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计算机网络第4章：网络层
计算机网络谢希仁第7版第4章：网络层思维导图。
编辑于2020-09-17 08:36:21- 相似推荐
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第4层 网络层
4.1 网络层向上层提供的两种服务
服务的焦点在于：在计算机通信中，可靠的交互服务由谁负责，网络还是端系统呢？
虚电路服务：可靠服务由网络负责
数据报服务：可靠通信由用户主机保证
数据报服务（最终的选择）
其特点
1、向上提供简单灵活、无连接的、最大努力交付的数据报服务
2、发送前不需要建立连接，每个分组直接独立发送，不提供服务质量保证
3、所传送的分组可能出错、丢失或重复等
4、由于这种不需要可靠的传输服务，路由器就比较简单
5、可靠的服务由用户主机保证，即差错处理和流量控制交给主机负责
4.2 网际协议IP
引言
IP协议的配置协议
地址解析协议ARP
位置：处于IP协议的下方与各种网络接口沟通
网际控制报文协议ICMP
位置：处于IP协议的上方与网络层沟通
网际组管理协议IGMP
位置：处于IP协议的上方与网络层沟通
1、虚拟互连网络
问题:如何将不同的网络连接起来呢？
解决办法：使用中间设备
物理层上：转发器
数据链路层上：网桥或交换机
网络层：路由器
网络层之上：网关
关联：转发器与网桥、交换机本质上只是将网络扩大，而真正的连接不同网络是依靠路由器和网关，由于历史原因，将路由器也称为网关
虚拟互连网络internet
概念：指逻辑上的互连网络
虚拟的由来：首先在实际上所有网络是具有异构的，只是使用路由器和IP地址将这些网络连接政委一个整体的网络，使得在网络层上看见的是一个统一的网络，因此称为虚拟网
别名：IP网
2、分类的IP地址
IP地址
位数：32位即4字节
作用：一个IP地址在一个互联网是唯一的
编制方法阶段：分类的IP地址，子网划分，构成超网
组成：网络号+主机号
表示方法：点分十进制，即每8位化为一个十进制
分类的IP地址
A类：1字节网络号，起始为0，3字节主机号
第一个可指派的网络地址：1.0.0.0
网络号减去2的原因
0000 0000是一个保留地址，即本网络
0111 1111是一个本地软件用于测试的环回地址，即127
主机号减2原因
全0的主机号字段表示单个网络地址
全1的主机号字段表示所有主机
B类：2字节网络号，起始为10，2字节主机号
第一个可指派的网络地址：128.1.0.0
网络号减去1的原因
128.0.0.0是不指派的
主机号减2原因
全0的主机号字段表示单个网络地址
全1的主机号字段表示所有主机
C类：3字节网络号，起始为110，1字节主机号
第一个可指派的网络地址：192.0.1.0
网络号减去1的原因
192.0.0.0是不指派的
主机号减2原因
全0的主机号字段表示单个网络地址
全1的主机号字段表示所有主机
全1主机号用于多播，全0主机号用于表示网络地址
D类：起始1110，后面28位多播地址
E类：起始1111，后面28位保留今后使用
IP地址的特点与IP地址观察
1、IP地址由主机号与网络号组成，一种分等级的地址结构
2、路由器仅处理网络号来进行分组转发，路由器的每个接口都有不同的IP地址，每个路由器至少有两个不同的IP地址接口接入
3、IP地址是一个标识一台主机与链路的接口
4、用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍然为同一个网络号
5、所有的IP地址是公平
3、IP地址与硬件地址
区别
封装位置上
IP地址封装在IP数据报的首部
硬件地址封装在数据链路层的MAC帧的首部
使用层次上
网络地址及其以上都是使用IP地址
