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计算机网络--网络层正文

时间：2022-10-06 23:01:46浏览次数：44  
标签：-- 主机 网络层 计算机网络 地址 分组 链路 路由 路由器

网络层

  • 概念：将分组从源端传到目的端，为分组交换上网的不同主机提供服务。
  • 传输单位：数据报
  • 功能
    • 路由选择和分组转发（寻找最佳路径）
    • 异构网络互连（不同网络设备）
    • 拥塞控制（开环控制，闭环控制）

数据交换

  1. 电路交换
  2. 电话交换的阶段：建立通信--->通信--->释放连接
  3. 优点：
    • 通信时延小
    • 有序传输
    • 没有冲突
    • 实时性强
  4. 缺点：
    • 建立连接时间长
    • 线路独占，使用效率低
    • 灵活性差
    • 没有差错控制能力

报文交换

  1. 报文：源应用发送的信息主体
  2. 优点：
    • 无需建立连接
    • 存储转发，动态分配线路
    • 线路可靠性较高
    • 多目标服务
  3. 缺点
    • 存储转发时延
    • 报文大小不定，需要缓存

分组交换

  1. 分组：将大的数据切割成小的数据块
  2. 优点：
    • 无需建立连接
    • 存储转发，动态分配线路
    • 线路可靠性较高
    • 线路利用率较高
    • 相比报文交换，存储管理更容易
  3. 缺点
    • 有存储转发的时延
    • 需要传输额外的信息量
    • 乱序到达目的主机时，需要对分组重新排序
  4. 总结

三种交换方式总结

数据报方式&虚电路方式

  1. 数据报方式为网络层提供无连接服务
  2. 无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立的确定传输路径，不同分组传输路径裉不同
  3. 虚电路方式为网络层连接服务
  4. 连接服务：首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿着请求路径（连接）传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后释放分组
数据报 虚电路
连接的建立 不需要 必须要
目的地址 每个分组有完整的目的地址 仅在建立阶段使用，之后每个分组使用长度较短的虚电路号
路由选择 每个分组地理进行转发，路由选择和转发 属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
分组顺序 不保证有序到达 保证分组有序到达
对网络故障的适应性 出故障的节点丢弃分组，其他分组路径选择发生变化，可以正常传输 所有经过故障节点的虚电路不能正常通过

路由算法

  1. 最佳路由：“最佳”只能是相对某一特定要求下得出的较为合理的选择而已。

  2. 转发表：

    • 目的网络IP地址
    • 子网掩码
    • 下一跳IP地址
    • 接口

  3. 路由算法分类：

    • 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
    • 动态路由算法（自适应路由算法）：路由器彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项

  4. 动态路由算法：

    • 全局性：OSPF；链路装填路由算法；所有路由掌握完整的网络拓扑和链路费用信息（大的网络）
    • 分散性：RIP；距离向量路由算法；路由器只掌握物理相连的邻居和链路费用（小的网络）

  5. 分层次的路由选择协议

    • 因特网很大
    • 想要隐藏自己使用的协议，所以会有自治系统的存在，自治系统是为了同一内部

  6. 自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时使用一种AS之间的路由协议以确定AS之间的路由。

    一个AS内部的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统中必须连通。

  7. 路由选择协议

    • 内部网关协议IGP：一个AS内部使用的RIP、OSPF
    • 外部网关协议EGP：AS之间使用的BGP

RIP协议

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大的优点就是简单。
RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录（一组距离）
距离：通常为跳数，即从源端口到目的端口所经过的路由器个数，经过一个路由器跳数为1。通常从路由器直接交付，跳数为1。RIP允许一条路最多包含15个路由器，因此距离为16表示网络不可达。

RIP是应用层协议，使用UDP协议。

目的网络 距离 下一跳路由器
NET2 1 直接交付
NET1 2 R1
NET4 2 R3
  1. 路由器交换信息
    • 仅和相邻路由器交换信息
    • 路由器交换的信息是自己的路由表
    • 每30s交换一次路由信息，然后更新路由表。超过180s，判定邻居没了，并更新自己的路由表。
  2. 收敛：经过若干次更新后，所有路由器都会知道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地址
  3. 特点：好消息传的快，坏消息传的慢。慢收敛

