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第4章 网络层：数据层面(Network Layer: Data Plane)

4.1 网络层概述

• 网络层核心功能：
  • 转发：将 分组 从路由器的输入端口 转移到 合适的输出端口
  • 路由：确定 分组 从源 到 目的 经过的路径
• 网络层连接 和 传输层连接 对比：
  • 网络层连接：两个主机之间（路径上的路由器等网络设备参与其中）
  • 传输层连接：两个应用进程之间（对中间网络设备透明）
• 网络服务模型：
  • 无连接服务：
    **数据包网络(datagram network)**提供无连接服务
    不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定路径，不同分组可能传输路径不同
  • 连接服务：
    虚电路网络(virtual-circuit network) 提供连接服务
    首先为分组传输确定 从源主机到目的主机的路径(建立连接)
    然后 沿该路径传输 系列分组
    系列分组传输路径相同
    传输结束后拆除连接
• 网络层的设计思路
  ① 网络层向上只提供简单灵活的，无连接的、尽最大努力交付的数据报服务
  ② 网络在发送分组时不需要先建立连接
  ③ 每一个分组独立发送，与其前后的分组无关
  ④ 网络层不保证分组传送服务的质量，由主机中的传输层负责可靠的通信
• 在查找转发表时，采用最长前缀匹配原则 （与分组目的地址匹配前缀最长的输出端口）

路由(router)

• 路由器 主要工作：转发分组
  把从某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地，从当前路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器
• 转发 和 路由选择 区别
  
• 路由器 输入端口
  
• 路由器 输出端口
  
• 常用的三种交换结构：
  • 通过存储器
    
  • 通过总线
    
  • 通过互联网络 / 纵横交换结构
    
• 输出端口队列
  排队时延 和 丢失 的原因：输出端口缓冲区溢出
• 输入端口队列
  

4.2 IP: Internet Protocol

• 网络层功能
  
• 与 IP 协议配套使⽤的还有三个协议
  1. 地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)
  2. 网际控制报⽂协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)
  3. 网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)

分类 IP 地址

• 分类
  
  • 各类IP地址的 指派范围
    
  • 一般不使用的特殊IP地址
    
  • 私有 IP 地址
    
  • 分类的 IP地址 的优缺点
    

子网划分

参考资料：划分子网

• 为什么要划分子网
  ① 节省IP资源，提高IP地址利用率
  ② 给每一个物理网络分配一个网络号会导致路由表变大，网络性能变差
  ③ 减少广播的负面影响
• 划分思路：从主机号借⽤n位作为⼦⽹号 subnet-id
• 子网划分方法：
  • 定长子网：固定长度子网，所划分的所有⼦⽹的⼦⽹掩码都是相同的
  • 变长子网：长度变化的子网
• 示例
  
  
• 子网掩码 (Subnet Mask / Netmask)
  • 32位地址，与IP地址结合使用的技术
    A类地址默认的子网掩码是 255.0.0.0
    B类地址默认的子网掩码是 255.255.0.0
    C类地址默认的子网掩码是 255.255.255.0
  • 作用：
    ① 屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上
    ② 将一个大的IP网络划分为若干小的子网络
  • 规则：
    将 32位的子网掩码 和 IP地址的二进制形式 进行“按位与”操作，得到的是 网络地址
    
  • 具体使用：
    ① 路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器
    ② 路由器的路由表中的每一个项目，要同时给出 目的网络地址 和 该网络的子网掩码
    ③ 一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码
    ④ 不同的子网掩码可能得出相同的网络地址，但其意义不同（子网的划分方式不同）

