计算机网络 - 网络层
第四章 - 网络层
来源Bilibili湖科大教书匠计算机网络教程：计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）
网络层概述
网络层的主要任务是 实现网络之间的互联 ，进而实现数据包在各个网络之间的传输
主要需要解决以下问题：
- 网络层向运输层提供怎样的服务（可靠，不可靠）
- 网络寻址问题
- 路由选择问题
网络层提供的两种服务
面向连接的虚电路服务
无连接的数据包服务
- 可靠通信应当由用户主机来保证
- 不需要建立网络层连接
- 每个分组可走不同的路径
- 每个分组的首部必须携带目的主机的完整地址
- 可能会发生误码，失序，重复
- 由于网络本身不提供端到端得到可靠服务，使得网络中的路由器可以做的比较简单，而且价格低廉
- 将复杂的网络处理功能置于因特网的边缘（用户主机和其内部的运输层）
IPv4地址及其应用
IPv4地址概述
分类编址的IPv4地址
A类地址
- 最小网络号为 0 ，保留不指派
- 第一个可指派的网络号 为 1，网络地址为 1.0.0.0
- 最大网络号 127，作为本地环回地址，不指派
- 最小的本地环回地址 127.0.0.1
- 最大的是 127.255.255.254
- 最后一个可指派的网络号为 126 ，网络地址为 126.0.0.0
- 可指派得到网络号数量 2^(8-1) - 2 = 126 (减去 0 和 127)
- 每个网路中可分配的 IP 地址数量 2^24-2 = 16777214 （减去 全0的网路地址 和 全1的广播地址）
B类地址
C类地址
划分子网的IPv4地址
划分子网是从主机号中借用几位用来表示子网号
子网掩码用 连续的1 来表示网络号和子网号所占的位数
无分类编址的IPv4地址
问题：
CIDR （无分类域间路由选择）使用
斜线记法或 CIDR 记法，在斜线后边 写上网络前缀所占比特数量
CIDR 实际上是将网络前缀都相同的 IP 地址组成一个
CIDR地址块
路由聚合（构造超网）
将多条路由记录进行分析，找到相同的前缀，得出聚合地址块：172.1.4.0/22
- 网络前缀越长，地址块越小，路由越具体
- 若在分组转发时，发现有多条路由可选，则选择网络前缀最长的那条，称为
最长前缀匹配
IPv4地址的应用规划
定长的子网掩码，变长子网掩码
IP数据报的发送和转发过程
- IP数据报的发送和转发过程包含以下两个部分
- 主机发送IP数据报
- 路由器转发IP数据报
举例：这是两个由路由器相连的网络
直接交付 ：源主机与目的主机在同一个网络中
间接交付 ：源主机与目的主机不在同一个网络中
当主机发送数据报时，如何知道目的主机是否与自己在同一个网络中?
当 C 向 F 发送数据时，先将C的 源地址与子网掩码相与后的结果 与 目的F的地址与C的子网掩码相与的结果 相比较，若不相等则证明不在同一个网络
主机C 如何知道路由器 R的存在？
默认情况下每台主机都有 默认网关地址 即所连路由器的地址 ，当知道 主机 目的地址与源地址不在同一个网络时 ，便会将数据报发送至 网关路由 ，由其帮忙转发
路由器收到数据报如何转发？
检查IP数据包首部是否出错：
- 若出错，则直接丢弃并通告源主机
- 若没有，则进行转发：根据目的地址在路由表中查找相匹配的条目，若找到，则转发给条目中所指示的下一跳，若找不到通告源主机
A —> D
- 查表
- 比较
将目的主机与路由表中条目的子网掩码相与，得到目的网络后比较，相同则根据下一条所指示转发
路由器具有隔离广播域的效果
静态路由配置及其可能产生的路由环路问题
路由选择协议
路由选择协议概述
静态路由选择
- 由人工配置的网络路由、默认路由、特定主机路由、黑洞路由等都属于静态路由
- 这种人工配置方式简单、开销小。但不能及时适应网络状态（流量、拓扑）的变化。
- 一般只在小规模网络中采用
动态路由选择
- 路由器通过路由选择协议自动获取路由信息
- 比较复杂、开销也比较大，能较好的适应网络状态的变化。
- 适用于大规模网络。
因特网所采用的路由选择协议的主要特点
- 自适应：动态路由选择，能较好的适应网络变化
