计算机网络原理-网络层

一、网络层服务

任务：将数据从源主机送达到目的主机

功能：

  1. 转发：当里输入链路接收到一个分组后，路由器需要决策那条输出链路将分组发送出去，并将分组从输入接口转移到输出接口
  2. 路由选择：当分组从源主机流向目的主机是，必须通过某种方式决定分组经过的路由或路径
  3. 连接建立：网络层连接是从源主机到目的主机主机经过的一条路径，这条路径经过的每个路由器等网络设备都要参与网络层连接的建立

二、数据报网络与虚电路网络

1. 数据报网络（无连接服务）

源主机没要发送一个分组，就为改分组加上目的主机地址,然后将改分组推进网络。每个路由器使用分组的目的主机地址转发分组

2. 虚电路网络（面向连接）

  • 源主机到到目的主机的一条路径上建立的一条网络层逻辑连接，通信结束后再拆除连接

  • 3个构成要素

    • 从源主机到目的主机之间的一条路径（一系列的链路和分组交换机）
    • 改路径上的每条链路的虚电路标识（VCID）
    • 分组交换机的转发表中记录虚电路标识的接续关系

3.对比

项目 数据报网络 虚电路网络
是否建立连接 不建立连接 先建立连接
地址 每个在分组包含源和目的端地址 每个分组含一个短的虚电路号
分组顺序 按序发送，不一定按序接收 按序发送，按序接收
路由选择 每个分组独立路由选择 建立VC时需要路由选择，之后所有分组都沿此路由转发
典型网络 因特网 X.25/帧中继/ATM

三、网络互连与网络互连设备

1. 异构网络互连

异构网络： 主要指两个网络的通信技术和运行协议的不同
异构网络互连的基本策略： 协议转换和构建虚拟互联网络

2. 路由器

路由器：最典型的网络层设备，具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，主要任务就是获取与维护路由信息以及转发分组

路由器从功能体系结构角度：

  • 输入端口：查找，转发，到达分组， 缓存排队功能
  • 交换结构: 完成具体转发工作，将输入端口IP数据包交换到指定的输出端口
    1. 基于内存交换：性能最低，价格最便宜
    2. 基于总线交换
    3. 基于网络交换：性能最高，价格最贵
  • 输出端口：缓存排队，从队列中取出分组进行数据链路层数据帧封装和发送
    1. 先到先服务（FCFS）调度策略
    2. 按优先级调度、按IP数据报的服务类型调度
  • 路由处理器
    1. 执行命令
    2. 路由协议运行
    3. 路由计算以及路由表的更新和维护

四、网络层拥塞控制

用户对网络资源(包括链路带宽、存储空间、处理器处理能力等)的总需求超过了挽留过固有的容量

  • 网络负载在膝点附近时，兔兔量和分组平均延迟发稿理想的平衡，网络的使用效率最高

  • 发生拥塞的原因：

    • 缓冲区容量有限
    • 传输线路的带宽有限
    • 网络节点的处理能力有限
    • 网络中门口写部分发生了故障

  • 解决方法

    • 流量感知路由： 权值根据网络负载动态调整，可以将网络流量引导到不同的链路上，均衡网路负载
    • 准入控制： 广泛应用于虚电路网络的拥戴复方技术，对新建虚电路审核，如果建立的虚电路会导致网络变得拥塞，那么网络拒绝家里新虚电路
    • 流量调节：在网络发生拥塞时，通过调整发送方发送数据的速率来消除拥塞
      • 抑制分组： 感知到拥塞的路由器选择一个被拥塞的数据报，给改数据报的源主机返回一个抑制分组
      • 背压：音质分组在从拥塞节点到元几点的路径上的每一条，都发挥抑制作用
    • 负载脱落：有选择地主动丢弃一些数据报，减轻网络负载，从而缓解或消除拥塞

五、Internet网络层

1. IPv4协议

  • IPv4:Internet网络层最核心的协议，定义了如何封装上层协议（如：TCP/UDP）的报文段，Internet网络层寻址（IP寻址）以及如何转发IP数据报等内容
  1. 版本号：4位。IP的版本号
  2. 首部长度： 4位。IP数据报的首部长度：20B-60B
  3. 区分服务：8 位。用来指示期望获得那种类型的服务
  4. 数据长度：16位。IP数据报的总字节数
  5. 生存时间：8位。Time-To-Live, TTL.表示IP数据报在网络中可以通过的路由器书（跳步数）
  6. 上层协议：8位，指示IP数据报封装的是哪个上层协议（TCP:6, UDP:17）
  7. 数据校验和：16位，利用校验和实现对P数据报首部的差错检测
  8. 源IP地址：32位，发出IP数据报的源主机的IP地址
  9. 目的IP地址：32位，IP数据报需要东大的主机的IP地址
  10. 选项：长度可变
  11. 数据：存放IP数据报所封装的传输层报文段
  12. 标识 16位，表示一个IP数据报。每产生一个IP数据报，IP协议的计数器加1，在IP数据报分片和重组的过程中用于标识数据同一个IP数据报。该字段不可唯一表示一个IP数据报
  13. 标志 3位：
    • DF 禁止分片: 0-可以分片， 1-禁止分片
    • MF 更多分片: 0-未被分片或分片的最后一片，1-是分片且不是最后一个
  14. 片偏移量：以8B为单位。表示一个IP数据报分片与原UP数据报的数据的相对偏移量。当该字段值为0时，且MF=1,则表示这是一个IP分片，且是第一个分片。

2. IPv4编址

一、IPv4地址长度为32位，共有2^23个不同的IP地址，约为43亿个

二、IPv4地址的三种标记方式：

方法 表示方式
二进制标记法 11000000 10101000 00000001 01100101
点分十进制标记法 192.168.1.101
十六进制标记法 0xC0A80165