OSPF协议

  1. OSPF特点（IP数据报传输）
    • 交换对象：使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送信息，即路由器通过输出端口向所有相邻的路由器发送信息，而每一个相邻的路由器又在此将此信息发往其相邻的路由器（广播）
    • 交换内容：发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路信息。（本路由器和那些路由器相邻，以及该链路的度量/代价--费用、距离、时延、带宽）
    • 交换周期：只有当链路装填发生变化时，路由器才向所有路由器洪泛发送此信息。
    • 最后所有路由器都会建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图。
  2. 链路状态路由算法
    • 所有路由器都会发现邻居节点（问候分组），了解邻居节点的网络地址
    • 设置到每个邻居的成本度量metric
    • 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的所有链路状态项目的摘要信息
    • 如果DD分组中的摘要自己都有，则邻站不做处理;如果有没有的或者是更新的，则发送【LSR链路状态请求分组】请求自己没有的和比自己更新的信息。
    • 收到邻站的LSR分组后，发送【LSu链路状态更新分组】进行更新。
    • 更新完毕后，邻站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认。
  3. 五个分组
    • 问候分组
    • DD数据库描述分组
    • LSR链路状态分组
    • LSu链路状态分组
    • LSAck链路状态分组

BGP协议

  1. 交换对象：与其他AS邻站BGP发言人交换信息
  2. 交换内容：交换的网络可达性的信息，即到达某个网络要经历的一系列AS
  3. 交换周期：发生变化时更新变化
  4. 协议报文格式：一个BGP发言人与其他自治系统中的BGP发言人要交换路由信息，就要先建立TCP连接，即通过TCP传送，然后在此连接上交换BGP报文以建立BGP会话(session)，利用BGP会话交换路由信息。
  5. BGP-4报文：
    • OPEN报文
    • UODATE报文
    • KEEPALIVE报文
    • NOTIFICATION报文
协议 RIP OSPF BGP
类型 内部网关 内部网关 外部网关
路由算法 距离-向量 链路状态 路径-向量
传递协议 UDP（传输层） IP TCP（传输层
路径选择 跳数最少 代价最低 较好，不是最好
交换节点 和本节点相邻的路由器 网络中的所有路由器 和本节点相邻的路由器
交换内容 当前本路由器相邻的路由信息（自己的路由表） 和本路由器相邻的所有路由器的链路状态（全网的路由器的链路状态） 首次，整个路由表；其他，变化时

IP数据报

TCP协议栈

  1. IP数据报格式

数据报格式

  1. IP数据报首部

数据报首部

最大传输单元

数据链路层帧封装的最大长度1500

  1. 标识：同一数据报的分片使用同一标识
  2. 标志：只有两位有意义
    • 中间位：DF
      • DF=1禁止分片
      • DF=0允许分片
    • 最低位：MF
      • MF=1，后面还有分片
      • MF=0，最后一片
  3. 片偏移：较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。以8B为单位。
  4. 长度单位：
    • 总长度部分长度单位：1B
    • 片偏移部分长度单位：8B
    • 首部长度部分长度单位：4B

IP地址

  1. 分类的IP地址

    1. IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口
    2. IP地址分类
    网络号 主机号
    A类地址（1-126） 0；1B 3B
    B类地址（128-191） 10；2B 2B
    C类地址（192-223） 110；3B 1B
    D类地址（224-239） 多播地址1110
    E类地址（240-255） 以后使用1111
    1. 特定IP地址
    网络号 主机号 作为IP分组源地址 作为IP分组目的地址 用途
    全0 全0 可以 不可以 本网范围内表示主机，路由表中表示默认路由（表示整个Internet网络）
    全0 特定值 不可以 可以 表示本网内某个特定的主机
    全1 全1 不可以 可以 本网广播地址（路由器不转发）
    特定值 全0 不可以 不可以 网络地址，表示一个网络
    特定值 全1 不可以 可以 直接广播地址，对特定网络上的所有主机进行广播
    127 任何数（非全0/1） 可以 可以 用于本地环回测试，环回地址
    1. 私有IP地址
    地址类型 地址范围 网段个数
    A类 10.0.0.0~10.255.255.255 1
    B类 172.16.0.0~172.31.255.255 16
    C类 192.168.0.0~192.168.255.255 255
    1. 网络
    网络类型 最大可用网络数 第一个可用网络号 最后一个可用网络号 每个网络中的最大主机数
    A 2^7-2 1 126 2^24-2
    B 2^14-1 128.1 191.255 2^16-2
    C 2^21-1 192.0.1 223.255.255 2^8-2

