计算机网络-网络层

标签：报文 网络层 计算机网络 地址 分组 链路 路由 路由器

4.1 基本概念

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

1. 路由选择与分组转发（最佳路径问题）

2. 异构网络互联

3. 拥塞控制：开环控制和闭环控制

 

4.2 数据交换方式

4.2.1 电路交换

建立连接（呼叫/电路建立）\to 通信 \to释放连接（拆除电路） 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. 线路独占，使用效率低

3. 灵活性差

4. 无差错控制能力

 

4.2.2 报文交换

报文：源应用发送的信息整体

优点：

1. 无需建立连接

2. 存储转发，动态分配线路

3. 线路可靠性较高

4. 线路利用率较高

5. 多目标服务

缺点：

1. 有存储转发时延

2. 报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间

 

4.2.3 分组交换

分组：把大的数据库分隔成小的数据块

优点：

1. 无需建立连接

2. 存储转发，动态分配线路

3. 线路可靠性较高

4. 线路利用率较高

5. 相对于报文交换，存储管理更容易

缺点：

1. 有存储转发时延

2. 需要传输额外的信息量

3. 乱序到目的主机时，要对分组排序重组

 

分组交换是并行交换，报文交换是串行交换，分组交换所需要的时间少于报文交换

 

1、数据报方式

为网络层提供无连接服务（不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同）

每个分组携带源和目的地址，路由器根据分组的目的地址转发分组

 

2、虚电路方式

为网络层提供连接服务

结合数据报方式和电路交换方式，一条源主机到达目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），路径上所有结点都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息

 

几种传输单元名词

 

4.3 路由算法和路由协议

路由算法的分类

• 静态路由算法（非自适应路由算法）：管理员手工配置路由信息

优点：简便、在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效率好

缺点：路由更新慢，不适合大型网络

• 动态路由算法（自适应路由算法）

优点：路由更新快，适用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化

缺点：算法复杂，增加网络负担

1. 全局性：链路状态路由算法（OSPF）：所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息

2. 分散性：距离向量路由算法（RIP）：路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用

 

自治系统AS

 

 

RIP协议

• RIP协议是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，最大优点是简单；

• RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录，这里的距离通常为“跳数”；

• RIP允许一条路由最多只能包含15个路由器，因而只适用于小互联网

 

RIP协议交换信息原则

1. 仅和相邻路由器交换信息

2. 路由器交换的信息是自己的路由表

3. 每30秒交换一次路由信息；若超过180秒没有收到邻居路由器的通告，则判定邻居已无，并更新自己的路由表

收敛：经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道自己到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址

 

距离路由算法

X -> R1

1. 修改相邻路由器发来的RIP报文中所有表项：把“下一跳”字段中的地址改为RIP报文的发来的源地址X，所有的“距离”+1

2. 对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行如下步骤：

   （1）R1路由表中没有Net3，则把该项目填入R1路由表

   （2）R1路由表中有Net3，则查看下一跳路由器地址：

   若下一跳是X，则用收到的项目替换源路由表中的项目；（更新信息） 若下一跳不是X，原来距离比从X走的距离远则更新，否则不更新

3. 若180秒后还没收到相邻路由器X的更新路由表，则把距离设置为16

 

 

 

 

OSPF协议

开放最短路径优先OSPF协议：“开放”标明OSPF协议不是受某一厂家控制，而是公开发表的；“最短路径优先”是因为使用了Dijikstra提出的最短路径算法SPF；OSPF最主要的特征是使用分布式的链路状态协议。

特点:

1. 使用洪泛法向自治系统的所有路由器发送信息（类似蝴蝶效应）

2. 发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态（本路由器和哪些路由器相邻，以及该链路的度量/代价——费用、距离、时延、带宽等）

3. 只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器洪泛发送此信息；最后，所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图

4. 每隔30min刷新一次数据库中的链路状态

5. OSPF协议不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快

 

链路状态路由算法：

新建时

1. 每个路由发现邻居结点【HELLO问候分组】，并了解邻居节点的网络地址；设置到它的每个邻居的成本度量；

2. 构造【DD数据库描述分组】，向邻站给出自己的链路状态数据库中所有的链路状态项目的摘要信息

3. 若DD分组中的摘要自己都有，则邻站不做处理，而对于没有的或者是更新的，则发送【LSR链路状态请求分组】，请求没有的或者更新的信息

4. 收到邻站的LSR分组后，发送【LSU链路状态更新分组】进行更新

5. 更新完毕后，邻站返回【LSAck链路状态确认分组】进行确认

只要一个路由器的链路状态发生变化：

该路由器泛洪发送【LSU链路状态更新分组】进行更新，更新完毕后，其他邻站返回【LSAck链路状态确认分组】进行确认，最后使用Dijikstra算法确定最短路径

 

OSPF区域

 

 

区域边界路由器 = 主干路由器

 

OSPF分组

BGP协议

与其他AS的邻站BGP发言人（边界路由器）交换网络可达性的信息（即要到达某个网络所要经过的一系列AS），然后各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各AS的较好路由；发生变化时只更新有变化的部分

特点：

1. 支持CIDR

2. BGP刚运行时交换整个BGP路由表，以后只需要更新有变化的部分

BGP协议报文格式

 

 

BGP-4的四种报文

1. OPEN（打开）报文：用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，并认证发送方

2. UPDATE（更新）报文：通告新路径或撤销源路径

3. KEEPALIVE（保活）报文：在无UPDATE时，周期性证实邻站的连通性；也作为OPEN的确认

4. NOTIFICATION（通知）报文：报告先前报文的差错：也被用于关闭连接

 

三种路由协议比较

 

4.4 IP数据报

 

 

