408-计算机网络-网络层
网络层
概述和功能
任务
- 把分组从源端传送到目的端
- 传输单位是数据报
功能
- 路由选择分组转发
- 异构网络互连
- 拥塞控制
转发
硬件结构
-
路由器
-
转发表
- 目的网络地址
- 目的网络子网掩码
- 下一跳地址
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路由器转发分组的算法步骤
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提取目的网络IP地址
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是否直接交付（目的IP在此路由器管辖的网络内）
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特定主机路由
- 在路由表中有一个特定主机路由
- 若IP地址与特定主机路由就查找到
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检测路由表中有无路径
- 遍历路由表，若有就直接交付
- 应该每一行都有一个对应的子网掩码，先把目的IP地址与子网掩码相与，然后与那一行的网络地址比较，若相同就把IP数据报发过去
-
默认路由0.0.0.0
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生存时间为0就丢弃
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协议
-
ICMP网际控制报文协议：
（与IP协议合作的协议）-
功能
- 更加有效地转发IP数据报
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类型
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ICMP差错报文
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都是向原点发送的报文
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报文格式
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不发送ICMP数据报的情况
- 组播是1点到多点
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ICMP询问报文
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四种
- ping就是ICMP询问报文
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应用
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traceroute如何实现
- 发送N个ICMP数据报,TTL分别是1,2,3,4…N
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IGMP（组播路由器使用的协议）
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IP
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IP数据报格式
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首部
-
固定部分
20字节
（每行4字节，32比特）-
第一行
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0-3比特
版本-
IPV4
IPV6
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4-7比特
首部长度（4B一个单位）- 4位表示16个二进制数据
- 单位为4B
- 0-15
- 0-60B
-
8-15比特
区分服务- 期望获得的服务
- 强调数据报的优先级
-
16-31比特
总长度- 首部长度+数据长度
- 单位是1B
- 0-65535
- 0-65535B
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第二行：实现IP数据报分片功能
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0-15
标识- 数据报的序号
- 属于同一数据报的所有分片的标识都相同
-
16-18
标志-
只有17，18位有意义
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17：DF
- 1：禁止分片
- 0：允许分片
-
18：MF
- 1：后面还有分片
- 0：最后一个分片
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19-31：片偏移
- 此片的最开头在原分组的相对位置
- 单位为8B
-
-
第三行
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0-7比特
生存时间- 每经过一个路由器就减一
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8-15比特
协议-
TCP6
- 面向连接非常6
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UDP17
- 非连接经常遗弃（17）
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16-31
首部检验和
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第四行
- 源地址
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第五行
- 目的地址
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可变部分
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长度0-40B
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填充字段
- 首部必须是4B的整数倍
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TCP报文（数据部分）
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IP数据报分片过程
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最大传送单元MTU
- 以太网MTU是1500字节
- 数据报想要在以太网内传播，就必须在加上帧头和帧尾后，长度不超过1500字节
- 帧首部和尾部加起来是80字节
- 所以IP数据报不超过1420B
-
-
-
ARP
-
主要任务就是解决下一跳往哪走的问题，而帧往哪走需要MAC地址来导向
-
一个主机发送数据的过程
- 应用层的数据分片成为传输层的报文
- 传输层的一个报文段加上原IP地址和目的IP地址成为了网络层的数据报
- 网络层的数据报在数据链路层加上了源MAC地址和目的MAC地址
- ARP协议就在此时生效
- 装入目的MAC地址时，首先设置为FF-FF-FF-FF-FF-FF，意思是广播地址，然后发送一个ARP报文
-
局域网内的———集线器，交换机，所有终端以及管辖此局域网的路由器都可以收到ARP此广播请求
- 三种情况
- 目的IP地址就在发送方保存的ARP表中
- 根据ARP表项把帧首部的目的MAC地址填入
然后发送到对应主机
- 目的IP地址在局域网内
（发送方把目的IP地址与本局域网内对应的子网掩码相与，若网络号和此网络的网络号相同，就说明目的地址在局域网内）
- 若局域网内收到ARP请求的某个设备，相应了此请求，而且此设备的IP地址与ARP报文内的目的IP地址相同，就向发送ARP报文的设备回复一个单播的ARP报文，存放此设备的MAC地址
- 所以发送方的目的MAC地址就填入对应主机的MAC地址
而且，发送方的ARP表加入一个表项，是IP地址和MAC地址的映射
- 目的IP地址不在局域网内
- 目的MAC地址填入默认路由器的MAC地址
- 若不知道默认路由器的MAC地址，只知道默认路由器的IP地址，就先发送一个ARP报文，目的IP地址填入默认路由器的IP地址，然后会得到对应的MAC地址
- 路由器根据目的IP地址，查找路由表下一条地址，找到之后就向目的地址发送一个ARP请求。请求内包括发送方IP地址，目的IP地址，发送路由器的MAC地址，下一条路由器的MAC地址
- 若不知道下一条路由器的MAC地址，就重复这一步
- 终于知道链路层为啥是点对点的了，因为使用MAC地址寻找帧的接收方，而找接收方只能广播式地找
- 最终会找到目的主机，此时路径上所有设备的ARP表都存放着路径内下一条的MAC地址
-
-
DHCP（动态分配IP地址）
-
主机如何获得IP地址
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静态配置
- 终端固定
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动态配置
- 终端不固定，比如手机连无线网
- 在局域网内需要DHCP服务器来对手机分配IP地址
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性质
- 应用层协议
- C/S方式
- 客户端和服务器通过广播进行交流
- 使用UDP
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过程
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IPV4分组
网络层编址
