导图社区 计算机网络4-网络层
这是一篇关于计算机网络4-网络层的思维导图,主要内容有网络层的功能、路由算法、路由协议、网络层设备、移动IP等。
编辑于2022-07-23 11:01:08网络层
网络层的功能
设计思路
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
异构网络互联
网络互联
指将两个以上的计算机网络,通过一定的方法,用一些中间设备/中继系统相互连接起来
中继系统
物理层中继系统:转发器,集线器
数据链路层中继系统:网桥或交换机
只是把一个网络扩大了,从网络层的角度看仍是同一个网络
网络层中继系统:路由器
有自己的路由选择软件和转发表
网络层以上的中继系统:网关
IP网络
通过IP协议使性能各异的网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络,这种使用IP协议的虚拟互联网络简称IP网络
路由与转发
路由选择
可视作网络层控制层面的功能
分组转发
可视作网络层数据层面的功能
软件定义网络SDN
采用集中式的控制层面和分布式的数据层面。在网络的控制层面上有一个逻辑上的远程控制器。远程控制器掌握各主机和整个网络的状态,为每个分组计算出最佳路由,通过Openflow协议将转发表/流表下发给路由器。路由器仅负责转发
编程性nice
北向接口
SDN提供的编程接口,提供丰富的API,可以在此基础上设计应用,不必关心底层细节
南向接口
SDN控制器和转发设备建立双向会话的接口,通过不同的南向接口协议 (Openflow),SDN控制器就可兼容不同的硬件设备,同时可以在设备中 实现上层应用的逻辑
东西向接口
控制集群内部控制器之间的通信接口,用于增强整个控制层面的可靠性和可拓展性
优点
1.全局式集中控制和分布式高速转发,既利于控制层面的全局优化,又利于高性能的网络转发
2.灵活可编程与性能的平衡,控制和转发功能分离后,使得网络可以由专有的自动化工具以编程方式配置
3.降低成本,实现了网络设备的制造与功能软件的开发相分离
问题
1.安全风险,集中管理容易受到攻击,如果崩溃,整个网络都将受到影响
2.瓶颈问题,控制层面集中化后,随着网络规模增大,控制器可能成为网络性能的瓶颈
拥塞控制
分组发送速率与时延的关系
判断是否拥塞
若随着网络负载增加,网络的吞吐量明显小于正常的吞吐量,则maybe"轻度拥塞"
若网络吞吐量随着网络负载的增加而减少,则已经进入拥塞状态
若负载继续增大,网络吞吐量下降到0,则进入死锁
方法
开环控制
在设计网络时,就考虑到拥塞的因素,是静态的预防方法; 包括何时接收新流量、何时可丢弃分组及丢弃哪些分组
闭环控制
事先不考虑,采用监测系统去监测,基于反馈环路的概念,是一种动态的方法
与流量控制的区别
流量控制是在端到端之间的;拥塞控制则是对整个网络而言
路由算法
静态路由算法/非适应路由算法
手动配置
动态路由算法/自适应路由算法
核心思想
相邻路由器之间彼此交换信息
距离-向量路由算法
定期发送自己的路由表,仅与自己的邻居交谈。eg:RIP
缺点
更新代价与通信子网结点个数成正比
链路状态路由算法
可能遇到路由环路问题
网络变化时,洪泛法发送相邻结点的信息,广播向所有结点。eg:OSPF
优点
每个路由结点使用同样的原始状态数据独立地计算路径,而不依赖中间结点的计算
链路状态报文不加改变地传播,易于查找故障
在本地计算出正确地通路,保证一步汇聚
由于链路状态报文只包含自己相连结点,所以报文大小与网络中路由结点个数无关
层次路由
网络规模太大时,路由表太大时得CPU消耗太多时间去扫描路由表,因此路由选择必须按照层次的方式进行;因特网将互联网划分为较小的自治系统(AS)
内部网关协议(IGP)
自治系统内部使用的路由选择协议
eg:RIP、OSPF
外部网关协议(EGP)
自治系统之间
eg:BGP
路由协议
路由信息协议RIP
路由表项{目的网络,距离d(跳数最多允许15跳),下一跳路由器地址}; 等于16时表示不可达
应用层协议,使用UDP传送数据
选择的路径不一定时间最短,但一定经过路由器最少
定期发送自己的路由表,仅与自己的邻居交谈