数据链路层与物理层都是使用硬件地址
观察在转发过程中的地址变化
变化情况
IP地址：源和目的IP地址在路由器的IP层的IP数据包转发之间不会发生变化
硬件地址：MAC帧在进入路由器的数据链路层会剥离源和目的硬件地址，转发出去时替换为后面的硬件地址，发生了变化
总结
路由器在转发时，只根据目的站IP地址的网络号进行转发
在局域网的链路层只能看见MAC帧
在IP以上的抽象层都只能看见IP数据报
4、地址解析协议ARP
问题：已经知道一个主机或者路由器的IP地址，如何确定其硬件地址
办法：使用地址解析协议
作用：从网络层使用的IP地址，解析出数据链路层使用的硬件地址
解决要点
1、在主机ARP的cache上存放一个IP地址到硬件地址的映射表
2、映射表可以自动更新，因此增加了生存时间，超过生存时间就将对应映射删除掉，重新更新
3、观察
3.1 发送：我方通过广播出本身硬件地址，以及对方的IP地址
3.2 接受：对方符合IP地址，就将其IP地址单播发送给我方
4、只能在局域网中使用ARP
新问题：既然在网络链路上传送的实际上时硬件地址，为什么还要使用IP地址
答案：硬件地址的转换工作十分复杂，由用户完成几乎不可能，但是通过IP地址编码，这种IP地址映射到硬件地址的方式，就可以交给计算机软件自动进行了
5、IP数据报的格式
首部（无尾部）
固定部分20字节
版本
位数：4
目的：确定IP协议的版本，IPv4还是IPv6
首部长度
位数：4
单位：32位即8字节
目的：表示首部的长度，至少位20字节
该字段min与max：0x0101（代表20字节）、0x1111（代表60字节）
区分服务：8位
总长度
位数：16
意义：指首部和数据之和的长度
标识
位数：16
目的：该标识并不是序号，而是用来在分片时保证IP数据报和其分片都是同一标识，就证明它们同一数据，以及不同的标识数代表不同的数据报
标志
位数：3
目的：最高位MF代表是否还有分片，中位MF代表是否不能分片
片偏移量
位数：13
目的：单位为8字节，目的在于帮助IP数据报分片时的确定偏移位置
生存时间
位数：8
目的：表示数据报的寿命，现在常用跳数TTL来表示，当该数据报经过一次路由器转发，就会TTL减一
协议
占8位，表示数据部分使用的协议
首部检验和
位数：16
方法：首部数据分为16位做反码算数求和，发送前后做比较
源IP地址、目的IP地址各占32位
可变部分
可选字段
填充字段
6、IP层转发分组的流程
重点：路由表格式
（目的Ip网络地址，下一跳IP目的地址）
分组转发流程
1、在网络层上：路由器根据IP数据报的目的IP地址中的网络号，对照自身的路由表，找到下一跳IP地址，这个过程的结果可能是直接交付到了主机上，也可能是间接交付到下一个路由器，继续查找下一跳IP地址，这是用户所看到的抽象层
2、在数据链路层、物理层上：路由器虽然找到了下一跳IP地址，但是在IP数据报中源、目的IP地址是不能变化的，此时就通过ARP协议，根据下一跳IP地址映射到对应的物理地址，然后在数据链路层上将这个物理地址封装在MAC帧首部，最后实际上利用这个物理地址去寻找下一跳，但是对于用户来说，这层是隐蔽的。
路由表的特殊项目
直接交付一般被表示为0.0.0.0
默认路由，是查找不IP网络号后，就使用默认路由，一般在路由表最后
特定主机路由，用于特殊工种的主机需要快速被查找到，因此会在路由表前面
4.3 划分子网与构造超网
1、划分子网
问题：早期的二级分类IP地址利用率低，路由表过大，不够灵活
方法：使用划分子网，增加一个子网号字段
要点：
1、划分子网交给单位内部自行处理
2、对单位内部表现位三级IP地址，对外实际还是二级IP地址
3、新划分的子网号字段从主机号前借用若干位
4、三级IP地址::={<网络号><子网号><主机号>}
5、划分子网不会改变原来的网络号，毕竟对外还是要保持原来的网络号
