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计算机网络——第四章 网络层

分类: 文章 • 2024-05-10 10:21:28

title: 计算机网络——第四章 网络层
tag: 计算机网络
category: 计算机网络
date: 2018-06-08

计算机网络——第四章 网络层

网络层提供的两种服务

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网际协议IP

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ARP：地址解析协议
RARP：逆地址解析协议，与ARP配合使用
ICMP：网际控制报文协议
IGMP：网际组管理协议

分类的IP地址

唯一的标识，32位，点分十进制表示
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  • A类地址：
    1、单播地址，前8位为网络id，第一位0固定，后24位为主机id，
    2、可指派网络数为126（2^7-2）个，全0表示本网络，是保留地址，全1（127）是本地环回地址，作为本地软件环回测试，即127不是一个网络地址
    3、主机号占3个字节（24位），最大主机数2^24-2，除去主机号为全0和全1的两个，全0的主机号表示本主机所连接的单个网络地址，全1表示该网络上的所有主机
    4、地址空间有2^31个，占所有的50%

  • B类地址：
    1、单播地址，前16位为网络id，前两位10固定，后16位为主机id
    2、只剩14位，所以不会出现全1或全0的情况，
    3、B类最小的地址是128.1.0.0，可指派网络数为2^14-1个，但是128.0.0.0不指派
    4、主机号占2个字节（16位），最大主机数是2^16-2，除去主机号为全0和全1的两个
    5、地址空间有2^30个，占所有的25%

  • C类地址：
    1、单播地址，前24位为网络id，前三位110固定，后8位为主机id
    2、可指派网络数为2^21-1，其中192.0.0.0不指派，最小网络地址为192.0.1.0
    3、主机号占一个字节（8位），最大主机数是2^8-2，除去主机号为全0和全1的两个
    4、地址空间2^29个，占所有的12.5%

  • D类地址：
    多播地址，前四位1110固定

  • E类地址：
    保留地址，前四位1111固定

计算机网络——第四章 网络层

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计算机网络——第四章 网络层

  • IP的特点
    （1）IP地址由网络号和主机号两部分组成，路由器仅根据目的主机所连的网络号来转发分组
    （2）IP地址是标志一台主机（或路由器）和一条链路的接口，当处于不同的网络时，应该有不同的网络号，一个主机可以同时具备多个网络号（多归属主机）
    （3）一个网络是指具有相同的网络号net-id的主机的集合，因此用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，不同网络号的网络或局域网必须使用路由器连接，也就是说网络的划分根据网络号，而且必须是使用路由器进行连接

IP地址和硬件地址

IP地址：网络层和以上各层使用的地址，是逻辑地址，放在IP数据报的首部
硬件地址：数据链路层和物理层使用的地址，放在MAC帧的首部

地址解析协议ARP

在主机ARP高速缓存中存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，每一个映射地址有一定的生存时间，定期更新

ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP到硬件地址映射的问题，

（1）ARP进程在本局域网上广播一个ARP请求分组，请求分组中包含自己的硬件地址和IP地址
（2）本局域网上的所有主机运行的ARP进程都会收到
（3）如果某个主机的IP地址和ARP请求分组中要查询的IP一致，就会收下这个ARP，在自己的ARP高速缓存中写入源主机的IP到硬件地址的映射，并向源主机发送ARP响应分组（单播），同时在这个响应分组中写入自己的硬件地址
（4）源主机收到ARP响应分组后，在ARP高速缓存中写入该主机的IP到硬件地址的映射

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ARP的四种典型情况
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（1）发送方是主机（H1），要把IP数据报发送到同一个网络上的另一个主机（H2）。这时H1发送ARP请求分组（在网1上广播），找到H2的硬件地址
（2）发送方是主机（H1），要把IP数据报发送到另一个网络的主机（H3或H4）。这时H1发送ARP请求分组（在网1上广播），找到网1上的路由器R1的硬件地址。剩下的工作交由R1完成（3）、（4）
（3）发送方是路由器（R1），要把IP数据报发送给同一网络（网2）上的主机（H3）。这时R1发送ARP请求分组（在网2上广播），找到H3的硬件地址
（4）发送方是路由器（R1），要把IP数据报转发到网3的一个主机（H4）。这时R1发送ARP请求分组（在网2上广播），找到R2的硬件地址，剩下的由R2完成

