4-网络层

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参考书:王道计算机。思维导图是以我期末复习准备的,所以有些不会考的点只是提了名字,没有具体介绍。


4-网络层

传输单位是数据报或分组,主要任务是把分组从源端传到目的端,为分组交换网络上的不同主机提供通信服务。

功能

路由选择与分组转发

异构网络互联

拥塞控制

  • 开环控制(静态)
  • 闭环控制(动态)

数据交换方式

电路交换

  • 三个阶段
    • 建立连接(呼叫,电路建立)
    • 通信
    • 释放连接(拆除电路)
  • 特点
    • 独占资源
  • 优点
    • 通信时延小
    • 有序传输
    • 没有冲突
    • 实时性强
  • 缺点
    • 建立连接时间长
    • 线路独占,使用效率低
    • 灵活性差
    • 无差错控制能力

报文交换

  • 报文:源应用发送的信息整体
  • 优点
    • 无需建立连接
    • 存储转发,动态分配链路
    • 线路可靠性较高
    • 线路利用率较高
    • 多目标服务
  • 缺点
    • 有存储转发时延
    • 报文大小不定,需要网络节点有较大缓存空间

分组交换

  • 分组:把大的数据块分割成小的数据块
  • 优点
    • 无需建立连接
    • 存储转发,动态分配链路
    • 线路可靠性较高
    • 线路利用率较高
    • 相对于报文交换,存储管理更容易
  • 缺点
    • 有存储转发时延
    • 需要传输额外的信息量
    • 乱序到目的主机时,需要对分组排序重组
  • 分类
    • 数据报方式
      • 为网络层提供无连接服务
      • 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,不同分组的传输路径可能不同。
      • 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
        • 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
    • 虚电路方式
      • 为网络层提供连接服务
      • 虚电路:一条源主机到目的主机类似于电路的路径(逻辑连接)
      • 数据报服务 vs 虚电路服务
        • 连接的建立
          • 不需要
          • 必须有
        • 目的地址
          • 每个分组有完整的目的地址
          • 仅在连接建立阶段使用,之后每个分组使用较短的虚电路号
        • 路由选择
          • 每个分组独立地进行路由选择和转发
          • 属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发
        • 分组顺序
          • 不保证分组的有序到达
          • 保证分组的有序到达
        • 可靠性
          • 不保证可靠通信,可靠性由用户机来保证
          • 可靠性由网络保证
        • 对网络故障的适用性
          • 出故障的结点丢失分组,其他分组路径选择发生变化,可正常传输
          • 所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作
        • 差错处理和流量控制
          • 由用户主机进行流量控制,不保证数据报的可靠性
          • 可由分组交换网负责,也可由用户主机负责

总结

  • 报文交换和分组交换都采用存储转发
  • 传送数据量大,且传送时间远大于呼叫时间时,选择电路交换。电路交换传输时延最小
  • 从信道利用率看,报文交换和分组交换优于电路交换,其中分组交换时延更小。

IP数据报格式

TCP/IP协议栈

  • 传输层
    • UDP
    • TCP
  • 网络层
    • ARP
    • IP
    • ICMP、IGMP
    • 数据链路层
    • 物理层

IP数据报

  • 首部
    • 固定部分20B
      • 版本4bit
        • IPv4/IPv6
      • 首部长度
        • 单位是4B
      • 区分服务
      • 总长度
        • 首部+数据。单位是1B
      • 标识:同一数据报的分片使用同一标识
      • 标志:3位,只有两位有意义
        • DF=1:禁止分片
        • DF=0:允许分片
        • MF=1:后面还有分片
        • MF=0:后面没有分片
      • 片偏移:13bit
        • 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。除最后一个分组外其他分组大小必须是8B的整数倍
      • 生存时间TTL
        • IP分组保质期,经过一个路由器便减一,变成零则丢弃
      • 协议
        • 6
          • TCP
        • 17
          • UDP
      • 首部检验和
        • 只检验首部
      • 源IP地址和目的IP地址:32位
    • 可变部分
      • 可选字段:0~40B
      • 填充:全0,将首部补成4B的整数倍
  • 数据部分
    • TCP段或UDP段

IPv4

IP地址

  • IP地址::={<网络号>,<主机号>}

IP地址分类

  • A类(1~127)
    • 网络号占1B(0xxxxxxx)+主机号(3B)
  • B类(128~191)
    • 网络号占2B(10xxxxxx xxxxxxxx)+主机号2B)
  • C类(192~223)
    • 网络号占3B(110xxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx)+主机号(1B)
  • D类(224~239)
    • (1110 多播地址)
      • 一对多通信使用
  • E类(240~255)
    • (1111 保留为今后使用)

特殊IP地址

私有IP地址

  • A类(10.0.0.0–10.255.255.255)
    • 1个网段
  • B类(172.16.0.0–172.31.255.255)
    • 16个网段
  • C类(192.168.0.0–192.168.255.255)
    • 256个网段