无分类域间路由 CIDR

• CIDR (Classless Inter-Domain Routing)：无分类域间路由选择，消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间，但是不能解决IP地址枯竭的问题
• 网络前缀
  • 示例：128.14.35.7/20中，斜线后的20代表 IP地址的前20位是网络前缀
• 地址块
  • 网络前缀都相同的所有连续的 IP 地址组成一个CIDR地址块
  • 示例：128.14.35.7/20 所在的地址块为 128.14.32.0/20；
    128.14.35.7/24 所在的地址块为 128.14.35.0/24
• 地址掩码 / 子网掩码
  • 网络前缀的数值 = 子网掩码中前面1的个数
  • 示例：128.14.35.7/20的地址掩码为255.255.240.0
• 构造超网
  每个CIDR地址块中的地址数一定是2 的整数次幂，此在文献中有时称 CIDR 编址为“构造超网”。
• 特殊的CIDR地址块
  
• 路由聚合
  

IP 地址的特点

• ① 每个 IP 地址都由网络前缀和主机号两部分组成
  IP 地址是一种分等级的地址结构
  方便了IP 地址的分配和管理
  实现路由聚合，减小了转发表所占的存储空间，以及查找转发表的时间
• ② IP 地址是标志一台主机（或路由器）和一条链路的接口
  当一台主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号必须是不同的。这种主机称为多归属主机
  一个路由器至少应当连接到两个网络，因此至少应当有两个不同的 IP 地址
• ③ 转发器或交换机连接起来的若干个局域网仍为一个网络
  一个网络（或子网）是指具有相同网络前缀的主机的集合
  转发器或交换机连接起来的若干个局域网都具有同样的网络号，它们仍为一个网络
  具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连
• ④ 在 IP 地址中，所有分配到网络前缀的网络都是平等的
  互联网同等对待每一个IP地址，不管是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网

4.3 地址解析协议 ARP

• 作用：从 IP地址 解析出 MAC地址

• ARP 工作原理 - 同局域网
  

  • ARP 查找IP地址对应MAC地址
    在本局域网中广播发送 ARP请求（路由器不转发ARP请求）
    ARP 请求：[源MAC | 源IP | 目的MAC或0 | 目的IP] （目的MAC未知时 填0）

• ARP 缓存
  存放 IP地址 到 MAC地址的 映射表，映射表动态更新 (新增或删除)

  • 作用：
    ① 存放最近获得的 IP 地址到 MAC 地址的绑定
    ② 减少 ARP 广播的通信量
    ③ 为进一步减少 ARP 通信量，主机A 在发送其ARP请求分组时，就将自己的 IP 地址到 MAC 地址的映射写入ARP请求分组
    ④ 当主机 B 收到 A 的 ARP 请求分组时，就将主机A的IP地址及其对应的 MAC 地址映射写入主机 B 自己的ARP 高速缓存中。不必在发送 ARP 请求

• ARP 工作原理 - 跨局域网

  • 情景：
    
  • 上图数据包传输流程：
    ① A主机 向本局域网广播发送 ARP请求，询问路由器 R₁ 的 MAC地址
    ② 路由器 R₁ 回复 A主机 R₁的MAC地址
    ③ 主机A把 IP数据包 外层封上MAC(R₁)，将该帧发给 路由器R₁
    ④ 路由器 R₁ 解包MAC帧，根据数据包的头部目的IP，向其他局域网广播发送 ARP请求，询问 B主机 的 MAC地址
    ⑤ B主机 回复R₁ B主机的MAC地址
    ⑥ 路由器R₁ 把 IP数据包 外层封上MAC(B)，将该帧发给 B主机

4.4 IP 数据包格式

• IP数据包头部结构
  • 版本：4位，IP协议的版本，IPv4 对应 4
  • 首部长度：4位，首部长度的1表示1个单位4字节，即首部4位最大能表示的长度是15单位，首部最大60字节。
  • 总长度：16位，首部和数据的总长度，单位字节
  • 标识 (identification)：16位，通过计数器产生，可以唯一标识一个IP报文，同一IP报文的不同分片中标识相同
  • 标志 (flag)：3位，与分片相关
    第1位是 MF，MF=1 后面还有分片，MF=0 最后一片
    第2位是 DF，DF=1 不允许分片，DF=0 允许分片
  • 片偏移：13位，当前分组的首单位在原数据包的位置，片偏移以8个字节为偏移单位
  • 生存时间 (TTL)：8位，指示数据报在网络中可通过的路由器数的最大值
  • 协议：8位，表示数据包的数据使用什么协议（TCP / UDP / ICMP / IGMP / OSPF）
  • 首部校验和：16位，只检验数据包首部，不校验数据，每经过一个路由器就校验一次，错误则丢弃
  • 源地址 和 目的地址：32位

