计算机网络-网络层

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网络层

主要任务是把分组从源端传到目的端,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。

功能一:路由选择与分组转发

功能二:异构网络互联

功能三:拥塞控制

路由算法

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

简便、可靠,在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果很好,广泛用于高度安全性的军事网络和较小的商业网络。

路由更新慢,不适用大型网络

动态路由算法(自适应路由算法)

路由器间彼此交换信息,按照路由算法优化出路由表项。

路由更新快,适用大型网络,及时响应链路费用或网络拓扑变化。

算法复杂,增加网络负担。

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分层次的路由选择协议

因特网将整个互联网划分为许多较小的自治系统

自治系统AS:在单一的技术管理下的一组路由器,而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由,同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖,一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。

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IP数据报格式

TCP/IP协议栈

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数据报分片

一个链路层数据报能承担的最大数据量称为最大传送单元(MTU)

以太网的MTU是1500字节

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错了最后一个分片,每个分片长度一定是8B的整数倍。

IPv4

IP地址:全世界唯一的32位/4字节标识符 ,标识路由器主机的接口。

IP地址::={<网络号><主机号>}

分类的IP地址

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特殊IP地址

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私有IP地址

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分类的IP地址

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网络地址转换NAT

在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件,安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器,它至少有一个有效的外部全球IP地址。

子网划分和子网掩码

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子网掩码

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无分类编址CIDR

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构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网,叫做构成超网,或路由聚合。

方法:将网络前缀缩短(所有网络地址取交集)

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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(跟网络掩码按位相与),应选择具有最长网络前缀的路由。

前缀越长,地址块越长,路由越具体。

ARP协议

ARP高速缓存(IP地址与MAC地址的映射)

由于在实际网络的链路上传送数据帧时,最终必须使用MAC地址

ARP协议:完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。解决下一跳走哪的问题。

ARP协议使用过程:

检查ARP高速缓存,有对应表项则写入MAC帧,没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组,同一局域网中所有主机都都收到该请求。目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP响应分组,源主机收到后将此映射写入ARP缓存(10-20min更新一次)

ARP协议4种典型情况:

  1. 主机A发给本网络上的主机B:用ARP找到主机B的硬件地址
  2. 主机A发给另一网络上的主机B:用ARP找到本网络上一个路由器(网关)的硬件地址
  3. 路由器发给本网络的主机A:用ARP找到主机A的硬件地址
  4. 路由器发给另一网络的主机B:用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址

DHCP协议

动态主机配置协议DHCP是应用层协议,使用客户/服务器方式,客户端和服务端通过广播方式进行交互,基于UDP。

DHCP提供即插即用联网的机制,主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址,允许地址重用,支持移动用户加入网络,支持在用地址续租。

  1. 主机广播DHCP发现报文
  2. DHCP服务器广播DHCP提供报文
  3. 主机广播DHCP请求报文
  4. DHCP服务器广播DHCP确认报文

ICMP协议

网际控制报文协议ICMP

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ICMP差错报告报文(5种)

  1. 终点不可达:当路由器或主机不能交付数据报时就向源点发送终点不可达报文。(无法交付)
  2. 源点抑制:当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时,就向源点发送源点抑制报文,使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。(拥塞丢数据)
  3. 时间超过:当路由器收到生存时间TTL=0的数据报时,除丢弃该数据报外,还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时,就把已收到的数据报片都丢弃,并向源点发送时间超过报文。(TTL=0)
  4. 参数问题:当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时,就丢弃该数据报,并向源点发送参数问题报文。(首部字段有问题)
  5. 改变路由(重定向):路由器把改变路由报文发送给主机,让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器(可通过更好的路由)

不应发送ICMP差错报文的情况

  1. 对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文
  2. 多第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文
  3. 对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文
  4. 对具有特殊地址(如127.0.0.0或0.0.0.0)的数据报不发送ICMP差错报告报文

ICMP询问报文

  1. 回送请求和回答报文

    主机或路由器向特定目的主机发出的询问,收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。测试目的站是否可达以及了解其相关状态。

  2. 时间戳请求和回答报文

    请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。用来进行时钟同步和测量时间

ICMP的应用

PING 测试两个主机之间的连通性,使用了ICMP回送请求和回答报文

Traceroute 跟踪一个分组从源点到终点的路径,使用了ICMP时间超过差错报告报文

IPv6

IPv6数据报格式

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IPv6和IPv4

  1. IPv6将地址从32位(4B)扩大到128位(16B),更大的地址空间
  2. IPv6将IPv4的检验和字段彻底移除,以减少每跳的处理时间
  3. IPv6将IPv4的可选字段移出首部,变成了扩展首部,成为灵活的首部格式,路由器通常不对扩展首部进行检查,大大提高了路由器的处理效率
  4. IPv6支持即插即用(即自动配置),不需要DHCP协议
  5. IPv6首部长度必须是8B的整数倍,IPv4首部是4B的整数倍
  6. IPv6只能在主机处分片,IPv4可以在路由器和主机处分片
  7. ICMPv6:附加报文类型“分组过大”
  8. IPv6支持资源的域的预分配,支持实时视像等要求,保证一定的带宽和时延的应用
  9. IPv6取消了协议字段,改成下一个首部字段
  10. IPv6取消了总长度字段,改用有效载荷长度字段
  11. IPv6取消了服务类型字段

IPv6地址表示形式

一般形式

冒号十六进制记法:4BF5:AA12:0216:FEBC:BA5F:239A:BE9A:2170

压缩形式:4BF5:0000:0000:0000:BA5F:039A:000A:2170

变成 4BF5:0:0:0:BA5F:039A:000A:2170

零压缩:一连串连续的0可以被一对冒号取代(双冒号表示法在一个地址中仅可出现一次)

