掩码做逻辑运算,得到目的网络地址

③ 若源网络地址与目的网络地址相同,则表示在同一个网络

若在同一个网络,则属于直接交付;

若不在同一个网络,则属于间接交付,传输给主机所在网络的默认网关(路由器),由默认网关帮忙转发;

8.2 路由器转发IP数据报

​ 8.2.1 检查IP数据报首部是否出错:

​ 若出错,则直接丢弃该IP数据报并通告源主机;

​ 若没有出错,则进行转发;

​ 8.2.2 根据IP数据报的目的地址在路由器表中查找匹配的条目:

​ 查找方法:

​ 若找到匹配的条目,则转发给条目中指示的吓一跳;

​ 若找不到,则丢弃该IP数据报并通告源主机;

9. 路由信息协议RIP的基本工作原理

9.1 路由信息协议RIP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RFC1058 。

9.2 RIP要求自治系统AS内的每一个路由器都有维护从它自己到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”。

9.3 RIP使用跳数作为度量来衡量到达目的网络的距离

​ 9.3.1 路由到直连网络的距离定义为1

​ 9.3.2 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

​ 9.3.3 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。

9.4 RIP认为好的路由就是距离短的路由,也就是所通过路由器数量最少的路由。

9.5 当达到同一目的网络有多条距离相等的路由时,可以进行等价负载均衡

9.6 RIP包含以下三个要点:

重点:

① 和谁交换信息:仅和相邻路由器交换信息

② 交换什么信息:交换自己的路由表

③ 何时交换信息:周期性交换(例如每30秒)

9.7 RIP的基本工作过程

重点:

① 路由器刚开始工作时,只知道自己到直连网络的距离为1

② 每个路由器仅和相邻路由器周期性地交换并更新路由信息

③ 若干次交换和更新后,每个路由器都知道到达本AS内各网络的最短距离和下一跳地址,称为收敛

9.8 RIP路由条目的更新规则

重点:

① 发现了新的网络,添加

② 相同下一跳,最新消息,更新

③ 不同下一跳,距离更短,更新

④ 不同下一跳,距离更大,不更新

⑤ 不同下一跳,等价负载均衡

9.9 RIP存在“坏消息传播得慢”的问题

9.10 坏消息传播得慢又称为路由环路或距离无穷计数问题,这是距离向量算法的一个固有问题。

9.11 可以采取多种措施减少出现该问题的概率或减小该问题带来的危害

① 限制最大路径距离为15(16表示不可达)

② 当路由表发生变化时就立即发送更新报文(即“触发更新”),而不仅是周期性发送

③ 让路由器记录收到某特定路由信息的接口,而不让同一路由信息再通过此接口向反方向传送(即“水平分割”)

你可能感兴趣的:(前端,计算机网络,网络)