计算机网络复习提纲-第五章

1、文档编码 : CK7S2I8V10B2 HB10Q6X10B2M9 ZF8G7S3Q9W7第 5 章 网络层5.1 网络层概述网络层负责数据包经过多条链路、由信源到信宿传递过程,并保证每个数据包能够成功和有效率地从动身点到达目的地；为实现端到端的传递,网络层供应了两种服务：线路交换和路由选择； 线路交换是在物理链路之间建立临时的连接,每个数据包都通过这个临时链路进行传输； 路由选择是选择数据包传输的正确路径,在这种情形下, 每个数据包都可以通过 不同的路由到达目的地,然后再在目的地重新依据原始次序组装起来；网络层是通信子网的最高层,对上层用户屏蔽了子网通信的细节,如子网类型、 拓扑结构、子网数

2、目,向上层供应一样的服务、统一的地址；5.1.1 网络层功能 1 为传输层供应建立、爱护和释放网络连接的手段,完成路由选择、拥塞把握、网络 互联等功能；2 依据传输层的要求选择网络服务质量；服务质量的参数主要包括：残留差错率、服 务可用性、牢靠性、吞吐量、传输推迟等；3 对数据传输过程实现流量把握、差错把握以及次序把握；4 提高资源子网主机节点与通信子网的接口,网络层的主要功能是完成网络中主机间的报文传输,服务将每个报文从源端传输到目的端；向传输层供应虚电路服务和数据报服务；其关键问题之一是使用数据链路层基本功能：实现端到端的网络连接,屏蔽不同子网技术的差异,向上层供应一样的服务；主要功能：路

3、由选择和转发通过网络连接在主机之间供应分组交换功能分组的分段与成块,差错把握、次序化、流量把握1 / 17 2 / 17 3 / 17 4 / 17 5.1.2 网络层服务的特点 网络层的服务有如下特点：1 最重要的特点是无连接 2 服务是不行靠的,传送过程中可能推迟、不按次序到达或者丢失等 3 服务是尽力而为的；网络层实现这种无连接服务的分组传送机制称为网际协议,通称 IP 协议；网络层服务应遵循以下三个原就：1 服务应与通信子网技术无关；2 通信子网的数量、类型和拓扑结构对传输层是隐匿的；3 传输层能获得的网络地址应接受统一的编号形式,即使跨过多个 LAN和 WAN；5.2 路由算法路由算

4、法是网络层软件的一部分,路上；5.2.1 路由算法选择的参考标准 路由算法选择有以下参考标准：它负责确定一个进来的分组应当被传送到哪条输出线1 正确性：沿着路由表所指引的路由,分组确定能够传输到最终到达的目的网络和目 的主机；2 最优化：指路由算法选择正确路径的才能；3 简洁性：算法设计简洁,利用最少的软件和开销,供应最有效的功能；4 坚固性：路由算法处于非正常或不行预料的环境时,如硬件故障、负载过高或操作 失误时,都能正确运行；5 快速收敛：收敛是在正确路径的判定上全部路由器到达一样的过程；收敛慢的路由 算法会造成路径循环或网络中断；6 灵敏性：路由算法可以快速、精确地适应各种网络环境；5

5、/ 17 5.2.2 路由算法种类 路由算法可以分为两大类：非自适应的和自适应的；非自适应路由算法,它是依据预先运算好的信息进行路由,它不会依据当前测量或者估计的流量和拓扑结构,来调整他们的路由决策；非自适应路由算法主要包括静态路由算法、分散通信量以及洪泛算法；自适应路由算法, 它是依据网络拓扑结构和通信量的变化等转变路由；主要有距离向量 路由算法和链路状态路由算法等；1. 距离向量路由算法 距离向量路由算法要求每个路由器发送其路由表全部或部分信息,但仅发送到邻近节点 上；从本质上来说, 链路状态算法将少量更新信息发送至网络各处,而距离向量算法发送大 量更新信息至邻接路由器；距离向量路由算法属

6、于动态路由算法；缺陷：路由收敛速度慢,对好消息反应快速,对坏消息反应迟钝；选择路由时,没有考 虑线路带宽；2. 链路状态路由算法链路状态路由算法（也称最短路由算法）发送路由信息到互联网上全部的结点,然而对于每个路由器,仅发送它的路由表中描述了其自身链路状态的一部分；该路由算法是以权值作为运算路由的基础的；所谓权值是各种情形的综合考虑,主要包括路径长度、牢靠性、路由推迟、负荷、通信代价等；与距离向量路由不同, 链路状态路由的信息交换准就是：与全部的路由器交换自己邻居的信息；优点：每隔确定时间（大约 30 分钟）,一次性可以获得网络上全部路由器的信息,而不需要逐点传递；该算法以权值作为基础,在运算