IP数据报的格式

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  1. 版本：占4位，IP协议的版本，通信双方版本必须一致，IPv4或IPv6
  2. 首部长度：4位，可表示的最大十进制数是15，首部长度所表示数的单位是32位字，IP首部的固定长度为20字节，所以首部长度字段的最小值为5（0101）。当首部长度为最大值15（1111）时，表明首部长度达到最大值15个32位字长，即60字节。当首部长度不是4字节的整数倍时开始，必须使用最后的字段加以填充。因此IP数据报的数据部分永远在4字节的整数倍开始
  3. 区分服务：8位，用来获得更好的服务
  4. 总长度：16位，首部和数据之和的长度，单位为字节。因此数据报的最大长度为2^16-1=65535字节
  5. 标识：16位，计数器，用于分片后组装成原来的数据报
  6. 标致：3位，目前只有2位有意义
    1、MF：最低位，为1时表示后面还有分片，为0时表示最后一个
    2、DF：不能分片，DF=0时才允许分片
  7. 片偏移：13位，较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置，以8个字节为偏移单位，也就是说每个分片的长度一定是8字节的整数倍
  8. 生存时间：8位，TTL，数据报在网络中的寿命
  9. 协议：8位，使用何种协议
  10. 首部检验和：16位，只检验数据报的首部，不检验数据部分
  11. 源地址：32位
  12. 目的地址：32位

分组转发

算法：
（1）从数据报的首部提取目的主机的IP地址D，得到目的网络地址N
（2）若N是与此路由器直接相连的某个网络地址，则直接交付，不需要经过其他的路由器，直接给目的主机。否则间接交付，执行（3）
（3）若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中指明的下一跳路由器，否则执行（4）
（4）若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表中指明的下一跳路由器，否则执行（5）
（5）若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中指明的默认路由，否则执行（6）
（6）报告转发分组出错

划分子网和构造超网

划分子网

  • 划分
    从网络的主机号借用若干位作为子网号（subnet-id），不改变原来的网络号，将两级IP地址在本单位内部变为三级IP地址：网络号、子网号、主机号
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  • 子网掩码
    计算机网络——第四章 网络层

把子网掩码和IP地址进行逐位的“与运算”就能得出网络地址
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默认子网掩码：
1、A类：255.0.0.0或0xFF000000
2、B类：255.255.0.0或0xFFFF0000
3、C类：255.255.255.0或0xFFFFFF00
常见划分（B类）
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-nKp1Q6TY-1586740440307)(https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4061843-6610fa6f6232f1ee.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)]
计算机网络——第四章 网络层

  • 使用子网时的分组转发
    （1）获取目的IP地址D
    （2）判断是否为直接交付。对路由器直接相连的网络进行逐个检查：用个网络的子网掩码和D逐位相“与”，看结果是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则把分组进行直接交付，否则间接交付，执行（3）
    （3）若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器，否则执行（4）
    （4）对路由表中的每一行（目的网络地址、子网掩码、下一跳地址），用其中的子网掩码和D逐位相“与”，其结果为N。若N与该行的目的网络地址匹配，则把数据报传送给指明的下一跳路由器，否则执行（5）
    （5）若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给指明的默认路由器，否则执行（6）
    （6）报告转发分组出错

无分类编址CIDR（构造超网）

特点：
（1）CIDR消除了传统的A类、B类、C类地址及划分子网的概念
IP地址={<网络前缀>，<主机号>}，还可以用斜线记法，“\”后面的数字就是地址掩码中1的个数
（2）CIDR把网络前缀都相同的连续IP地址组成一个CIDR地址块
计算机网络——第四章 网络层

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最长前缀匹配：
匹配结果中选取网络前缀最长的路由

二叉线索查找路由表

网际控制报文协议ICMP

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  • ICMP差错报告报文
    （1）终点不可达：当路由器或主机不能交付数据报时就像源点发送终点不可达报文
    （2）时间超时：当路由器收到生存时间为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丢弃，并向源点发送时间超过报文
    （3）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
    （4）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

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（不对自身发送）
2、对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（对一个IP数据报只发一次ICMP差错报告报文）
3、对具有多播地址的数据报，都不发送
4、对具有特殊地址的数据报，不发送

  • ICMP询问报文
    （1）回送请求和回答：ICMP回送请求报文是主机或路由器向一个特定的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。用来测试是否可达及了解其有关状态
    （2）时间戳请求和回答：ICMP时间戳请求报文是请某台主机或路由器回答当前的日期和时间。可用于时钟同步和时间测量

  • ICMP应用举例
    1、PING：从应用层直接到ICMP，没有通过TCP或UDP，使用了ICMP回送请求与回送回答报文
    2、traceroute

