计算机网络：网络层

网络层

网络层主要是解决寻址连接问题，例如两个主机在网络上通过IP进行连接通信

1.网络层概述

• 网络层的主要任务是实现网络互联，进而实现数据包在各网络之间的传输

• 需要解决的主要问题：

  

• 因特网

  • 使用TCP/IP协议栈
  • 
  • 通过学习TCP/IP协议栈的网际层进行了解

2. 网络层提供的两种服务

2.1 面向连接的虚电路服务

2.2 无连接的数据报服务

tips：二者对比

3. IP地址

3.1 IPv4地址概述

• 因为IPv4地址不方便阅读，采用点分十进制表示法

举例

因为位数固定，也可以用凑值法来确定

3.2 分类编址的IPv4地址

• 只有ABC类地址可以分配给网络中的主机和路由器中的各接口

• 主机号为**全0（网络地址）和全1（广播地址）**的都不能分配给主机或者路由器的各接口

A类地址

B类地址

C类地址

总结

分类标准：

3.3 划分子网的IPv4地址

分配的IP地址数通常会存在空余，可以通过划分子网高效利用剩余IP，起到分类的作用

主机号可以被借用位数作为子网号

• 32byte的子网掩码可以表明分类IP地址的主机号被借用了几个作为子网号

  • 子网掩码使用连续的比特1来对应网络号和子网号
  • 子网掩码使用连续的比特0来对应主机号

  

  • 将划分子网的IPv4地址与子网掩码进行逻辑与运算

  

• 默认子网掩码

例：

例题

解

1.写出二进制子网掩码

2.进行与运算，写出主机的网络地址

3.4 无分类编址的IPv4地址

数量巨大的C类网因为地址太小，没有得到充分使用，IPv4地址面临耗尽的问题

• CIDR使用斜线记法，在斜线后面写出网络前缀所占比特的数量

例

• 路由聚合

将五个网络通过一个路由器进行转发：（找共同前缀，后面添加斜线）

例

只能分配两个IP，所以至多两个主机

3.5 IPv4地址的应用规划

• 定长的子网掩码FLSM

  • 使用同一个子网掩码来划分子网
  • 每个子网所分配的IP地址数量相同造成IP的浪费

  子网号决定分类数目，主机号决定分配的IP个数

• 变长的子网掩码VLSM

  • 根据不同IP地址的需求分配主机号，剩余编码可以作为网络前缀

  

  优先分配地址需求数量较大的地址

  

4. 数据报的发送和转发过程

主机判断 目的主机是否与自己在同一个网络

将两个IP地址进行 与 运算，不相等则不在同一个网络

• 默认网关（设置默认路由器的IP对数据进行转发）

• 路由器收到数据报如何转发

收到数据报中的信息后进行查表转发

5. 静态路由配置及其可能产生的环路问题

5.1 静态路由配置

• 使用静态路由配置可能导致产生路由环路的错误
  • 配置错误
  • 聚合了不存在的网络
  • 网络故障

R2不知道黄色的地址，所以可以手动配置（先转到R1路由器，再由R1进行转发）

5.2 静态路由配置错误导致路由环路

• 在静态配置错误后，路由器进行循环转发

防止这种问题设置了TTL字段

• 聚合了不存在的网络导致路由环路

防止这种问题设置了黑洞路由

6. 路由器

6.1 路由器选择协议

• 静态路由选择

• 动态路由选择

因特网采用的路由选择协议的主要特点

• 常见的路由选择协议

  • 内部网关（路由）协议
  • 外部网关协议

  

• 路由器的基本结构

  

6.2 路由信息协议RIP的基本工作原理

RIP认为好的路由就是距离短的路由

路由信息协议RIP要求AS内内的每一个路由器都要维护子自己到AS内其他每一个网络的距离纪录记录，这组距离称为：“距离向量D-V”

当距离相同时，可以进行等价负载均衡（平分信息量）

• 三个要点

  

  举例：

  开始

  

  交换后

  