• 版本：IPV4/IPV6，现常用前者

• 首部长度：单位是4B，最小为5

• 区分服务：指示期望获得哪种类型的服务

• 总长度：首部+数据，单位是1B

• 生存时间（TTL）：IP分组的保质期，经过一个路由器-1，变成0则丢弃

• 协议：数据部分的协议

• 首部检验和：只检验首部

• 源地址和目的地址：32位

• 可选字段：0~48B，用于排错、测量及安全等措施

• 填充：全0，把首部补成4B的整数倍

 

IP数据报分片

最大传送单元MTU：链路层数据帧可封装数据的上限，以太网是1500字节

• 标识：同一数据报的分片使用同一标识

• 标志：3位，最高位无用；中间位DF=1，禁止分片；DF=0，允许分片；最低位MF=1，后面“还有分片”，MF=0，代表最后一片/没分片

• 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；即除最后一个分片外的其余分片是8B的整数倍

 

IPV4地址（32位）

表示：点分十进制

IP地址的分类

 

 

 

 

特殊IP地址

 

 

 

私有IP地址（本地网、专用网）

 

 

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

路由器通过NAT转换表实现

 

 

子网划分

子网掩码的主机号位置全0，其余全1；根据子网掩码可确定子网号的位数，16-子网号的位数即为主机号；子网掩码与IP地址相与即得网络地址

 

常见需要记住的子网掩码对照表

 

 

 

路由器转发分组的算法：

1. 提取目的IP地址

2. 是否直接交付（当前子网掩码）：与路由器当前子网的子网掩码相与是否得到目的网络地址相同，直接交付

3. 特定主机路由：路由表中的特定主机路由相与

4. 检测路由表中有无路径（其他子网掩码）：与目的网络的子网掩码相与，是的话执行该子网掩码的下一跳地址

5. 默认路由：转发给另一个路由器

6. 丢弃，报告分组转发出错：分组的生存时间结束

路由表中：目的网络地址、目的网络子网掩码、下一跳地址（下一个路由器）

 

无分类编制CIDR

 

 

CIDR记法：IP地址后面加“/”，然后写上网络前缀的位数

• 消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念

• CIDR把网络前缀相同的连续IP地址组成一个“CIDR地址块”，最小地址：主机号全0，最大地址：主机号全1

• 子网掩码即为网络前缀全1，主机号全0

 

构成超网

缩小网络前缀

 

最长前缀匹配

使用CIDR时，查找路由表，查找路由表可能得到几个匹配结果，应选择具有最长网络前缀的路由；地址快小具体

 

ARP协议

发送数据的过程

 

 

 

 

DHCP协议

 

 

 

网际控制报文协议ICMP

 

 

ICMP差错报告报文分类

1. 终点不可达

2. 时间超过：TTL=0

3. 参数问题：首部字段有问题

4. 改变路由（重定向）

ICMP差错报告报文数据字段（IP数据报的数据部分）

不发送ICMP差错报文的情况

1. 对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文

2. 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文

3. 对具有组播地址（一对多但有选择性）的数据报都不发送ICMP差错报告报文

4. 对具有特殊地址的数据包不发送ICMP差错报告报文

 

ICMP询问报文

1. 回送请求和回答报文：发出询问，收到的主机必须回答；测试目的站是否可达以及了解其相关状态

2. 时间戳请求和回答报文：请某个主机或路由器回答当前的日期和时间，用来进行时钟同步和测量时间

 

IPV6

IPV6数据报格式

 

 

• “流”是互联网上从特定源点到特定终点的一系列数据报，所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标签

• 下一个首部指向扩展首部1，扩展首部1的下一个首部指向扩展首部2，扩展首部N的下一个首部指向数据

 

IPV6和IPV4的区别

 

 

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

1. 单播：一对一通信，可做源地址+目的地址

2. 多播：一对多通信，可做目的地址

3. 任播：一对多中的一个通信。可做目的地址

IPV6向IPV4过度策略

1. 双栈协议：同时启用IPV6向IPV4协议栈

2. 隧道协议：重新封装

 

IP组播

IP数据报的三种传输方式

1. 单播

2. 广播

3. 组播（多播）：被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发，一点对多点；组播组中的主机可以实在同一个物理网络也可以来自不同的物理网络（组播路由器支持）

IP组播地址

组播地址范围为：224.0.0.0~239.255.255.255（D类地址），只能用作目的地址，源地址总是单播地址

1. 组播数据报也是“尽最大努力交付”，不提供可靠交付，应用于UDP

2. 对组播数据报不产生ICMP差错报文

3. 并非所有D类地址都可以作为组播地址

 

 

 

 

IGMP协议

让路由器直到本局域网上是否有主机参加或退出了某个组播组

组播路由选择协议

常用三种算法：

1. 基于链路状态的路由选择

2. 基于距离-向量的路由选择

3. 协议无关的组播（稀疏/密集）

 

移动IP相关术语

移动IP计数是移动结点（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，保证原来的网络权限不发生任何改变

• 移动结点：具有永久IP地址的移动设备

• 归属代理（本地代理）：移动结点拥有的“居所”称为归属网络，在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体叫做归属代理

• 外部代理：：在外部网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体

• 永久地址（归属地址/主地址）：移动结点在归属网络的原始地址

• 转交地址（辅地址）：移动结点在外部网络的临时地址

通信过程

 

 

 

 

 

 

 

4.5 网络层的设备

路由器

任务：转发分组

若路由器处理分组的速率赶不上分组队列进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃；故输入输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因

 

路由表与转发表

 

 

 

标签：报文,网络层,计算机网络,地址,分组,链路,路由,路由器
From： https://www.cnblogs.com/eecsCodeStar/p/16980738.html