计算机网络——网络层

小猪皮皮呆
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4.1 网络层概述

网络层的主要功能就是把分组从源端传送到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

网络层的功能如下：

  1. 路由选择和分组转发
  2. 异构网络的互联（路由器）
  3. 拥塞控制

4.1.1 数据交换方式

  1. 各个层次的传输单元

    • 应用层：报文
    • 传输层：报文段
    • 网络层：IP数据报，分组
    • 数据链路层：帧
    • 物理层：比特

  2. 为什么数据交换？

    参见第一章的电路交换和分组交换的比较。

  3. 电路交换

    两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。

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    N 部电话机两两相连，需 N(N – 1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。

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    电路交换的特点：

    • 电路交换必定是面向连接的。
    • 独占资源

    电路交换的三个阶段：

    • 建立连接
    • 通信
    • 释放连接

    电路交换的优点：

    • 时延小
    • 有序传输
    • 无冲突
    • 实时性强

    电路交换缺点：

    • 建立连接时间长
    • 这导致通信线路的利用率很低。
    • 灵活性差
    • 无纠错能力

  4. 报文交换

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  5. 分组交换

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    分组交换有两种方式

    • 数据报方式：为网络层提供无连接服务。

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      • 无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同。

    • 虚电路方式：为网络层提供连接服务。

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      • 连接服务：首先为分组的传输确定路径（建立连接），然后沿着该路径传输分组，分组传输的路径相同，传输结束后拆除连接。

    • 数据报和虚电路方式比较：

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  6. 三种方式比较

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4.2 路由算法和路由协议

  1. 分类

    • 静态路由算法（非自适应路由算法）：管理员手工配置路由信息
    • 动态路由算法（自适应路由算法）：路由器之间彼此交换信息，按照路由算法优化出最佳路由表
      • 全局性：链路状态路由算法 OSPF，所有的路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息
      • 分散性：距离向量路由算法 RIP，路由器只掌握物理相连的邻居以及链路费用

  2. 分层次的路由选择协议

    原因：

    • 因特网的规模太大
    • 很多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但是想接入因特网

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4.2.1 RIP协议与距离向量算法

RIP协议是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大的优点是简单。

RIP协议要求网络中的每一个路由器都维护一个从他自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离。

  1. RIP协议和谁交换？多久交换一次？交换什么？

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  2. 距离向量算法

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习题：

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  1. RIP报文格式

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  2. 慢收敛：好消息传得快、坏消息传的慢

4.2.2 OSPF协议与链路状态算法

OSPF协议——开放最短优先协议。开放是指OSPF协议不受某一家厂商控制，而是公开发表的。最短优先是指使用了迪杰斯特拉的最短路径算法SPF。

OSPF协议的特点：

  • 广播：每个路由器都向所有相邻的路由器发送信息。
  • 传输的信息是相邻所有路由器的链路状态。
  • 只有链路状态发送改变的时候才会发送信息。

  1. 链路状态路由算法

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  2. OSPF区域

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  3. OSPF分组

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4.2.3 BGP协议

BFP协议是针对各个AS区域之间路由转发的协议。

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4.2.4 三种路由选择协议比较

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4.3 IP协议

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4.3.1 IP数据报格式

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  • 版本：IPv4、IPv6
  • 首部长度：单位是4B，最小是5
  • 区分服务：期望获得哪种服务
  • 总长度：首部+数据，单位是1B
  • 标识、标志、片偏移：IP数据包分片
  • 生存时间（TTL）：IP分组保质期，经过路由器-1，变成0则丢弃
  • 协议：数据部分的协议。
    • TCP：6
    • UDP：17
  • 首部检验和：只检验首部
  • 源地址
  • 目的地址
  • 可选部分：一般不选

4.3.2 IP数据报分片

  1. 最大传输单元MTU

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  2. IP数据报

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    • 总长度的单位是1B
    • 片偏移的单位是8B
    • 首部的长度单位是4B

口诀：一（总长度）种八片（片偏移）的首饰（首部长度）

例题：

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4.3.2 IPv4地址

IP地址的历史阶段

  • 分类的IP地址
  • 子网的划分
  • 构成超网（无分类编址方式）

  1. 分类的IP地址

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    • 三个局域网（橘黄色），同一个局域网的IP地址的网络号相同
      • LAN1:222.1.3.0
      • LAN2:222.1.1.0
      • LAN3:222.1.2.0
    • 三个路由器，路由器的每个接口都对应了一个IP地址

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ABCDE类IP地址

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特殊的IP地址

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私有IP地址

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4.3.3 网络地址转换NAT

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4.3.4 子网划分和子网掩码

分类的IP地址的弱点：IP地址空间的利用率低

  1. 子网划分

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  2. 子网掩码

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  3. 使用子网时分组的转发

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4.3.5 无分类编址 CIDR

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  1. 构成超网

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  2. 最长前缀匹配

    使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果，应该选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。

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习题：

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IP地址192.168.5.0/24：网络号是前24位

子网掩码255.255.255.248：248 => 11111000，子网号是25～29位，主机号是后三位

因此，答案是A

4.3.6 ARP协议

  1. 发送数据的过程

    情况一：属于同一个局域网

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    • 报文进行划分形成报文段
    • 报文段添加上IP地址形成分组
    • 分组添加MAC地址形成帧
      • 若不知道目的IP地址的MAC地址，则会发送一个广播信息，传输到该局域网的所有IP地址
      • 若目的IP地址存在于该局域网，则会返回自己的MAC地址给源IP地址
      • 源目标IP地址接收到目标IP地址的MAC地址
    • 帧转换成比特流进行传输

    情况二：不属于同一个局域网

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    • 报文进行划分形成报文段
    • 报文段添加上IP地址形成分组
    • 分组添加MAC地址形成帧
      • 源IP地址和目的IP地址相与发现不是一个网段，则询问自己的默认网关的MAC地址
    • 帧转换成比特流进行传输

  2. ARP协议

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4.3.7 DHCP协议

  1. 主机如何获取IP地址？

    • 静态配置
      • IP地址
      • 子网掩码
      • 默认网关
    • 动态配置

  2. DHCP协议

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4.3.8 ICMP协议

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  1. ICMP差错报告报文（5种）

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  2. ICMP差错报告报文数据字段

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  3. 不发送ICMP差错报告报文的情况

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  4. ICMP询问报文

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  5. ICMP的应用

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4.4 IPv6

  • 解决32位IPv4地址空间分配殆尽的问题
  • 改进首部格式

  1. IPv6数据格式

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  2. IPv6和IPv4

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  3. IPv6地址的表示形式

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  4. IPv6基本地址类型

    • 单播：一对一通信，可以做源地址和目的地址
    • 多播：一对多通信，可以做目的地址
    • 任播：一对多钟的一个通信，可以做目的地址

  5. IPv4向IPv6过度的策略

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4.5 IP数据报的传输方式

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  1. IP组播地址

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4.6 移动IP

  1. 相关术语

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  2. 移动IP通信过程

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4.7 网络层设备

  1. 路由器

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  1. 输入端口对线路上收到的分组的处理

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  1. 输出端口将交换结构传送来的分组发送到的线路

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  1. 三层设备的区别

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  1. 路由表和路由转发

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