• RIP路由器的更新规则

C的路由表发送给D，D将其下一条都改为C，距离都增加1（D可以通过C到达的地址）

将C发送的路由表和自身进行对比后更新

缺陷

• RIP存在路由环路或距离无穷计数问题

通过以下措施减少该问题的出现概率：

• 可以限制最大路径举例为15

6.3 开放最短路径优先（OSPF）的基本工作原理

• OSPF是为了是为了克服RIP算法的缺点提出的
  • 最短路径优先：使用了Dijkstra的最短路径算法SPF

• OSPF相邻路由器之间通过交互Hello分组，建立和维护邻居关系

• 使用OSPF的每个路由器都有一个链路状态数据库LSDB，存储

生产链路通告（LSA）：记录直连网络的链路状态信息，邻居路由器的链路状态信息

将LSDB中的数据，进行SPF计算，计算出最短路径，构建出路由表

• OSPF有五种分组

由于每个相邻路由器之间都需要交换分组，交换信息数目过多n*(n-1)/2

为了减少分组，进行了以下优化

• OSPF为了能够适配很大规模的网络，将很大的网络划分成小区域

6.4 边界网关（BGP）的基本工作原理

自制系统之间需要使用外部网关协议EGP这一类协议，使用较多的为BGP-4

• 在不同自治系统内，度量路由的代价可能不同，因此通过OSPF寻找最佳路由不可行

• 自治系统之间的路由必须考虑（考虑政治、经济、安全等）

• BGP只能是找到一个较好的路由路径

每个系统都有自己的BGP发言人：

建立连接使用TCP报文段中进行连接

• BGP发言人交换了网络可达性信息后，分别根据各自收到的路由信息找到较好的路由

• 构建连通图

  

• 封装RIP、OSPF、BGP 报文协议

7. IPv4数据报的首部格式

前置知识：

IPv4在传输时，需要与MTU比大小判断，如果大于MTU需要进行分片处理

例：MTU=1500，下述表需要被分成3份

---

IPv4数据报具体内容：

版本

• 占4比特，表示IP协议的版本
• 通信双方使用的IP协议的版本必须一致

首部长度

• 占4比特，表示IP数据报首部的长度。
• 最小十进制取值为5 bytes（表示IP数据报首部只有20字节固定部分）
• 最大取值为15bytes（表示IP数据报首部包含固定部分和可变部分）

区分服务

• 一般不使用

总长度字段

• 占比16 bytes，表示IP数据报的总长度（首部+数据载荷）

标识、标志、片偏移

• 三个字段共同作用于IP数据报分片

tips：片偏移结果必须为整数，不然需要重新分组

• 例题：具体应用

生存时间TTL

占8 bytes，最大生存周期为255秒；路由器转发时，将
$$生存时间-本路由器耗费时间\ne 0$$
则转发，否则丢弃

协议

• 表明数据部分是哪种协议数据单元

• 常用协议数据单元

  

首部检验和（IPv6中不再使用）

• 占16 bytes，用来是否在传输过程中出现错误

源IP地址和目的IP地址

• 各占32bytes，用来填写发送主机与接收主机地址

• 例题：

因为偏移量要取整，所以要进行合理分配

首先使用MTU=800（最大传输大小），但是不整除，向下取整进行计算

8. 网际控制报文协议（ICMP）

为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会使用ICMP

ICMP发送：差错报告报文和询问报文，被封装在IP数据报中发送

• ICMP差错报告报文种类：

终点不可达

当路由器或主机不能交付数据报时，发送该报文

源点抑制

当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，发送该报文

时间超过

当路由器收到IP地址不是自己的IP数据报，将其生存时间TTL减一

若结果为0则丢弃

参数问题

传输中首部出现误码，就丢弃该数据报，并且向源点发送参数问题

改变路由（重定向）

路由器把改变路由报文发送给主机，让主机优化路线

tips：以下情况不应发送ICMP差错报告报文

• ICMP询问报文：

回送请求和回答

用来测试目的站是否可达及了解其有关状态

时间戳请求和回答

进行时钟同步和测量时间

• 应用举例

PING命令：查看是否连通

traceroute：

9. 虚拟专用网络（VPN）与网络地址转化（NAT）

VPN

利用公用的因特网做诶本机构各专用网之间的通信载体

VPN专用网中的IP是本机构可分配的专用地址

将左边换为个人也是如此

NAT

该方法缓解了IPv4地址耗尽的问题

• 流程

1.传输过去

2.返回

• 延伸NAPT：将端口号与IP地址一起进行转换（一个IP可以使多个主机与外界进行通信）

所以根据以上路由器的工作原理，只能由内网发起（不然路由器里面就没有对应记录 ）