7、路由时, 考虑了多种因素, 所以优于距离向量路由算法；在获得了全部路由器信息之后,每个路由器分别接受 Dijkstra 算法以得出它到其他各 个路由器的最短路径；二者的区分：这两种算法在大多数环境下都能很好的运行,除了以下区分：1 链路状态算法收敛更快,因此在确定程度上比路由算法更不简洁产生路由循环；2 链路状态算法要求比距离向量算法有更强的CPU才能和更多的内存空间,因此链路状态路由算法将会在实现时显得更昂贵一些；3 距离向量路由算法适用于简洁的网络,络而链路状态路由算法更适合于复杂程度较高的网5.3 网络层协议IP 的任务是供应一种尽力投递的方法将数据报从源端传输到目标端,它并不关怀源机

8、器和目标将机器是否在同样的网络中,也不关怀它们之间是否仍有其他网络；（P23 协议数 据单元）网络层是路由选择和负责网络寻址的层；IP （网际协议）是最一般的网络层协议,供应无连接的数据报传输机制；6 / 17 5.3.1 IPv4 协议IPv4 的地址是 32 位长,由 4 个分段的十进制组成；由网络号和主机号两部分构成；1. IP 地址的分类（ P83 7 / 17 IP 地址有如下特点：1 网络号可用于将数据报路由到目的网络 2 主机号可用于将数据报交付到本网络的主机 3 简化了路由表子网（ Subnet ）划分：因特网规模的急剧增长,对IP 地址的需求激增；带来的问题是：1 IP 地址

9、资源的严肃匮乏 2 路由表规模的急速增长 解决方法：从主机号部分拿出几位作为子网号 这种在原先 IP 地址结构的基础上增加一级结构的方法称为子网划分；前提：网络规模较小IP 地址空间没有全部利用；例如：三个LAN,主机数为20,25,48,均少于 C类地址答应的主机数；为这三个LAN申请 3 个 C类 IP 地址明显有点铺张；8 / 17 9 / 17 类别最大网络数网络号范畴每个网络中主机号范畴IP 地址范畴最大主机数A 126 1-126 65534 0.0.1- 1.0.0.1- B 16382 128.1-191.254 255.255.254 126.255.255.254 0.1-

10、255.254 128.1.0.1- 191.255.255.254 C 192.0.1- 254 1-254 192.0.1.1- 223.255.254 头部有一个233.255.255.254 2.IP 数据报的格式和内容20 字节的定长部分和一个可每个 IP 数据报包含一个头部和一个正文部分；选的变长部分版本号：在处理每个接收到的 议版原先处理它；IP 数据报之前,第一要检验它的版本号,以确保用正确的协长度字段： IP 数据报之中有两个长度字段：头长度和总长度； 一个表示 IP 数据报头的长度,占用 4 位,另一个表示 IP 数据报的总长度,占用 16 位,它的值是以字节为单位的；服务

11、类型：结构示意图：1 2 3 4 5 6 7 8 优先权D T R C 保留优先权取值范畴0-7 ,值越大,优先级越高；D：Delay 要求有更低的时延；T：Throughput 要求有更高的吞吐量R：Reliability 要求有更高的牢靠性C：要求选择更低廉的路由数据报的分段和重组：IP 数据报要放在物理帧中再进行传输,这一过程叫做封装；一般来说,在传输过程中要跨过如干个物理网络,由于不同的物理网络接受的帧格式不一样,而且所答应的最大的帧长度不同,而 IP 数据报的最大长度可达 64KB,远大于大多数物理网络的10 / 17 最大传输单元（MTU）,因此IP 协议需要一种分段机制,把一个大

12、的IP 数据报分成如干个小的分段进行传输,最终到达目的地再重新组合成原先的样子；数据报生存周期（TTL）：IP 数据报传输的特点就是每个数据报单独寻址；每个新生成的数据报中,其数据报头的生存周期字段被初始化设置为最大值255,该数据报每经过一个路由器,其生存周期就减 1,以此来防止数据报在网络中无休止的循环；协议类型：指出 IP 数据报中的数据部分是哪一种协议头检验和：用于保证数据的正确性源 IP 地址和目的 IP 地址：分别表示该数据报的发送者和接受者IP 数据报选项：主要用于额外的把握和测试3. IP 报文的转发当一个路由器收到主机 A 发送给主机 B的 IP 数据报时,路由器的数据链路层

13、依据帧中的以太网类型确定帧中的数据是 IP 报文,于是交给 IP 协议来处理, IP 协议第一要校验 IP报文投中的各个域的正确性,包括版本号、校验以及长度等,假如发觉错误,就丢弃该数据报；假如全部正确,就把 TTL 的值减 1, ；如 TTL 的值为 0,数据报到期,应当丢弃；TTL 大于 0,依据 IP 数据报中的目的地址查询路由器的路由表,假如找到合适的路由,把该数据向下一站转发, 这需要知道下一站的MAC地址,进行帧封装；假如没有合适的路由,就丢弃该数据报；4. IP 路由表路由表中至少有目的地址、掩码、 网关以及接口名称等；目的地址和掩码是整个表的关键字, 唯独地确定到某目的地的路由