路由转发示例

• 主机跨局域网转发
  
• 路由器转发
  

路由器转发算法

使用二叉树查找转发表

• 二叉树构造规则
  
• 二叉树使用规则
  ① 使用目的IP的网络地址 在二叉树中匹配
  • ② if 找到一个叶节点，将目的IP与该叶结点对应的子网掩码 按位AND计算，看网络前缀是否匹配
    ③ 若匹配，转发分组到吓一跳路由器；否则丢弃该分组
  • ② if 在二叉树中找不到匹配的叶节点，则 检查是否存在默认路由
    ③ 若存在则转发分组到指定默认路由器，否则丢弃分组

4.5 IP分配技术

DHCP

参考资料： DHCP相关报文 - CSDN

• DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 动态主机配置协议，基于UDP工作，DHCP Server Port = 67，DHCP Client Port = 68
• 作用：允许主机在加入网络时从网络服务器动态获取自己的IP地址
  • 可以续租使用的IP地址上
  • 允许重用地址(只有保持地址时连接/“on”)
  • 支持移动用户谁想加入网络(更简短)
• 向DHCP申请IP地址流程：
  〇 Host 广播 - DHCP discover (可选操作)
  〇 DHCP服务器 回复 - DHCP offer (可选操作)
  ① Host 请求IP地址 - DHCP request
  ② DHCP服务器 发送地址 - DHCP ack
  其中 DHCP返回 IP地址，第一跳路由器IP地址，DNS服务器名和IP地址，子网掩码
  
• 运行示例：
  ① 联网笔记本需要获取自己的IP地址，第一跳路由器地址和DNS服务器：采用DHCP协议
  ② 客户端 DHCP 请求被封装在UDP段中,封装在IP数据报中，封装在以太网的帧中
  ③ 以太网帧在局域网范围内广播 (dest: 255.255.255.255) ，被运行DHCP服务的路由器收
  到
  ④ 在DHCP路由器处，以太网帧解封装成IP，IP解封装成UDP，解封装成DHCP
  ⑤ DHCP服务器生成DHCP ACK，包含客户端的IP地址，第一跳路由器的IP地址和DNS域名服务器的IP地址
  ⑥ DHCP服务器封装的报文所在的帧转发到客户端，在客户端逐层解封装成DHCP报文
  ⑦ 客户端知道它自己的IP地址，DNS服务器的名字和IP地址，第一跳路由器的IP地址

NAT 网络地址转换

• NAT (Network Address Translation) 在专用网连接到互联网的路由器上安装NAT软件，NAT路由器至少有一个有效的外部全球 IP 地址，所有使用本地地址的主机在和外界通信时，都要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球 IP 地址，才能和互联网连接
• 图示：
  
• NAT 特点：
  • 本地网络只有一个有效IP地址，不要从ISP分配一块地址（省钱）
  • 可以在局域网改变设备地址的情况下无需通知外界
  • 改变ISP分配的地址时，不需要改变内部设备地址
  • 局域网内部设备没有明确的地址，对外不可见（安全）
• NAT 转换：
  • 向外传输数据包时，替换<源IP地址, 端口号> 为 <NAT_IP, 新端口号>，目的IP地址和端口号不变
  • NAT路由器 在NAT转换表中 记录每个替换对
  • 向内传输数据包时，替换<目的IP, 端口> 采用存储在NAT表中的mapping表项<源IP, 端口>
    
• NAT穿越问题
  • 问题：客户段需要连接NAT路由器下的服务器，整网对外只要有一个地址
  • 方法1：静态配置NAT：转发进来的分组对服务器特定端口连接请求
  • 方法2：允许NAT下的主机可以获知网络的公共IP，列举存在的端口映射，在租期内增删端口映射
  • 方法3：在NAT外建立中继连接，外部客户端和NAT内部的服务器在中继处桥接

