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:
- 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
- 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
- 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
- 基于内存交换:性能最低,价格最便宜
- 基于总线交换
- 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
- 先到先服务(FCFS)调度策略
- 按优先级调度、按IP数据报的服务类型调度
- 路由处理器
- 执行命令
- 路由协议运行
- 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
![IPv4结构](/2022/03/09/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C%E5%8E%9F%E7%90%86/%E7%BD%91%E7%BB%9C%E5%B1%82/ipv4.png)
- 版本号:4位。IP的版本号
- 首部长度: 4位。IP数据报的首部长度:20B-60B
- 区分服务:8 位。用来指示期望获得那种类型的服务
- 数据长度:16位。IP数据报的总字节数
- 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)
- 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)
- 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
- 源IP地址:32位,发出IP数据报的源主机的IP地址
- 目的IP地址:32位,IP数据报需要东大的主机的IP地址
- 选项:长度可变
- 数据:存放IP数据报所封装的传输层报文段
- 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
- 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
- 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
- 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
- 后缀(Postfix):即主机部分,用于表示主机在网络中的唯一地址
- 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
- 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
- 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
IPv6地址长度为128位
IPv6地址表示方法
- 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
- 在IPv6地址中嵌入IPv4的点分十进制
分类
- 单播地址:可做源地址和目的地址
- 组播地址:可做目的地址
- 任播地址: 可做目的地址
IPv4到IPv6迁移
- 双协议栈:网路结点同时具备发送IPv4与IPv6数据报的能力
- 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
- 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
- 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
- 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)
- 较小的AS。基于距离向量路由选择算法的IGP
- RIP报文:封装进UDP数据报
- 特性:
- RIP在度量路径时采用的是条数
- RIP的费用定义在源路由器和目的子网之间
- 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)
- OSPF:较大规模的A。基于链路状态路由选择算法的IGP
- 直接封装在IP数据报传输
- 优点:
- 安全
- 支持多条相同费用路径
- 支持区别化费用度量
- 支持单播路由与多播路由
- 分层路由
二. 外部网关协议(EGP):Internet自治系统间路由选择协议
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
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
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