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基本编址形式
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分类的IP地址
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特殊IP地址
- 网络和主机号都全0：默认路由
- 网络号全0：本网内的主机
- 网络号和主机号都全1：本网内的广播
- 主机号全0：表示一个网络
- 主机号全 1：对特定网络上的所有主机进行广播
- 网络号为127，主机号不是全0页不是全1，本地环回地址
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私有IP地址
-
A中网络数-2是因为，127被占用为本地环回地址
全0被占用为特殊IP地址
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-
子网划分与子网掩码
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子网划分：原IP结构（网络号+主机号）
划分子网后的IP结构（网络号+子网号+主机号） -
内部单位划分子网后，对外仍然表现为一个网络
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子网掩码
- 每个子网拥有一个单独的子网掩码
- 连续的1和连续的0构成的二进制数
- 比如单位内分配主机号的位数为8位，那么子网掩码后8位全0，剩下24位就全1
- 子网掩码与IP地址相与，若得到的网络号与此子网的网络号相同，说明目的主机就在此子网内
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无分类编制CIDR
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把IP地址分为（网络前缀+主机号）
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地址掩码（子网掩码）
- 128.14.32.0/20
- 20就是子网掩码的1的位数
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应用
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构成超网（路由聚合）：将多个子网聚合成一个较大的子网
- 为了减少路由器中减少路由表的行数
- 将所有子网的网络地址取交集
- 结果是路由表中，目的网络的网络号中的网络前缀的位数变少了
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最长前缀匹配
- 匹配好几个的时候，找到网络前缀最长的路由
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网络地址转换NAT
- 把一个主机的私有地址（10 ，172.16，192.168）转换为全球IP地址
- 使用NAT转换表
IPV6
-
数据报格式
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优先级：数据报的优先级
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流标签：属于同一个流的数据报都有同样的流标签
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有效载荷长度：扩展首部+有效数据大小
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下一个首部：指向下一个扩展首部
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跳数限制：相当于TTL
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与IPV4的区别
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地址表示形式
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基本地址类型
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向IPV4过渡的策略
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隧道技术
移动IP
- 看不懂
- 子主题 3
路由选择
路由选择算法
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静态路由(非自适应)
- 管路员手工配置路由信息
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动态路由
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链路状态路由算法
（全局性）
OSPF-
记住【】内的字
先【打招呼】，再给邻居传个【目录】，邻居看完目录发现自己缺东西，就给我【请求】要更新它的分组，然后我发【更新后的分组】，邻居收到回复一个【确认】
发送的数据，都通过IP数据报传送 -
OSPF
-
区域
-
主干区域
- 主干路由器
- 自制系统边界路由器
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内部区域
- 区域边界路由器
- 区域内部路由器
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OSPF分组
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OSPF特点
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使用了地杰斯特拉提出的最短路径算法SPF
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最主要的特征是使用了链路状态协议
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特点
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距离向量路由算法
（分散性）
RIP（应用层协议，使用UDP传送数据）-
距离向量算法
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适合小网络
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慢收敛：好消息传得快，坏消息传的慢
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RIP协议
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路由表元素只存目的网络、到达目的网络的距离以及下一跳路由器
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距离为16表示不可达
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路由器的特点
- 只和相邻路由器交换信息
- 交换的信息是自己的路由表
- 每30秒交换一次陆游信息
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RIP协议报文格式
- 只有在路由器使用距离向量算法交换陆游信息时，才会交换RIP报文
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-
-
路由选择协议（层次路由）
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自制系统AS
- 比如学校网络，学校内不想让外界知道自己的网络拓扑情况
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自制系统内IGP
一个AS内使用的- RIP（应用层协议，使用UDP传送数据）
- OSPF
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自制系统间EGP
AS之间使用的-
BGP（应用层协议，借助TCP传送）
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需要解决的问题
-
和其他自制系统的BGP发言人交换信息
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交换网络可达性的信息
-
发生变化时更新变化的信息
-
-
交换信息的过程
-
报文格式
-
特点
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四种报文
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三种协议比较
IP组播（多播）
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三种传播方式
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组播传播方式
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IP组播地址
- D类地址
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硬件组播（局域网内）（可能会靠）
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IGMP网际组管理协议（组播路由器使用的协议）
- 使用IP数据报传输数据
网络层设备
路由器
-
输入端口
-
输出端口