新支持：子网掩码
问题：如果划分了子网，怎么判断有关划分子网的信息呢
办法：使用子网掩码
形式上：32位，前面位连续的1，其位数与网络号加上子网号的位数
作用：通过与IP地址做与运算能够清楚的表示出网络地址
新问题：我不划分子网，是否需要子网掩码呢
答案：需要，互联网标准中规定，即使不划分子网，也有默认子网掩码的存在即255.0.0.0这些
2、使用子网时分组的转发
问题：既然采用了子网掩码，该如何查找路由表呢/
方法：对路由表格式进行更改，并修改路由表算法流程
内容更改：添加上子网掩码即可
算法上：IP数据报上的目的IP地址必须与子网掩码做与运算之后，再去和相应的IP目的地址作比较，匹配则转发
3、无分类编址CIDR（构造超网）
问题：B类地址分配过半，路由表项目急剧增加，IPv4地址空间最终可能消耗完
方法：提出变长子网掩码VLSM与无分类编址CIDR
要点
1、消除传统的ABC分类以及划分子网的该来，因此称为无分类编址
2、构造上：采用二级IP地址，但是内容上有改变IP地址::=<网络前缀>,<主机号>
3、记法上，在原来的点分十进制后加上/n，n表示网络前缀的位数
4、相同的网络前缀的IP地址块被曾为CIDR块
5、子网掩码继续沿用
6、仍然能够划分子网
构造超网的由来
由于这种CIDR编址后地址数量是原来C类的2的n次方倍，故称为超网
好处
1、提供了路由聚合。不像原来的分类地址，有多个网络号。而是直接可是使用CIDR块作为一个查找网络
问题2：在采用CIDR后，路由表项目也发生变化，包括网络前缀号、下一跳地址，子网掩码，但是有可能得到不止一个匹配结果
方法2：采用最长前缀匹配
目的：最长前缀匹配，保证其地址快更小，更容易查找
问题3：由于寻找最长前缀，算法更加麻烦了该使用什么数据结构和算法
方法：二叉线索树查找路由表，二叉线索树存储IP地址的唯一前缀
4.4 网际控制报文协议ICMP
作用：允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告
ICMP协议是一个标准协议，ICMP报文存储在IP数据报的数据部分
ICMP报文格式
类型字段：指明ICMP报文种类以及该种类下的类型
差错报告报文
3：终点不可达-无法到达目的IP地址
11：时间超过：生存时间为0
12：参数问题：首部的参数有问题
5：改变路由：更加优化的路由路径
询问报文
8或0：回送请求或回答-可用于询问是否准备好联机等
13或14：时间请求或回答—可用于双方时间同步
代码字段:为了进一步区分某种类型下的几种不同情况
检验和字段：用于检验ICMP报文的首部，并不检验数据部分
ICMP报文内容字段：取决于ICMP报文类型
数据字段
4.5 互联网的路由选择协议
1、有关路由选择协议的几个基本概念
路由选择协议
作用：确定路由表的路由时如何得到的
核心：路由算法
互联网目前的路由选择协议主要是自适应、分布式、分层次的路由选择协议
自适应
概念：指能够动态的调整路由表，适应网络状态的变化
分层次
概念：将整个互联网划分为多个小的自治系统AS
分布式
概念：路由器的是分布的，需要不断交换信息
自治系统
概念：在单一技术管理下的一组路由器，即这个自治区域的使用相同的如有需拿着协议和共同的度量
根据自治系统通信将路由选择协议分类
内部网关协议IGP
概念：在一个AS中内部使用的路由选择协议（域内路由选择）
常用由RIP，OSPF协议
外部网关协议EGP
概念：在AS之间通信的路由选择协议（域间路由选择）
常用由BGP协议
2、内部网关协议RIP
概念：一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，其度量就是距离向量
度量标准：距离向量也就是跳数
规定1：当跳数到达16时，表示不可达
