计算机网络-第4章 网络层

4.1网络层的几个重要概念

4.1.1网络层提供的两种服务

电信网面向连接通信方式，虚电路VC。

互联网设计思路：网络层要设计得尽量简单，向其上层只提供简单灵活的，尽最大努力交付的数据报服务。

网络层不提供服务质量的承诺，由主机中的运输层负责。

虚电路服务与数据报服务的主要区别：①虚电路服务可靠通信应当由网络来保证，数据报服务可靠通信应当由用户主机来保证。②虚电路服务必须有连接的建立。③终点地址虚电路服务仅在建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号，数据报服务每个分组都有完整地址，即IP地址。④当节点出故障时，所有通过出节点的虚电路均不能工作，对于数据报服务，出故障的节点可能会丢生分组，一些路由可能会发生变化。⑤分组的顺序，虚电路服务总是按发送顺序到达终点，数据报服务到达终点的顺序不一定按发送的顺序。⑥端到端的差错处理和流量控制，虚电路服务可以由网络或用户主机负责，数据报服务则由用户主机负责。

4.1.2网络层的两个层面

路由器之间传送的信息分类：

①转发源主机和目的主机之间所传送的数据。

②传送路由信息。

在数据层面把收到的分组从查找到的对应接口转发出去。在控制层面路由器与相邻路由器交换路由信息，创建本路由器的路由表。

4.2网际协议IP

目前为IPv4，较新版本有IPv6

与协议IP配套使用的三个协议：

①地址解折协议ARP。②网际控制报文协议ICMP。③网际组管理协议IGMP。

4.2.1虚拟互连网络

没有一种单一的网络能够适应所有用户的需求。

四种中间设备：①物理层使用的中间设备叫作转发器。②数据链路层使用的中间设备叫作网桥或桥接器，以及交换机。③网络层使用的中间设备叫作路由器。④在网络层以上使用的中间设备叫作网关。

由于历史的原因，许多有关TCP/IP的文献曾经把网络层使用的路电器称为网关。

主机对主机。不需要经过任何路由器是直接交付，如路由器→主机。反之为间接交付。

互联网可以由多种异构网络互连组成。

4.2.2IP地址

1，IP地址及其表示方法

整个互联网就是一个单一的，抽象的网络。IP地址就是给连接到互联网上的每一台主机或路由器的每一个接口，分配一个唯一的32位标识符。含义就是这个IP地址不但标志了这个主机，而且还标志了此接口所连接的网络。

两级结构：第一个字段是网络号，第二个字段是主机号。

IP地址指明了连接到某个网络上的一个主机或路由器。

2，分类的IP地址

A类n=8，B类n=16，C类n=24。n为网络号占的位数。ABC类都是单播地址，D类是多播地址，E类是保留地址。

3，无分类编址CIDR

无分类域间路由选择CIDR

要点：①网络前缀，把网络号改称网络前缀。使用斜线记法。②地址块：把网络前缀都相同的所有连续的IP地址组成一个CIDR地址块。③地址掩码又称子网掩码，在CIDR记法中，斜线后面的数字就是地址掩码中1的个数。

三个特殊地址块：①n=32，用于主机路由。②前缀n=31，用于点对点链路。③前缀n=0同时IP地址也是全0，用于默认路由。

CIDR编址另称为构造超网。

路由聚合：在路由器的转发表中利用较大的一个CIDR地址块来代替许多较小的地址块。压缩了转发表所占空间，减少了查找所需时间。网络前缀越短的地址块所包含的地址数越多。

4，IP地址特点：①由网络前缀和主机号两部分组成。②标志一台主机和一条链路的接口。③用转发器或交换机连接起来的若干局域网仍为一个网络。④平等。

4.2.4地址解析协议ARP

将IP地址解析为MAC地址。每一台主机都设有一个ARP高速缓存，里面存有本局域网上的各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表。

过程：请求分组→收到请求分组→响应分组→收到响应分组。

从IP地址到MAC地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。

4.2.5IP数据报的格式

其说明协议IP都具有什么功能。

一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分长度是固定的，共20字节，固定部分后面是一些可选字段，长度可变。最长60字节。

首部固定部分各字段：版本 4位，首部长度 4位，区分服务DS 8位，总长度 16位，标识 16位，标志 3位，片偏移 13位，生存时间 8位，协议 8位，首部检验和 16位，源地址 32位，目的地址 32位。

标志日前只有两位有意义，最低位记为MF，MF=1，还有分片。=0，最后一片。中间位记作DF，DF=1不能分片。

生存时间TTL：数据报在网络中的寿命，路由器在每次转发数据报之前把TTL值减1。

可变部分1到40字节，为了增加IP数据报功能。

4.3IP层转发分组的过程

①基于终点的转发：根据分组中的目的地址查找转发表。

②最长前缀匹配：主机路由又叫作特定主机路由。默认路由。

先基于终点转发，没有则最长前缀匹配，若有默认路由则使用默认路由。

4.6互联网的路由选择协议

1，理想路由算法：①正确完整。②简单。③有自适应性。④稳定性。⑤公平性。⑥最佳的。

两类：静态路由选择策略：简单和开销较小，不能及时适应网络状态变化。动态路由选择策略：自适应性好，复杂，开销大。

路由选择协议：内部网关协议IGP。外部网关协议EGP。

自治系统之间的路由选择也叫作域间路由选择，而在自治系统内部的路由选择叫作域内路由选择。

4.6.2内部网关协议RIP

基于距离向量的路由选择协议，要求网络中每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。距离等于16时即相当于不可达。只适用于小型互联网。

RIP不能在两个网络之间同时使用多条路由。RIP选择一条具有最少网络数的路由。

特点：①仅和相邻路由器交换信息。②交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己现在的路由器。③按固定的时间间隔交换路由信息。

距离向量算法。好消息传播得快，坏消息传播得慢。

优：实现简单，开销较小。缺：限制了网络的规模，坏消息传播的慢。

4.6.5路由器的结构

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机。任务是转发分组。

整个路由器可划分为路由选择部分和分组转发部分。转发仅涉及一个路由器，但路由选择涉及很多路由器。在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发表和路由表的区别，而可以笼统地都使用路由表这一名词。

交换结构：①通过存储器，②通过总线，③通过互连网络。

4.8虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

在互联网中的所有路由器，对目的地址是专用地址的数据报一律不能转发。专用地址：①10.0.0..0/8，②172.16.0.0/12，③192.168.0.0/16

专用IP地址也叫作可重用地址。

所有通过互联网传送的数据都必须加密。外联网VPN，远程接入VPN。