网络地址转换NAT

路由器不换转发私有IP地址

  1. NAT路由器：此路由器至少有一个全球IP地址

  2. NAT转换：本地主机发送信息时，经过NAT路由器会将源地址和端口号转换为NAT路由器的外网地址和端口号；反之亦然。

子网划分

无分类编址CIDR

变长的子网掩码

网络前缀+主机号=IP地址

/

  1. 消除了传统的分类以及子网划分的概念
  2. 融合子网地址和子网掩码，方便子网划分。CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个CIDR地址块。

构成超网

  1. 概念：将多个子网聚合成较大的子网，也叫路由聚合
  2. 最长前缀匹配：

ARP协议

  1. ARP高速缓存：IP地址到MAC地址的映射
  2. 使用过程
    • 检查ARP高速缓存，有对应表项则写入MAC帧，没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组，同一局域网中所有主机都能收到该请求。目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP响应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存（10-20min更新一次）。
  3. 面临的四种情况
    • 主机A发给本网络上的主机B:用ARP找到主机B的硬件地址;
    • 主机A发给另一网络上的主机B:用ARP找到本网络上一个路由器（网关）的硬件地址;
    • 路由器发给本网络的主机A:用ARP找到主机A的硬件地址;
    • 路由器发给另一网络的主机B:用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。

DHCP协议

  1. 动态主机配置协议DHCP协议是应用层协议，使用客户/服务器方式，客户端和服务端通过广播交互，基于UDP。
  2. 过程
    • 主机广播DHCP发现报文
    • DHCP服务器广播DHCP提供报文
    • 主机广播DHCP请求报文
    • DHCP服务器广播DHCP确认报文

ICMP协议（没写）

  1. 概念：网际控制报文协议

IPv6

  1. 目标
    • 改进首部
    • 快速处理和转发数据报
    • Qos (Quality of Service，服务质量）指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力,是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。
  2. IPv6和IPv4区别
    • IlPv6将地址从32位（4B）扩大到128位(16B)，更大的地址空间。
    • IPv6将IPv4的校验和字段彻底移除，以减少每跳的处理时间。
    • IPv6将IPv4的可选字段移出首部，变成了扩展首部，成为灵活的首部格式，路由器通常不对扩展首部进行检查大大提高了路由器的处理效率。
    • IPv6支持即插即用(即自动配置），不需要DHCP协议。
    • IPv6首部长度必须是8B的整数倍，IPv4首部是4B的整数倍。
    • IPv6只能在主机处分片，IPv4可以在路由器和主机处分片。
    • ICMPv6:附加报文类型“分组过大”。
    • IPv6支持资源的预分配，支持实时视像等要求，保证一定的带宽和时延的应用。
    • IPv6取消了协议字段，改成下一个首部字段。
    • IPv6取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段。11.IPv6取消了服务类型字段。
  3. 过渡的策略
    • 双栈技术
    • 隧道技术

IP数据报

  1. 传输方式
    • 单播：点对点的传输方式
    • 广播：点对多点的传输方式（主机中的全部点）
    • 多播：点对多点
  2. 组播地址：IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址（一群共同需求主机的相同标识）。
  3. 组播范围：组播地址范围为224.0.0.0～239.255.255.255(D类地址），一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。
  4. 特点：
    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。

路由器

路由器结构

  1. 数据丢失：路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，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。
    路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。
  2. 三层设备的区别
    • 路由器：可以互联两个不同网络层协议的网段
    • 网桥：可以互联两个物理层和数据链路层的不同网段
    • 集线器：不能互联两个物理层不同的网段
  3. 路由表和路由转发

图片

标签：--,主机,网络层,计算机网络,地址,分组,链路,路由,路由器
From： https://www.cnblogs.com/zlwsxhn/p/16758768.html

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