- 分布式：路由器之间交换路由信息
- 分层次：将整个因特网划分为许多个小的自治系统AS
路由器的基本结构
路由信息协议RIP的基本工作原理
- RIP要求自治系统AS 内的每一个路由器都要维护从他自己到AS内其他每一个路由器的距离记录。称为
距离向量 - RIP 使用跳数作为度量来衡量到达目的网络的距离
- 路由器到直连网络的距离定义为 1
- 路由器到非直连网络的距离定义为所经过的路由器数+ 1
- 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。即 距离 等于 16相当于不可达，因此 RIP 只适合小型互联网。
- RIP 存在 “坏消息传得慢“ 的问题
开放最短路径优先OSPF的基本工作原理
OSPF 是基于
链路状态的，而不像RIP那样是基于距离向量的OSPF采用SPF 算法计算路由，从算法上保证了
不会产生路由环路OSPF不限制网络规模，更新效率高，收敛速度快，RIP 规定一条路径不能超过 16个路由器
链路状态是指 本路由器和哪些路由器相连，以及相应链路的代价代价用来表示费用，距离，时延，带宽，等等。
OSPF 相邻路由器之间通过交换 问候（Hello）分组，建立和维护邻居关系。
Hello 分组封装在 IP数据报中
发送周期为10 s
40 s 未收到来自相邻路由器的 Hello 分组 ，则认为该邻路由器不可达。
使用 OSPF 的每个路由器都会产生
链路状态通告LSA包含以下内容：- 直连网络的链路状态信息
- 邻居路由器的链路状态信息
LSA被封装在链路状态分组LSU中，采用 “洪泛法”发送
- 洪泛法：就是路由器通过所有输出端口向所有相邻路由器发送信息，而相邻路由器向其所有的路由器发送此信息
使用 OSPF 的每个路由器 都有一个链路状态数据库LSDB，用于存储 LSA 。
- 使用 OSPF 的各路由器 基于LSDB 进行最短路径优先SPF 计算，构建出各自到达其他路由器的最短路径，即路由表。
边界网关协议BGP的基本工作原理
IPv4数据报的首部格式
版本：占 4 比特，表示协议的版本，通信双方使用的IP协议版本必须一致。目前广泛使用的还是IPv4。
首部长度：占 4 比特，表示IP数据报首部的长度。该字段的取值以4 字节 为单位。十进制值 最小值为 5 ，最大值为 15
可选字段：长度从 1字节 到 40 字节不等。用来支持排错，测量即安全等措施。
填充字段：确保首部长度为 4字节 的整数倍，使用 全零 填充。
区分服务：占 8 比特，用来获得更好的服务。
总长度：占 16比特 ，表示 整个IP数据报 的长度。最大值为 65535，以字节为单位。
标识、标志、片偏移：这三个字段共同用于
IP数据报分片- 当 IPv4 数据报长度 超过 MTU时，无法封装，需要进行分片。以太网规定 MTU为1500字节
- 标识：占16位，属于同一个数据报的各分片数据报应具有相同的标识
- 标志：占 3 比特，DF 位：1表示允许分片 MF位：1表示 后边还有分片，0表示这是最后一个分片，保留位：必须为0
- 片偏移：占 13 比特，指出分片数据报的数据载荷部分偏移其原数据的位置有多少个单位，片偏移以8字节为单位。
生存时间：占 8 比特，最初以秒为单位，最大生存周期为 255 秒，现在以
跳数为单位，路由器转发 IP数据报时，将IP数据报首部中的该字段减1，若不为0就转发，若为0就丢弃。协议：占 8比特 ，指明 当前数据报 的数据部分 使用的是 何种协议数据单元。
常用的一些协议和相应的协议字段值如下。
首部检验和：占 16 比特，用来检验首部在传输过程中是否出现差错。
源 IP 地址 ：32 比特
目的 IP 地址：32 比特
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地机会，在网际层使用了网际控制报文协议 ICMP
- 主机或路由器使用 ICMP 来发送
差错报告报文和询问报文 - ICMP 报文被封装在IP数据报中发送
ICMP 差错报告报文共有以下 五种：
终点不可达
源点抑制
时间超过
参数问题
改变路由