三、IP地址分配

  1. 前端（Prefix）：即网络部分，用于描述主机所归属的网路
    • 分类地址：定长前缀（A/B/C/D/E类）
    • 无类地址：前缀长度可变
  2. 后缀（Postfix）：即主机部分，用于表示主机在网络中的唯一地址
  3. A/B/C类地址：可以用于标识网络中的主机或路由器
类 前缀长度 前缀 首字节(十进制)
A 8位 0xxxxxxx 0-127
B 16位 10xxxxxx xxxxxxxx 128-191
C 24位 110xxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx 192-223

4.子网掩码： 定义一个子网的网络前缀长度

  • 子网掩码位数：32位
  • 书写形式：二进制，点分十进制
  • 取值规则：对应前缀，前部位1，对应后缀，全部为0

5.路由聚合：减少路由表项数，提高路由效率，将可以聚合在一起的子网聚合成一个大的子网

3. 动态主机配置协议

DHCP在应用层实现，传输层使用UDP,DHCP服务器端口号67，DHCP客户端口号68

工作过程

  • 第一步：DHCP服务器发现：广播方式
  • 第二步：DHCP服务器提供：广播方式
  • 第三步：DHCP请求：广播方式
  • 第四步：DHCP确认

4. 网络地址转换

(Network Address Translation, NAT) 使私有地址在公共Internet上正常通讯

工作原理

    1. 从呢网出去的IP数据报，将其IP地址替换为NAT服务器用友的合法的公共IP地址，并将替换关系记录到NAT转换表中
    1. 从公共互联网返回的IP数据报，依据其目的IP地址检索NAT转换表，并利用检索到的内部私有IP地址替换目的IP地址，然后将IP数据报转发到内部网络

5. ICMP（互联网控制报文协议）

进行主机或路由器间的网络层差错报告与网络探测

差错报告报文

  • 终点不可达
  • 原点抑制
  • 时间超时
  • 参数问题
  • 路由重定向

询问报文

  • 回声请求/应答
  • 时间戳请求/应答

6. IPv6

  1. IPv6地址长度为128位

  2. IPv6地址表示方法

      1. 8组冒号分割的十六进制数，连续多组的 “0000” 可以采用压缩格式表示，利用“::”代替，注意：只能出现一次
      1. 在IPv6地址中嵌入IPv4的点分十进制

  3. 分类

      1. 单播地址：可做源地址和目的地址
      1. 组播地址：可做目的地址
      1. 任播地址： 可做目的地址

  4. IPv4到IPv6迁移

    1. 双协议栈：网路结点同时具备发送IPv4与IPv6数据报的能力
    2. 隧道：很好地解决IPv6通信中经过IPv4路由器的温恩提，同时也不会出现信息丢失的问题

六、路由算法与路由协议

1. 路由选择算法的分类

分类标准

  • 是否需要全局信息

    • 需要网络的完整信息 - 全局式路由选择算法 - 典型：链路状态路由选择算法(LS算法)
    • 不需要网络的完整信息 - 分布式路由选择算法 - 典型：距离向量路由选择算法（DV算法）

  • 静态动态

    • 静态 - 人工配置
    • 动态 - 网络发生变化，自动计算最佳路由 - LS/DV算法

  • 是否敏感

    • 敏感 - 负载敏感的路由选择算法
    • 延迟 - 负载迟钝的路由选择算法

2. 链路状态路由选择算法（LS算法）

链路状态路由选择算法（LS算法）

  • 利用Dijkstra算法求最短路径

3. 距离向量路由选择算法

分布式路由选择算法，每个节点仅掌握与所有邻居节点的直接链路代价

  • 基础是Bellman-Ford方程(简称B-F方程)

4. 层次化路由选择

层次化路由选择：大规模网络路由选择最有效可行的解决方法

  1. 自治系统(autonomous system,AS)：互联网按组织边界划分为多个自治系统。每个自治系统由运行相同 路由协议和路由选择算法的路由器组成
  2. 网关路由器：每个自治系统存在至少一个与其他自治系统互联的路由器
  3. 层次化路由选择原理，大规模互联网的路由划分为两层
    • 自治系统内路由选择：计算到达自治系统内目的网络的路由
    • 自治系统间路由选择：负责其他自治系统网络的可达性信息

5. Internet路由选择协议

一. 内部网关协议（IGP）:Internet自治系统内路由选择协议

1. 路由信息协议（Routing Infomation Protocol, RIP）

  1. 较小的AS。基于距离向量路由选择算法的IGP
  2. RIP报文：封装进UDP数据报
  3. 特性：
      1. RIP在度量路径时采用的是条数
      1. RIP的费用定义在源路由器和目的子网之间
      1. RIP被限制在网络直径不超过15跳的自治系统内使用

2. 开放最短路径优先协议（Open Shortest Path First, OSPF）

  1. OSPF:较大规模的A。基于链路状态路由选择算法的IGP
  2. 直接封装在IP数据报传输
  3. 优点：
      1. 安全
      1. 支持多条相同费用路径
      1. 支持区别化费用度量
      1. 支持单播路由与多播路由
      1. 分层路由

二. 外部网关协议（EGP）:Internet自治系统间路由选择协议

  1. 边界网关协议（Border Gateway Protocol, BGP）实现跨自治系统的路由信息交换。典型版本是BGP4,
    BGP主要有4种报文：

    • OPEN(打开)报文
    • UPDATE(更新)报文
    • KEEPALIVE(保活)报文
    • NOTIFICATION(通知)报文

  2. 总结

    协议名称 封装 适用范围
    RIP UDP 较小AS内
    OSPF IP数据报 较大AS内
    BGP TCP报文段 跨AS