缺点
限制了网络的规模,使用的最大距离为15
交换的是路由器之间的路由表,网络规模越大,开销越大
"坏消息传得慢",网路出现故障时,需要较长时间才能将此信息传到所有路由器
开放最短路径优先OSPF
网络层协议,直接使用IP数据报传送
网络变化时,洪泛法发送相邻结点的信息,广播向所有结点
虽然路由器知道整个网络的拓扑的结构,但路由表中只存储下一跳,到了下一个路由器才知道下一跳怎样走
特点
可以设置不同的代价(距离),灵活
多路径间的负载平衡:如果多条路径代价相同,可以将通信量分配给这几条路径
具有鉴别功能,仅在可信赖的路由器中交换信息
支持可变长度的子网划分和CIDR
每个链路状态上都带上一个32位序号,序号越大,状态就越新
边界网关协议BGP
力求寻找一条到达目的网络且比较好的路由,并非寻找最佳路由
基于TCP,BGP报文是TCP报文的数据部分
工作原理
每个自治系统的管理员选择至少一个路由器作为该自治系统的"BGP发言人"。相邻发言人之间彼此交换信息,先建立TCP连接-交换BGP报文建立BGP会话-利用会话交换路由信息
BGP发言人出了运行BGP外,还要运行该AS所用的内部网关协议
特点
路由信息的结点数量级是AS的数量级
支持CIDR,路由表包括目的网络前缀,下一跳路由器,以及所要经过的AS序列
刚运行时交换整个路由表,后续只需变化时更新变化的部分
比较
网络层设备
冲突域
冲突域是指连接到同一物理介质上的所有结点的集合,这些结点之间存在介质争用的现象。在OSI 参考模型中,冲突域被视为第1层概念,像集线器、中继器等简单无脑复制转发信号的第1层设备所连接的结点都属于同一个冲突域,也就是说它们不能划分冲突域。而第2层(网桥、交换机)、第了层(路由器)设备都可以划分冲突域。
广播域
广播域是指接收同样广播消息的结点集合。也就是说,在该集合中的任何一个结点发送一个广播帧,其他能收到这个帧的结点都被认为是该广播域的一部分。在OSI 参考模型中,广播域被视为第 2 层概念,像第1层(集线器等)、第2层(交换机等)设备所连接的结点都属于同一个广播域。而路由器,作为第3层设备,则可以划分广播域,即可以连接不同的广播域。 通常所说的局域网 (LAN)特指使用路由器分割的网络,也就是广播域
路由器
组成
功能
转发表与路由表
转发表是从路由表得出的,其表项和路由表有直接的对应关系。但转发表格式和路由表的格式不同,其结构应使查找过程最优化
转发表可以用软件实现,也可以用特殊的硬件实现;路由表总使用软件实现
转发与路由选择的区别
移动IP
概念
支持移动性的因特网体系结构与协议共称为移动IP。移动结点以固定的网络IP地址实现跨越不同网段的漫游功能,使用移动IP,一个结点可以在不改变其IP地址的情况下改变其驻留位置
功能实体
移动结点
本地代理/归属代理
外部代理
区别移动自组网络
移动IP的核心网络功能仍然时基于固定互联网中一直使用的各种路由选择协议
移动自组网路是将移动性扩展到无线领域的自治系统,有自己独特的路由选择协议并且可以不和因特网相连
通信过程
IP组播
概念
让源计算机一次发送的单个分组可以抵达用一个组地址标识的若干目标主机
仅应用于UDP
组播组
每个组都有一个特别分配的地址,要给该组发送的计算机将使用这个地址作为分组的目标地址。IPv4中在D类地址空间中分配;IPv6中也有一部分保留使用
主机使用因特网组管理协议IGMP加入组播组
因特网组管理协议IGMP
IPv6
IPv6地址
32位(4B)增加到128位(16B)
表示方法
eg:4B5F:0000:0000:0000:BA5F:093A:0000:2176; 4B5F::BA5F:93A:0:2176
至多有一个::
至少有一个值域0000->0
IPv4是点分十进制法
特点
从根本上解决IP地址耗尽的问题
灵活的首部格式,首部长度不可变
首部长度必须是8B的整数倍,IPv4是4B的整数倍
只有包的源节点允许分片,路由器不能分片
简化了IP分组头,只有8个域;IPv4有12个
IPv4
IPv4分组
版本:指IP协议的版本,目前广泛的是4
首部长度:以32位(4B)为单位,一般为20B(5),最大值为60B(15)