规定2：每经过一个路由器，跳数就+1
协议关键：信息交换
1、交换对象：邻近的路由器
2、交换信息：即本路由器的路由表
3、交换时间：按一定时间间隔交换
协议的结果：不断地定时更新，最后就能够得到每个路由器到目的网络地最短路径
协议核心：距离向量算法
流程
1、将Y路由器接受的RIP报文的距离字段都加1，下一跳地址改为发送路由器的地址X
2、将RIP上的网络号与Y上路由表的网络号做相同的对比
没有此网络号：直接更新到路由表上
有相同的网络号
但对应的下一跳地址不一样，比较距离，距离小就更新
下一跳地址是一样，直接更新
观察结果
1、RIP路由表的有目的网路，距离，下一跳地址
2、下一跳必然为相邻的路由器
RIP报文
重要！！RIP协议使用运输层的用户数据报UDP进行传送
UDP首部
RIP报文
首部：命名，版本，补齐段
路由部分（交换信息）
地址族标识符、路由标记、网络地址、子网掩码、下一跳、距离
优缺点
优点
实现简单、开销小
缺点
好信息传播快，坏消息传播慢
3、内部网关协议OSPF
概念：一种分布式的基于链路状态的路由选择协议
度量标准：链路状态
规定1：包括与哪些链路相邻，以及该链路的度量（代价）
规定2：每经过一个路由器，跳数就+1
协议关键：信息交换
1、交换对象：所有的路由器
2、交换信息：与本路由器相邻的路由器的链路状态
3、交换时间：只要链路状态发生变化，路由器才向所有路由器洪范法发送消息
协议的结果：所有路由器最终都能建立一个链路状态数据库，及全网的拓扑结构图
OSPF报文
重要！！OSPF协议字用IP层的IP数据报进行传送
IP数据报首部
OSPF分组
OSPF分组首部：版本，类型，分组长度，路由器标识符，区域标识符，检验和，鉴别类型，鉴别
类型1到5的OSPF分组
类型1：问候分组，发现和维持相邻站的可达性
作用：确认可达性
类型2，3，4，5：链路状态描述、请求、更新、确认
作用：保证链路状态的同步，即达到一致
优缺点
优点
更新收敛速度快
缺点
复杂
4、外部网关协议BGP
概念:基于路径向量的路由选择协议
信息：路径向量，即该自治区域的网络到达信息
协议关键：信息交换
1、交换对象：相邻的BGP发言人
2、交换信息：我方BGP发言人所在区域的拥有的可到达网络，即网络可达信息
3、交换时间：
协议结果：得到一个自治系统间的连通图，掌握每个自治系统拥有的可到达网络信息，依此找到一条可到达网络的路径
BGP报文
BGP协议必须在建立TCP上交换BGp报文以建立BGP会话
TCP首部
BGP报文
5、路由器的构成
任务：转发分组
路由选择部分
任务：构造并未都路由表，经常或定期地与相邻路由器交换路由信息，以此维护路由表
主要构件：路由选择处理机
分组转发
任务：根据转发表，对分组进行处理，将某个输入端地分组从一个输出端口转发出去
主要构件：交换结构
区分转发与路由表
4.6 IPV6
1、IPv6的格式
IPv6引入的变化：地址空间变大（128位）、首部格式可扩展、首部改为8字节对齐、资源预分配、可添加选项
IPv6数据报
基本首部40字节：版本、通信量类、流标号、有效载荷长度、下一个首部、条数限制、原目的地址、目的地址
有效载荷：用于扩展首部
包括逐条选项、路由选择、分片、鉴别等等
2、IPv6的地址
地址大小：128位
表示方法：冒号十六进制记法
即每个16位用十六进制表示，各值之间用冒号隔开
零压缩：可以将对应的多余0压缩掉
IPv6地址的划分
特殊地址
全0，表示未指明地址
::1/128环回地址
FF::/8多播地址
普通地址
可以划分为二级IP地址、三级IP地址
3、从IPv4到IPv6的过渡
要求：IPv6必须兼容IPv4以此过度演变的IPv6上
过渡策略
双协议栈
概念：主机或路由器同时拥有IPv4/IPv6的协议栈
问题1：通信时如何确定使用IPv6还是IPv4
