2017-03-26

计算机网络-网络层

连载中

网络层功能

转发：当一个分组到达路由器的一条输入链路时，路由器必须将该分组移动到适当的输出链路
路由选择：当分组从发送方流向接收方是，网络层必须决定这些分组所采用的路由或路径
连接建立：

每台路由器中都有一张转发表，路由器通过检查到达分组首部字段的值来转发分组，然后使用该值在该路由器的转发表中索引查询

路由器：基于网络层字段中的值做转发决定
交换机：基于链路层字段中的值做转发决定

网络服务模型

网络体系结构	服务模型	带宽保证	无丢包保证	有序	定时	拥塞指示
Internet	尽力而为	无	无	任何可能顺序	不维护	无
ATM	CBR（恒定比特率）	保证恒定速率	是	有序	维护	不出现拥塞
ATM	ABR（可用比特率）	保证最小速率	无	有序	不维护	提供拥塞指示

虚电路与数据报网络

虚电路网络：仅在网络层提供连接服务的计算机网络
数据报网络：仅在网络层提供无连接服务的计算机网络

路由器工作原理

网际协议：因特网中的转发和编址

IP数据报分片

MTU：最大传输单元
当某条链路收到的IP数据报要大于MTU时需要分片
IPv4的设计者将标识（ID）、标志和片偏移字段放在IP数据报首部中

eg：数据报大小=4000B（20B首部+3980数据），MTU=1500B，假定初始ID为777
则数据报会被分为3个片
| 片 | 字节 | ID | 偏移 | 标志 |
| — | — | — | — | — |
| 1 | 1480 | 777 | 0（插入的数据开始于0字节） | 1（后面还有） |
| 2 | 1480 | 777 | 185（插入的数据开始于8X185 = 1480字节） | 1 |
| 3 | 1020（3980-1480-1480） | 370（插入的数据开始于8X370 = 2960字节） | 0（后面没了） |

IP (v4)

子网：互联主机接口和路由器接口的网络

子网格式 223.1.1.0/24

/24称为子网掩码，表示32位ip左侧24位定义了子网地址

任何其他要连接到223.1.1.0/24网络的主机都要求其地址具有223.1.1.xxx的形式

现在的IP网络使用32位地址，以点分十进制表示，如172.16.0.0。地址格式为：IP地址=网络地址＋主机地址或 IP地址=主机地址＋子网地址＋主机地址。

IP地址类型

最初设计互联网络时，为了便于寻址以及层次化构造网络，每个IP地址包括两个标识码（ID），即网络ID和主机ID。同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络ID，网络上的一个主机（包括网络上工作站，服务器和路由器等）有一个主机ID与其对应。IP地址根据网络ID的不同分为5种类型，A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址。

A类地址：一个A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”，地址范围从1.0.0.0 到126.0.0.0。可用的A类网络有126个，每个网络能容纳1亿多个主机。
B类地址：一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255。可用的B类网络有16382个，每个网络能容纳6万多个主机。
C类地址：一个C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。范围从192.0.0.0到223.255.255.255。C类网络可达209万余个，每个网络能容纳254个主机。
D类地址：D类IP地址第一个字节以“lll0”开始，它是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播（Multicast）中。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。
E类地址：以“llll0”开始，为将来使用保留。

全零（“0．0．0．0”）地址对应于当前主机。全“1”的IP地址（“255．255．255．255”）是当前子网的广播地址。

在IP地址3种主要类型里，各保留了3个区域作为私有地址，其地址范围如下：

A类地址：10.0.0.0～10.255.255.255

B类地址：172.16.0.0～172.31.255.255

C类地址：192.168.0.0～192.168.255.255

A类地址的第一组数字为1～126。注意，数字0和 127不作为A类地址，数字127保留给内部回送函数，而数字0则表示该地址是本地宿主机，不能传送。

B类地址的第一组数字为128～191。

C类地址的第一组数字为192～223。

动态主机配置协议DHCP

过程

DHCP服务器发现：主机在UDP分组向67端口发送DHCP发现报文，使用广播目的地址255.255.255.255，本机地址设为0.0.0.0
DHCP服务器提供：DHCP服务器发现一个DHCP发现报文后，用一个DHCP提供报文向客户作出响应，仍然使用IP广播地址255.255.255.255
DHCP请求：客户选择一个DHCP服务器，提供DHCP请求报文，并回显参数
DHCP ACK：服务器用DHCP ACK报文对DHCP请求报文进行响应，证实所要求的参数

参数	DHCP发现	DHCP提供	DHCP请求	DHCP ACK
src	0.0.0.0:68	223.1.2.5:67	0.0.0.0:68	223.1.2.5:67
dest	255.255.255.255:68	255.255.255.255:68	255.255.255.255:67	255.255.255.255:67
yiaddr	0.0.0.0	223.1.2.4	223.1.2.4	223.1.2.4
transaction ID	654	654	655	655
DHCP server	/	223.1.2.5	223.1.2.5	223.1.2.5
Lifetime	/	3600secs	3600secs	3600secs

网络地址转换（NAT）

路由器如何知道它应将某个分组转发给哪个内部主机：NAT转换表

UPnP

NAT穿越

因特网控制报文协议

ping

IPv6

路由选择算法

默认路由器（第一跳路由器）：主机直接连接的路由器
源路由器：源主机的默认路由器
目的路由器：目的主机的默认路由器

路由算法的分类

按全局式还是分散式：

全局路由选择算法：用完整的、全局性的网络知识计算最短路径，如链路状态（LS）算法
分散式路由选择算法：以迭代、分布式的方式计算出最短路径，如距离向量（DV）算法

按算法是静态还是动态：

静态路由选择算法
动态路由选择算法

按负载敏感还是负载迟钝：

负载敏感算法：早期ARPAnet
负载迟钝算法：RIP、OSPF、BGP

LS算法

DV算法

层次路由选择

问题：

规模：随着路由器数目变得十分巨大，LS的开销将高得不可实现
管理自治：既能自己选择路由选择算法，又能与外部网络连接

自治系统（AS）：每个AS由一组通常处在相同管理控制下的路由器组成，在相同AS下的路由器运行相同的路由选择算法

在AS中运行的路由选择算法叫做自治系统内部路由选择算法

网关路由器：在一个AS内负责向在本AS之外的目的地转发分组一台或多台路由器

自治系统间路由选择协议：从相邻AS获取可达性信息和向该AS中所有路由器传达可达性信息

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