4BF5::BA5F:039A:000A:2170

IPv6基本地址类型

单播 一对一通信 可做源地址+目的地址

多播 一对多通信 可做目的地址

任播 一对多中的一个通信 可做目的地址

IPv6向IPv4过渡的策略

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RIP协议与距离向量算法

RIP协议

RIP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,最大优点是简单。

RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录(即一组距离)

距离:通常为“跳数”,即从源端口到目的端口所经过的路由器个数,经过一个路由器跳数+1。特别的,从一路由器到直接连接的网络距离为1。RIP允许一条路由最多只能包含15个路由器,因此距离为16表示网络不可达。

  1. 仅和相邻路由器交换信息
  2. 路由器交换的信息是自己的路由表
  3. 每30秒交换一次路由信息,然后路由器根据新信息更新路由表。若超过180s没收到邻居路由器的通告,则判定邻居没了,并更新自己路由表

路由器刚开始工作时,只知道直接连接的网络的距离(距离为1),接着每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。

经过若干次更新后,所有路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址,即“收敛”

离向量算法

  1. 修改相邻路由器发来的RIP报文中所有表项

    对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文,修改此报文中的所有项目:把“下一跳”字段中的地址改为X,并把所有的“距离”字段+1

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  2. 对修改后的RIP报文中的每一个项目,进行以下步骤:

    1. R1路由表中若没有Net3,则把该项目填入R1路由表

    2. R1路由表中若有Net3,则查看下一跳路由器地址:

      1. 若下一跳是X,则用收到的项目替换源路由表中的项目
      2. 若下一跳不是X,原来距离比从X走的距离远则更新,否则不作处理
  3. 若180s还没收到相邻路由器X的更新路由表,则把X记为不可达的路由器,即把距离设置为16

  4. 返回

RIP协议的报文格式

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RIP协议好消息传得快,坏消息传得慢

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直到R1和R2到网1的距离都增大到16时,R1和R2才知道网1是不可达的。

OSPF协议与链路状态算法

OSPF协议

开放最短路径优先OSPF协议:“开放”标明OSPF协议不是受某一家厂商控制,而是公开发表的:“最短路径优先”是因为使用了Dijikstra提出的最短路径算法SPF

OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议

OSFP的特点:

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最后,所有路由器都能建立一个链路状态数据库,即全网拓扑图

链路状态路由算法

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OSPF分组

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OSPF其他特点

  1. 每隔30min,要刷新一次数据库中的链路状态
  2. 用于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态,因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时,OSPF协议要比距离向量协议RIP好得多
  3. OSPF不存在坏消息传的慢的问题,它的收敛速度很快

BGP协议

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BGP协议交换信息的过程

BGP所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列AS。当BGP发言人互相交换了网络可达性的信息后,各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各AS的较好路由

BGP发言人交换路径向量

BGP协议报文格式

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BGP协议特点

BGP支持CIDR,因此BGP的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器,以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列

在BGP刚刚运行时,BGP的邻站是交换整个的BGP路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销都有好处。

BGP-4的四种报文

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三钟路由协议比较

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IP组播

单播:单播用于发送数据包到单个目的地,且每发送一份单播报文都使用一个单播IP地址作为目的地址。是一种点对点传输方式。

广播:广播是指发送数据包到同一广播域或子网内的所有设备的一种数据传输方式,是一种点对多点传输方式。

组播(多播):当网络中的某些用户需要特定数据时,组播数据发送者仅发送一次数据,借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树,被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发,是一种点对多点传输方式。

IP数据报的三种传输方式

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IP组播地址

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址(一群共同需求主机的相同标识)

组播地址范围为224.0.0.0~239.255.255.255(D类地址),一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址,源地址总是为单播地址。

  1. 组播数据报也是“尽最大努力交付”,不提供可靠交付,应用于UDP
  2. 对组播数据报不产生ICMP差错报文
  3. 并非所有D类地址都可以作为组播地址

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硬件组播

同单播地址一样,组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头,余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到的。

IGMP协议与组播路由选择协议

网际组管理协议IGMP

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IGMP工作的两个阶段

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组播路由器知道的成员关系只是所连接的局域网中有无组播组的成员

组播路由选择协议

组播路由选择协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树

构造树可以避免在路由器之间兜圈子

对不同的多播组对应于不同的多播转发树:同一个多播组,对不同的源点也会有不同的多播转发树

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移动IP

移动IP技术是移动结点(计算机/服务器等)以固定的网络IP地址,实现跨越不同网段的漫游功能,并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。

移动结点

具有永久IP地址的移动设备

归属代理(本地代理)

一个移动结点的永久“居所”称为归属网络,在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理

永久地址(归属地址/主地址)

移动站点在归属网络中的原始地址

外部代理(外地代理)

在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体称为外部代理

转交地址(辅地址)

可以是外部代理的地址或动态配置的一个地址

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网络层设备

路由器

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机,其任务是转发分组

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输入端口对线路上收到的分组的处理

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输入端口中的查找和转发功能在路由器的交换功能中是最重要的

输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路

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若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率,则队列的存储空间最终必定减少到零,这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。

路由器中输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因

三层设备的区别

路由器 可以互联两个不同网络层协议的网段

网桥 可以互联两个物理层和链路层不同的网段

集线器 不能互联两个物理层不同的网段

路由表与路由转发

路由表根据路由选择算法得出的,主要用途是路由选择,总用软件来实现

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