办法：使用域名系统，如果双方都有IPv6就可以使用IPv6
问题2：如何使用IPv6数据报时传递给只有IPv4的主机或路由器
方法：首部格式转换
缺点：容易造成信息确实，无法复原
隧道技术（借用了双协议栈的方法）
问题：双协议栈中首部格式转换后容易出现信息缺失
方法:使用隧道技术，将IPv6整体数据作为IPv4数据报的数据部分传送过去
关键：在IPv4的首部格式中指明协议字段为41
4、ICMPv6
就是ICMP的升级版，并且融合ARP、IGMP协议
4.7 IP多播
1、IP多播的基本概念
概念：互联网上进行多播，一个多播组里有多个多播成员，想该多播组发送数据，所有成员都可以接受到
问题：如何确定这个数据报是多播数据报呢？
方法：其实多播组的标识符就是D类地址，只要目的IP地址的前四位是1110，那这就是个IP数据报
显然：一个D类IP地址就是一个多播组，而且也是尽最大努力交付，不保证数据的正确性，而且只能用于目的地址
2、在局域网上进行硬件多播
3、IP多播需要两种协议
阶段一：在本地范围管理单个多播组使用网络管理协议IGMP
作用：管理连接到本地局域网上的多播路由器，确定多播组，确定多播组的成员信息
管理器件：多播路由器
阶段二：局域网上的多播路由器连接到互联网上使用多播路由选择协议
作用：将多个多播路由器在互联网上进行协同工作
难点：
1、必须动态适应多播祝愿的变化
2、多播数据报可以由没有加入多播组的或没有组成员的发起
3、考虑多播数据报的源与目的
导致没有统一的标准
4.8 虚拟专用VPN和网络地址转换NAT
1、虚拟专用网VPN
问题1：随着IP地址的稀缺，同时考虑到一些机构并不需要将所有的主机都链接到互联网上，只需要内部能够通信即可
提出了专用网概念
专用网
概念：专门用于在本机构内部进行通信的IP地址
问题2：如果任意选择IP地址得话，很可能导致有需要和外接互联网连接时就出现IP地址重复冲突
方法：提出专用网的专用IP地址
原因：任何机构都可以使用专用IP地址，要是两个机构都使用相同IP地址并通信到互联网，还是会碰撞
因此规定：专用IP地址只能够用于内部机构，不能用于主机上的通信
问题3：如何让本机构各个分部较远的专用网IP地址之间通过互联网来进行通信呢？
方法：提出了VPN
关键：首先将内部数据进行加密后，通过互联网上的IP隧道技术，传送数据
逻辑上：由于通信双方虽然通过互联网进行了通信，但实际上感觉不到，还以为是在专用网中通信，因此称为虚拟专用网VPN
2、网络地址转换NAT
问题：本机构现在想和外界的主机通信，但是外界的主机并不是专用网上的主机？
办法：在路由器上安装NAT软件，即网络地址转换NAT
关键：NAT转换表+路由器连接互联网的接口，使用的是非专网的IP地址
过程：将专网主机发送的IP数据报内的源地址转换为路由器的互联网接口处的IP地址，然后记录在NAT转换表上，路由器接受到外界主机发送过来的数据报时，使用NAT转换表，查找对应的专网IP地址
从过程中可以看出
发起方只能是专网IP地址
外界主机不知道其专网IP地址
有多少个来了解互联网的几口，就可以有多少个对外连接的专网主机
4.9 多协议标记交换MPLS
1、MPLS的工作原理
概念：多协议表示MPLS的上层采用了多种协议，标记交换指在LSR上进行标记的更换
基础：使用面向连接的技术，给每个分组携带了一个标记，当分组到达标记交换路由器，就要负责交换标记并且转发
优点：增强IP的转发速度，支持面向连接的服务质量，支持流量工程，有效支持虚拟专用网
基本工作过程：
1、在MPLS域的入口结点处给IP数据报打上标记
2、LSR路由器根据转发表来找到特定标记相对应的路径，然后转发出去
3、LSR只做两件事：转发与标记对换
特点：
1、标记是固定长度大小的首部
2、标记在第二层的运输层上进行分类，用硬件转发
2、MPLS的首部的位置与格式