总长度:占16位,指首部与数据长度之和,单位为字节(1B),最大长度为2^16-1=65535B;以太网帧的最大长度传送单元(MTU)为1500B,IP数据报封装成帧时,一定不能超过MTU,超过1480字节后就会被分片(以太帧MTU为1500的情况下,除去20字节的包头)
标识:占16位,是一个计数器,但不是序号,因为IP是无连接服务,只是用来重装分隔的数据报
标志:占3位,最低为MF,MF=1表示后面还有分片,MF=0表示这是最后一个分片;中间位DF为0时,才允许分片
片位移:占13位,以8B为偏移单位,所以除最后一个分片外,每个分片一定要是8B的整数倍
生存时间(TTL):占8位,可通过路由器的最大值,路由器转发分组前,都会减1
协议:上交给上层的哪个协议
首部校验和:只校验分组首部
源地址、目的地址
IP地址
IP数据报分片
IPv4地址与NAT
IPv4地址
A中-2是因为网络字段号全为0表示本网络,网络号127的IP地址为环回自检地址
主机号全为0表示本网络本身
主机号全为1表示本网络的广播地址
32位全为零,表示本主机
32位全为1,表示整个TCP/IP网络的广播地址,又称受限广播地址 实际使用时,由于路由器对广播域的隔离,等效为本网络的广播地址
特点
1.IP地址由网络号和主机号构成。管理机构只分配网络号;路由器也只存网络号
2.IP地址标志一台主机(或路由器)和一条链路的接口;当一台主机连接到两个不同的网络时,必须有两个IP地址;因此路由器至少应具有两个IP地址,每个端口一个
3.用转发器或桥接器(网桥等)连接的LAN属于同一个网络
4.分配网络号的网络,无论是LAN还是WAN都是平等的
NAT网络地址转换
概念
将专用网络地址转换为公用地址,从而对外隐藏内部管理的IP地址。可以使整个专用网只需要一个全球IP地址就可以与因特网联通,专用网本地IP地址可重用,NAT节省了IP地址的消耗,也隐藏了内部网络结构,降低了被网络攻击的风险
私有IP地址网段
、
NAT转换表
{本地IP,端口}到{全球IP,端口}的映射
工作原理
子网划分与子网掩码、CIDR
子网划分
概念
将IP地址中的主机号进一步划分为子网号+主机号,使两级IP地址变成三级IP地址
注意点
只是划分主机号,从一个IP地址本身无法判断是否进行了子网划分
分类的IPv4地址划分子网时,子网号不支持全1或全0; CIDR支持全1或全0,但具体看路由器的路由选择软件是否支持
子网中主机号全0和全1仍不能被指派
子网掩码
A、B、C类地址默认255.0.0.0、255.255.0.0、255.255.255.0
IP地址按位相与得到网络号
主机必须设置,路由器中也必须存储每个网络的地址的子网掩码
无分类域间路由选择CIDR
概念
IP::={网络前缀,主机号} IP地址/网络前缀所占比特数
路由聚合/构成超网
最佳前缀匹配
从路由表的匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由
转发分组过程
得到下一跳路由器的IP地址后,并不是直接将该地址填入待发送的数据报,而是通过ARP转换为MAC地址。将此MAC地址放到MAC帧首部,然后根据这个MAC地址找到下一跳路由器
ARP、DHCP与ICMP
IP地址与硬件地址
IP分组通过多次转发到目标网络后,改为在目标LAN中通过数据链路层的MAC地址以广播方式寻址
路由器由于互联多个网路,不仅要有多个IP地址,也有多个硬件地址
地址解析协议ARP
ARP请求分组是广播;ARP响应分组是单播
动态主机配置协议DHCP
基于UDP的应用层协议
给主机动态地分配IP地址,允许一台计算机加入新的网络和自动获取IP地址
网际控制报文协议ICMP
目的
提高IP数据报交付成功的机会
种类
ICMP差错报告报文
用于目标主机或到目标主机路径上的路由器向源主机报告差错和异常情况
ICMP询问报文
回送请求和回答报文
时间戳请求和回答报文
地址掩码请求和回答报文
路由器询问和通知报文
应用
PING
工作在应用层,直接使用网络层的ICMP,未使用传输层
Tracert
工作在网络层