第四章 网络层
2020-07-08 18:30:22 0 举报AI智能生成
《计算机网络》第7版第四章 网络层
作者其他创作
大纲/内容
网际协议IP
虚拟互联网络
连接网络的中间设备
物理层
转发器
数据链路层
网桥/桥接器
网络层
路由器
网络层以上
网关
定义
参与互联的计算机网络都使用网际协议IP，使得性能各异的网络在网络层上看起来好像是一个统一的整体
数据报交付
处于本网络上
直接交付
不在本网络上
借助路由器间接交付
分类的IP地址
IP地址及其表示方法
历史阶段
分类的IP地址
最基本的编址
子网的划分
对最基本的编址的改进
构成超网
比较新的无分类编址
IP地址定义
{<网络号>，<主机号>}
IP地址字段
根据网络号和主机号的长度不同，分为A、B、C等分类，详见P119
常用的三种类别的IP地址
P120
特点
每一个IP地址都由网络号和主机号构成
IP地址标志一台主机/路由器和一条链路的接口
用转发器或网桥连接起来的局域网仍为网络
分配网络号的各个网络都是平等的
IP地址与硬件地址
物理地址
数据链路层和物理层使用的地址
IP地址
网络层及其以上使用的地址，是一种逻辑地址
地址解析协议ARP
在主机ARP高速缓存中存放一个IP地址到物理地址的映射表
当映射表中IP地址无对应物理地址，则通过ARP分组广播，由目标响应回复物理地址
映射表的表项设置生存时间，生存时间过后则删除
ARP只能解决同一个局域网上的地址映射
IP数据报的格式
首部
固定部分（20B）
源地址、目的地址、首部校验和等信息
总长度
IP数据报的程度，若分片，则为各分片的总和
片偏移
在分片的数据报中，表示当前数据在源分组中的相对位置
可变部分
可选字段
排错、测量等
填充
以0将数据报补齐为4B的整数倍
数据部分
IP层转发分组的流程
1 从数据报的首部提取目标主机IP地址D，得出网络地址N
2 若N与此路由器直连，则直接交付；否则间接交付，转3
3 若路由表中有D的指定主机路由，则将数据报传送给对应的下一跳路由；否则执行4
4 若路由表中有到达N的路由，则把数据报传送到对应的下一跳；否则执行5
5 若路由表中有默认路由，则把数据报传送给默认路由；否则报告转发分组出错
网际控制报文协议ICMP
ICMP报文的种类
差错报告报文（发向源点）
终点不可达
路由器或主机不能交付数据报
时间超过
生存时间为0
参数问题
首部字段错误
改变路由（重定向）
告诉主机可以通过刚好的路由
询问报文
回送请求和回答
时间戳请求和回答
ICMP的应用举例
ping
tracert
IPv6
基本首部
变化
更大的地址空间
拓展的地址层次
灵活的首部格式等等
8字节对齐
地址
目的地址类型
单播
多播
任播
终点为一组计算机，但数据报只交付给其中一个
格式
P174
从IPv4到IPv6过渡
双协议栈
部分主机/路由器装有两个版本的IP协议
隧道技术
把IPv6数据报作为数据部分装入IPv4数据报
ICMPv6
P177
虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT
VPN
专用IP地址
用于一个机构的内部通信的IP地址，这些地址无法作为目的地址在互联网上转发
专用网
专用IP地址组成的互连网
虚拟专用网
利用互联网将多个专用网间的通信，使得整体好像是专用网
通过互联网的数据都需要加密
NAT
作用
使得专用网内部的计算机可以与互联网上的主机通信
方法
在专用网和互联网之间的路由器上安装NAT软件，在与外部通信时，把其专用网IP地址转化为全球IP地址
网络地址与端口号转换NAPT
不同的专用网计算机接入到NAT路由器的不同端口，使得路由器可以以同一个全球IP地址实现外界通信
网络层提供的两种服务
虚电路
逻辑上的连接，类似电路交换