路由选择协议

内部网关协议IGP

即在一个自治系统内部使用的路由选择协议

  • RIP
    分布式的基于距离向量的路由选择协议，距离也叫“跳数”，每经过一个路由器，跳数+1，距离+1，RIP允许一条路径最多经过15个路由器，距离=16为不可达
    特点：
    1、仅和相邻路由器交换信息
    2、交换的信息是当前路由器的路由表
    3、固定时间间隔交换信息
    距离向量算法：
    （1）对地址为X的相邻路由发来的RIP报文，先修改此报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址都改为X，并把所有的“距离”的值都+1（解释1），每一个项目都有三个关键数据：到目的网络，距离是d，下一跳路由器是X
    （2）对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤：
    若原来的路由表中没有目的网络N，则把该项目添加到路由表中（解释2）；否则（没有N，查看下一跳的路由器）若下一跳路由器地址是Ｘ，则把收到的项目替换原路由表中的项目（解释3），否则（这个项目是到目的网络N，但下一跳不是X）若受到的项目中的距离d小于路由表中的距离，则进行更新（解释4），否则什么也不做
    （3）若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由器记为不可达的路由器（距离设置为16）
    （4）返回
    计算机网络——第四章 网络层
    查看目的网络，比较下一跳，再决定是否更新距离
    报文格式：
    计算机网络——第四章 网络层
  1. 首部：4个字节，1表示请求路由信息，2表示对请求路由信息的响应或未被请求而发出的路由更新报文，后面的必为0是为了4字节的对齐
  2. 路由部分由若干路由信息，每个路由信息需要用20个字节
  3. 路由信息：
    1、地址标识符（地址类别）：使用的地址协议，2表示IP地址
    2、路由标记：填入自治系统好ASN
    3、网络地址：
    4、子网掩码：
    5、下一跳路由器地址：
    7、到此网络的距离
  4. 一个RIP报文最多包括25个路由，最大长度4+20*5=504字节
  5. RIP2具有简单的鉴别功能
  • OSPF
    开放最短路径优先，分布式的链路状态协议
    特点：
    （1）向本自治系统中所有路由器发送信息，洪泛法
    （2）发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态
    （3）只有当链路状态发生变化时，才再次洪泛更新
    （4）允许管理员给每条路由指派不同的代价
    （5）如果同一个目的网络有多条相同代价的路径，那么可以将通信量分配给这几条路由（负载平衡）
    （6）所有OSPF交换的分组都具有鉴别功能
    （7）支持可变长度的子网划分和无类的编址CIDR
    （8）OSPF让每一个链路状态带上一个32位序号，表示链路状态的新旧程度，序号越大越新
    OSPF分组：
    不用UDP而是直接用IP数据报发送（IP协议字段89）
    计算机网络——第四章 网络层
    （1）版本：当前2
    （2）类型：可以是5中类型分组中的一种
    （3）分组长度：包含首部在内的分组长度，字节为单位
    （4）路由标识符：标志发送该分组的路由器的接口的IP地址
    （5）区域标识符：分组属于的区域的标识符
    （6）检验和：检验分组的差错
    （7）鉴别类型：0不用口令，1口令
    （8）鉴别：
    五种分组类型：
    （1）类型1：问候分组（Hello），用来发现和维持邻站的可达性
    （2）类型2：数据库描述分组（Database Description），向邻站给出自己的链路状态数据库中所有链路状态项目的摘要信息
    （3）类型3：链路状态请求分组（Link State Request），向对方请求发送某些链路状态项目的详细信息
    （4）类型4：链路状态更新分组（Link State Update），用洪泛法对全网更新链路状态
    （5）类型5：链路状态确认分组（Link State Acknowledgement），对链路更新分组的确认
    支持的网络类型：
    （1）点对点，T1、SONET、DS-3
    （2）Broadcast
    （3）NBMA：ATM、X.25、FR
    （4）虚链路

外部网关协议EGP

源主机和目的主机处于不同的自治系统中，跨越自治系统

  • BGP
    边界网关协议，采用了路径向量路由选择协议，树形结构，TCP连接
    特点：
    （1）BGP协议交换路由信息的结点数量级是自治系统数的量级
    （2）每一个AS中BGP发言人很少
    （3）支持CIDR
    （4）刚运行，BGP的邻站是交换整个BGP路由表
    4种报文：
    （1）OPEN报文，用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，使通信初始化
    （2）UPDATE报文，用来通告某一路由信息，以及列出要撤销的多条路由
    （3）KEEPALIVE报文，用来周期性的证实邻站的连通性，19字节长
    （4）NOTIFICATION报文，用来发送检测到的差错
    报文格式：
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-WcDMhi8u-1586740440318)(https://upload-images.jianshu.io/upload_images/4061843-bf28c98957b7c11e.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)]
    通用首部：19字节
    1、标记：16字节，用来鉴别收到的BGP，不使用鉴别时，全1
    2、长度：包括首部在内的整个BGP报文以字节为单位的长度，最小值为19，最大值4096
    3、类型字段：1~4

路由器的构成

转发分组，具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机
计算机网络——第四章 网络层

  • 路由选择：按照分布式算法，动态的改变所选择的路由

  • 分组转发：根据转发表转发

  1. 交换结构：计算机网络——第四章 网络层

  2. 输入端口：计算机网络——第四章 网络层若助理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，队列的存储空间会减小到0，当没有存储空间时，后面的分组就会被丢弃，同时告诉发送方减小发送速率

  3. 输出端口：计算机网络——第四章 网络层

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