14、；网关表示下一站路由器的位置,而接口名称就指出了应当向本机的哪个网络接口进行转发；路由表中每个表项仍有两个标志：标志 H表示该路由器是主机路由,即该路由项指明白到一台主机的具体路由；G就表示该地址是个有效路由的地址；确定一条路由是否符合要求的方法就是把IP 报文中的目的地址跟路由表的每一项中的掩码做“ 与” 运算,看其结果是否与相应的路由项中的目的子网地址相等；在查找路由表时,要求使用正确匹配原就；由于在路由表中,每条路由的掩码长度不一样,假如有多条成功匹配的路由项,就选择掩码最长的项所对应的路由；例题：路由器 R的路由表如下序号目的网络子网掩码下一跳转发端口1 166.111.64.0 25

15、5.255.240.0 R1端口 1 Port2 2 166.111.16.0 255.255.240.0 直接交付Port1 3 166.111.32.0 255.255.240.0 直接交付Port2 4 166.111.48.0 255.255.240.0 直接交付Port3 5 0.0.0.0默认路由 0.0.0.0 R2端口 2 Port1 现路由器收到下述分别发往H1 20.134.245.78 H2 166.111.64.129 H3 166.111.35.72 H4 166.111.31.168 H5 166.111.60.129 H6 192.36.8.73 6 个目的主机的

16、数据报,路由器如何交付？11 / 17 H1 ：20.134.245.78255.255.240.0=20.134.240.0 路由器通过 R2 端口 2 交付给 Port1 H2 ：166.111.64.129255.255.240.0=166.111.64.0 路由器通过 R1端口 1 交付给 Port2 H3 ：166.111.35.72255.255.240.0=166.111.32.0 路由器直接交付给 Port2 H4 ：166.111.31.168255.255.240.0=166.111.16.0 路由器直接交付给 Port1 H5 ： 166.111.60.129255.25

17、5.240.0=166.111.48.0 路由器直接交付给 Port3 H6 ：192.36.8.73255.255.240.0=192.36.0.0 路由器通过 R2端口 2 交付给 Port1 12 / 17 5.3.2 IPv6 协议在 IPv6 的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题之外,仍考虑了在 IPv4 中解决不好的其他问题,主要有端到端 IP 连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等；1. IPv6 报文结构IPv6 基本报头扩展报头上层协议数据单元2. IPv6 地址单播地址组播地址泛播地址3. IPv6 地址支配情形5.3.3 IPv4 向 IPv6

18、 的过渡1. 兼容 IPv4 的 IPv6 地址2. 双 IP 协议栈3. 基于 IPv4 隧道的 IPv6 5.4 网络把握协议5.4.1ICMP协议（ Internet把握报文协议）特地用于发送差错报文的协议；ICMP协议与 IP 协议相互依靠： IP 在需要发送一个差错报文时要使用 ICMP,而 ICMP利用 IP 来传递报文；ICMP差错报文分别包括一下 5 种：源抑制；超时；目的不行达；重定向；要求分段；ICMP的信息报文包括以下几种：应答 / 回应请求；地址掩码请求 / 应答；（ P92）13 / 17 5.4.2地址解析协议（ARP）IP 数据报的报头使用的是IP 地址, MAC

19、帧的帧头使用的是物理地址,在网络层以上使用 IP 地址,以下就使用的是物理地址；5.4.3在以太网等局域网中,使用地址解析协议来实现 IP 地址和 MAC地址的转换；反向地址解析协议（RARP）RARP协议可以实现 MAC地址到 IP 地址的转换；RARP包和 ARP包的格式类似,不同的是,在 RARP请求包中是发送者填充的源端物理地址,而源端 IP 为空；14 / 17 5.5 网络层设备物理层设备：又称一层设备,比如粗缆或者细缆的中继器（互联,通过对传输信号的放大和再生扩展网络的物理掩盖范畴；Repeater ）,在物理层实现数据链路层设备：又称为二层设备,比较典型的是交换机和网桥；网络层

20、设备： 又称三级设备, 路由器是代表性的互连设备,转发和协议转换；供应了在不同网络上的分组高层设备：网络层以上的互连设备,通称为网关,主要进行高层协议的转换；5.5.1 路由器 路由器是工作在 OSI 参考模型的第三层即网络层的互连设备；硬件路由：专用软件（CPU、各类内存、各种端口）加上专用的特殊操作系统来实现；软件路由：一般的运算机安装通用操作系统软件来实现；1. 路由器的功能特点 两个最基本的功能：路由选择和数据转发；路由器已经不仅仅局限于在广域网上供应最短路径查找、数据包转发功能, 它仍能供应 包过滤、多播、 数据加密和阻隔非法拜望等高级网络数据把握功能,仍能进行流量把握、拥 塞把握、计费等网络治理功能；2. 路由器的工作原理路由器通过路由选择算法,建立并爱护一张路由表；路由表包含着目的地址和下一跳路由器地址等多种路由信息；路由表中的路由信息指明每一台路由器应当把数据包转发给谁,它的下一跳路由器地址是什么等；路由器依据路由表供应的下一跳路由器地址,将数据包转发过去；通过把数据包一级级的转发到下一跳路由器的方式,最终把数据包传送到目的地；路由器的工作原理如下图所示；15 / 17 路由器收到一个数据数据链路层判定封装的是IP数据包NIP协议检验是否正