设计思想：网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务
网络层不提供服务质量的承诺，即分组可能出错
虚电路与数据报服务的对比：p115
划分子网和构造超网
划分子网
从两级IP到三级IP
背景
IP地址空间有时很低
为每一个物理网络分配一个网络号使得路由表变得太大
两级IP地址不够灵活
基本思路
一个拥有许多网络网络的单位，可将所属的物理网络划分为若干个子网。对外仍表现为一个网络
把主机号划出一部分作为子网号，即IP定义为{网络号，子网号，主机号}
发送到本单位主机的数据报，根据目的网络号和子网号找到目的子网，再交付数据报
子网掩码
与IP等长的编码，由连续的0和1构成，在与相应的IP地址进行与运算时，可以计算出相应的网络地址
优点
增加了灵活性
缺点
减少了能在网络上连接的主机总数
使用子网时分组的转发
将查看网络IP转换为：用各网络子网掩码和目标地址与，若经过和相应的网络地址匹配，则网络地址为所求
无分类编制CIDR（构造超网）
背景
IPv4地址空间耗尽
网络前缀
IP地址定义为{网络前缀， 主机号}
格式
a.b.c.d/e
e表示网络前缀所占的位数
路由聚合（构造超网）
路由表中利用CIDR地址块查找目的网络
最长前缀匹配
在查找路由时可能会得到多个匹配结果，从中选择具有最长网络前缀的路由（主机更少）
使用二叉线索查找路由表
互联网的路由选择协议
基本概念
路由算法分类
静态路由选择
动态路由选择
分层次的路由选择协议
把整个互联网分成许多较小的自治系统AS
AS表现单一和一致的路由选择策略
路由选择协议
内部网关协议IGP
AS内，如RIP和OSPF
外部网关协议EGP
AS间，如BGP
内部网关协议
RIP（基于距离向量的路由选择协议）
特点
仅和相邻路由器交换信息
交换内容为当前本路由所知道的全部信息，即路由表
按固定的间隔交换信息
距离为跳数，大于等于16时为不可达
缺点
好消息传得快，坏消息传得慢。网络出现故障时，要经过较长时间才能通知到所有路由器
优点
实现简单、开销小
OSPF（开放最短路径优先）
特点
向AS中的所有路由器发送信息（洪泛）
发送信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态（部分信息）
链路状态发送变化时，才需要洪泛
优点
更新过程收敛快
外部网关协议BGP（边界网关协议）
使用场景
互联网规模过大，AS间的路由选择困难
AS间的路由选择必须考虑有关策略
作用
寻找一条能到达目的网络且比较好的路由
路由器的构成
路由选择部分
更新维护路由表
分组转发部分
交换结构
根据转发表（由路由表得出）输出分组
输入端口
物理层处理、数据链路层处理、网络层处理（分组排队）
输出端口
与输入相反
IP多播
基本概念
当多播组的主机数很大时，采用多播可以明显降低资源消耗
多播路由器
运行多播协议的路由器
IP多播
在互联网上进行多播（目的地址为多播IP地址）
在局域网上进行多播
多播IP地址映射为以太网MAC多播地址
网际组管理协议IGMP和多路路由选择协议
IGMP
让连接在本地局域网上的多播路由器知道本局域网上是否有主机参与/退出了某个多播组
多播路由选择协议
和其他多播路由协调工作，使多播数据报能以最小代价传送给所有组成员
动态适应多播组员的变化
多播数据报可以由没有加入多播组的主机发出，也可以通过没有组成员接入的网络
多协议标记交换MPLS
原理
为IP数据报打"标记"，对打标记的IP数据报用硬件转发（不需要上升到网络层，在数据链路层即可转发）
转发等价类FEC
路由器按照相同方式对待IP数据报集合
首部位置
处于以太网帧首部和IP数据报帧首部之间
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