总结

  • 最大可用网络数
    • 2^7-2
    • 2^(14)-1
    • 2^(21)-1
  • 第一个可用的网络号
    • 1
    • 128.1
    • 192.0.1
  • 最后一个可用的网络号
    • 127
    • 191.255
    • 223.255.255
  • 每个网络中的最大主机数
    • 2^(24)-2
    • 2^(16)-2
    • 2^8-2

网络地址转换(NET)

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

子网划分与子网掩码

三级IP地址

  • IP地址::={<网络号>,<子网号+主机号>}
    • 子网号能否全0看情况。主机号不能全0全1
  • 子网掩码(11111111 11111111 11111111 00000000)
  • 两者相与得到子网网络地址

无分类编址CIDR

无分类域间路由选择

消除了IP地址分类以及子网划分的概念

  • 网络前缀+主机号

网络前缀相同的连续IP地址组成一个CIDR地址块

路由聚合(构成超网)

  • 将多个子网聚合成一个较大的子网
  • 方法:将网络前缀缩短

最长前缀匹配(最佳匹配)

  • 使用CIDR时,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。前缀越长,地址块越小,路由越具体。

ARP协议

完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射

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-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。

DHCP协议

应用层协议,使用C/S方式,客户端和服务端通过广播方式进行交互,基于UDP

提供即插即用联网的机制,主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址,允许地址复用,支持移动用户加入网络,支持在用地址续租。

网际控制报文协议ICMP

支持主机或路由器

  • 差错(或异常)报告
  • 网络探询

ICMP差错报告报文

  • 终点不可达类
    • 无法交付
  • 源点抑制类
    • 拥塞丢数据
  • 时间超过类
    • TTL=0
  • 参数问题类
    • 首部字段有问题
  • 改变路由(重定向类)
    • 值得更好的路由

ICMP询问报文

  • 回送请求和回答报文
    • 测试目的站是否可达以及了解其相关状态
  • 时间戳请求和回答报文
    • 用来进行时钟同步和测量时间

应用

  • PING
    • 使用了ICMP回送请求和回答报文
  • Traceroute
    • 跟踪一个分组从源点到终点的路径,使用了ICMP时间超过差错报告报文

IPv6

数据报格式

  • 基本首部40B
    • 版本
      • 6
    • 优先级
    • 流标签
      • 属于同一个流的数据报都具有相同的标签
    • 有效载荷长度
    • 下一个首部
      • 相当于IPv4的TTL
    • 跳数限制
    • 源地址、目的地址
      • 128位
  • 有效载荷(不超过65535字节)
    • 选项
      • 扩展首部
    • 数据部分

表示形式

  • 一般形式
  • 压缩形式

基本地址类型

  • 单播:一对一通信,可做源地址+目的地址
  • 多播:一对多通信,可做目的地址
  • 组播:一对多中的一个通信,可做目的地址

IPv6向IPv4过度的策略

  • 双协议栈
  • 隧道技术

IPv4 VS IPv6

  • IPv6将地址从32位(4B)扩大到128位(16B)
  • 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

路由算法与路由协议

路由算法

  • 静态路由算法(非自适应路由算法):手工配置
  • 动态路由算法(自适应路由算法)
    • 全局性:链路状态路由算法,OSPF
      • 所有路由器都掌握完整的网络拓扑和链路费用信息
    • 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

路由选择协议

  • 内部网关协议IGP
    • 一个AS(自治系统)使用的RIP、OSFP
  • 外部网关协议EGP
    • AS之间使用BGP
      • BGP-4的四种报文
        • OPEN(打开)报文
        • UPDATE(更新)报文
        • KEEPALIVE(保活)报文
        • NOTIFICATION(通知)报文
      • BGP使用TCP传输数据

RIP协议和距离向量算法

  • RIP协议概述
    • 基于距离向量
    • 距离16表示网络不可达
    • 适合小网络
  • RIP协议路由信息交换细节
    • 每30s和相邻路由交换全部路由信息
  • RIP协议报文格式
    • RIP时应用层协议
    • 使用UDP传送数据
  • 好消息传得快,坏消息传得慢
  • 距离向量算法

OSPF协议

  • 不使用传输层协议,直接采用IP

IP组播

IP数据报的三种传输方式

  • 单播
  • 广播
  • 组播

IP组播地址

IP组播的两种情况

  • 局域网上硬件组播
  • 在因特网的范围内进行组播

IGMP协议

  • 网际组管理协议:让路由器知道本局域网上是否有主机(的进程)参加或退出了某个组播组

组播路由选择协议

  • 找出以源主机为根结点的组播转发树

网络层设备

路由器

  • 转发分组

三层设备的区别

  • 能否隔离冲突域
  • 能否隔离广播域

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