计算机网络——第五章网络层笔记（5）

网络地址翻译（NAT）

Private IP address:不可路由的地址、也可用于广域网链路上

NAT：net address translate 

私有IP地址和公有IP地址之间的转换。

PAT：port address translate

将多个私有IP地址影射到同一个公有IP地址的不同端口。使用网络地址

使用网络地址转换带来的问题

1、违背了IP的结构模型-每个IP地址唯一地标识了一台机器

2、将互联网改变成了“面向连接”的网络，NAT转换器维护着连接的状态，-旦它崩溃，连接也没有了。

3、违背了最基本的协议分层原则。

4、如果传输层不是采用TCP或UDP，而是采用了其它的协议，NAT将不再工作。

5、有些应用会在payload中插入IP地址，然后接收方会提取出该IP地址并使用，但是NAT转换器对此一无所知，导致该类应用不再有效。

6、NAT让一个IP地址可以承载61,440 (65536-4096) 个私人地址(超载，PAT)。

互联网控制协议（ICMP）

引入ICMP的原因：IP分组传送不可靠，可能遭遇各种问题。

ICMP消息封装IP分组中。

如丢包，可能发生拥塞、延迟、抖动等。

ping工作的原理

1、使用ping命令时，将向目的站点发送一个ICMP回声请求报文。

2、 如目的站点接收感到该报文，必须向源站点发回一个ICMP回声应答报文，源站点接收应答报文，则认为目的站点是可达的，否则认为不可达。

ping 127.0.0.1               测试TCP/IP是否正常工作

ping  本机IP地址           网络设备是否正确

ping  默认网关               检查对外连接的路由器

ping  IP                           检查与某台设备的畅通情况

ping   www.scut.edu.cn   检查DNS设置

ping -a IP地址                  执行DNS反向查询

tracert命令

1、tracert过程是通过ICMP数据报超时报文来得到一张途经的路由器列表。

2、源主机向目的主机发一个IP报文，并置TTL为1,到达第一个路由器时，TTL减1，为0，则该路由器回发一个ICMP数据报超时报文，源主机取出路由器的IP地址即为途经的第一个路由端口地址。

3、接着源主机再向目的主机发第二个IP报文，并置TTL为2，然后再发第三个、第四个IP数据报，....直 至到达目的主机。

4、但互联网的运行环境状态是动态的，每次路径的选择有可能不一致，所以，只有在相对较稳定(相对变化缓慢)的网络中，tracert才有意义。

Tracerroute原理图示

 MTU：最大数据包大小(单位：字节)

地址解析协议（ARP）

Address Resolution Protocol

 

 ARP工作改进：

1、缓存ARP结果。

2、在ARP请求中包括源机的IP-to-MAC地址的映射。

3、每台机器在启动的时候，广播它的IP-MAC地址对。

免费ARP

1、当一台主机启动时，发送要给一个免费ARP， (如果意外收到- -个应答，即是IP地址发生了冲突)。

2、当一个接口(interface) 的配置发生了改变，会发送一个免费ARP

缺省网关（代理ARP）

1、当源设备需要的目的地址与自己不在同一个网络时，如果源达到目的，当路由器在这种方式下使用时，称为缺省网关。

2、缺省网关是与源设备所处的网段相连的路由器接口上的IP地址。

什么是ARP表

1、为了减少ARP请求的次数，每个设备拥有自己的ARP表，包括路由器。

2、储存在存储器(RAM) 中，自动维护。 (掉电消失)

维护方法：

1、通过广播ARP请求中的源设备信息添加更新表

2、利用自己的ARP请求之应答信息来添加、更新表

3、删除超过一定时限的信息。

拥塞控制

定义：当一个子网或子网的一部分出现太多分组抖动时候，网络的性能急剧下降。

产生原因：

1、输入流量大于输出线路的容量。

2、慢速的处理器也可能引起拥塞，如线路容量充足，但处理器来不及处理。

3、线路容量和处理器能力需要平衡。

拥塞控制的通用原则

1、开环

试图用良好的设计来解决问题，本质是从一开始就保证问题 不会发生；开环决策制定不考虑网络的当前状态。

2、闭环

建立在反馈环路的概念上，分三个步骤：

 监视系统，检测何时何地发生了拥塞

 把这些信息传递到能够采取行动的地方

 调整系统的运行，以改正问题

发生拥塞的现象

 因为缺乏缓存空间而丢弃的分组百分比

 平均队列长度

 超时和重传的分组数

 平均分组延迟

 分组延迟的标准方差

发生拥塞的根源：负载>资源

1、增加资源。

方法：

     在某些点之间使用更多的通道增加带宽（广深）

      把流量分散到多条路径

      启用空闲或备份的路由器  

2、降低负载。

方法：

       拒绝为某些用户提供服务

       给某些用户的服务降低等级

       让用户更有预见性地安排他们的需求

数据报子网中的拥塞控制

通过路由器监听，每条线路和一个实变量u关联在一起（1-10）之间，超出则对应线路进入警告“warning”状态，每个新到达的分组都将被检查它的输出线路是否处于警告状态。

警告状态的处理措施

1、The Warning Bit（警告位）： 分组头部中的一个特殊的位，该位被复制到下一个确认分组中，被传回源，源机会监视设置了警告位的分组的比例，相应地调整它的发送速度。

2、Choke Packets（抑制分组）： 路由器给源机发回一个抑制分组，并在抑制分组中指明原分组的目标地址，当源机收到抑制分组后，它会以某种百分比减少它发向该目标的流量。在一段固定的时间内，源机会忽略同样一个目标的抑制分组 ，过了这段时间，会继续侦听有无新的抑制分组，如果没有源机，将增加流量。

3、负载丢弃（载荷脱落）：

             随机丢弃（random）

             丢弃新到达的 (葡萄酒策略，适合文件传输类)

             丢弃早到达的分组 (牛奶策略，适合多媒体类)

             丢弃不太重要的（ less important ）分组

流量整形

目的：调节数据传输的平均速率（和突发数据流），可以减少拥塞。

算法

      漏桶（leaky bucket）

      令牌桶（token bucket）

      其它：资源预留、准入控制、分组调度等 

漏桶算法

1、每个主机连接到网络的接口中都有一个漏桶，即一个优先长度的内部队列。

2、当桶中有分组的时候，输出速率是恒定的，当桶空的时候， 输出速率是0。

3、当一个分组到达满的桶的时候，分组将被丢弃（满则溢）。

3、每个时钟嘀嗒( tick )，仅允许一个分组或固定数量的分组发送出去。

目的：主机内用户进程产生的分组流往往是一个不稳定的流，漏桶可以让它输出到网络时变成一个稳定流，抹平了突发尖峰，极大地减 少了发生拥塞的机会

令牌桶算法

1、令牌桶允许突发，但是最大突发受制于令牌桶容量的限制 。

2、当桶满的时候，令牌桶算法丢掉的是令牌（不是分组）。

计算公式：

B+RS=MS

S=B/(M-R)

注：突发时间： S 秒 ，令牌桶容量： B字节 ，令牌到达的速率： R 字节/秒 ， 最大输出速率： M 字节/秒。

例题：

一个10Mb/s的网上有一台由令牌捅控制的主机，令牌桶以2Mb/s的 速率填充。假定令牌桶有20Mb的容积。

（1）问主机能以10Mb/s全速发送数据的最大可能的时间是多少?

（2）主机能以10Mb/s全速发送数据的最大数据量是多少？