ICMP

• ICMP (Internet Control Message Protocol) 网际控制报文协议：允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告

• ICMP报文种类（2种）：差错报告报文，询问报文

• ICMP询问报文：
  

• 不应发送ICMP差错报文的情况
  

• 应用举例：

  • ping 命令：用来测试两个主机之间的连通性
    使用 ICMP回送请求和回送回答报文
    应用层直接使用网络层ICMP，没有通过传输层

4.6 IPv6

• IPv6：Internet Protocol version 6，用于解决 IPv4 地址枯竭问题
• 主要变化：
  
  

IPv6数据报结构

• 基本首部：固定 40字节

  • 版本：4位，IPv6对应6
  • 流标号：路由相同的数据报具有相同的流标号
  • 有效载荷长度：16位，拓展首部+数据部分的长度和，最大值为64KB
  • 跳数限制：8位，类似IPv4首部的TTL字段
  • 源地址 / 目的地址：128位
    

• 有效载荷：0-n个拓展首部 + 数据部分

  • 拓展首部类型：逐跳选项，路由选择，分片，鉴别，封装安全有效载荷，目的站选项

• IPv6三种基本类型

  • 单播：一对一
  • 多播：一对多
  • 任播：交付目标为一组计算机中最近的一个(路由算法计算距离)

• 新概念：节点、接口
  

• IPv6地址写法：

  • 冒号十六进制 记法：16个十进制数→8个4位十六进制数
    
  • 零压缩：一对冒号代表一串0，0:0:0:0... → ::，一个地址只能用一次
  • 点分十进制记法的后缀：斜线表示法
    

IPv4 向 IPv6 过渡

• 方法：逐步演进，向后兼容（IPv6 系统必须能够接收和转发IPv4分组，并且能够为IPv4 分组选择路由）
• 两种过渡策略：

  • ① 双协议栈
    

  • ② 隧道技术
    

ICMPv6

END 练习

• [子网掩码计算练习] 已知 IP 地址是 141.14.72.24，子网掩码是255.255.192.0。试求网络地址。
  

第5章 网络层：控制层面(Network Layer: Control Plane)

5.1 路由选择算法

LS: link state 链路状态算法

• 符号标记：
  
• LS算法
  
  

Flooding 洪泛算法

• 基本思想：把收到的每一个包，向除了该包到来的线路外的所有输出线路发送
• 缺点：产生大量重复包
• 解决方案：每个包头部包含计数器，每经过一站计数器减1，减至0丢弃该包
  记录包经过的路径

DV: distance vector 算法

• 基本思想：与相邻路由器交换路由表，更新自己的路由表
• 示例：
  
• 保证路由表正确性的方法（6种）
  • 最大度量值：针对不同协议有不同的最大度量值；当路由表中的度量值达到最大度量值时，认为路由失效，并移除这条路由。
  • 水平分割：一个方向发来的路由信息，不能再放入该方向的路由更新包中 并且 又发回那个方向
  • 路由中毒：网络中出现故障时，通知邻居节点该网段不可用
  • 毒性反转 / 反向下毒：被通知该网段不可用的邻居节点也会通知原节点，自己也不能使用该网段
  • 保持时间：不可用信息还会再保持一定时间才会被删除
  • 触发更新：当路由器发现某个网段出现故障时，立刻发送路由更新包来通知邻居，而不用等到下一次发送路由更新包的时间
• 6种方法联合应用示例：
  
  
  
  
  

层次路由算法

5.2 内部网关协议 RIP

RIP 路由信息协议

OSPF 开放最短路径协议

• 使用Dijkstra的最短路径算法，采用分布式的LS协议
• 主要特点：
  
• 高级特性：
  

BGP 协议

• 主要特点
  
• eBSP 和 iBGP连接
  

END 练习

• 考虑图中所示的网络。使用Dijkstra算法(LS Route)和一个类似于表5-1的表来说明你做的工作:
  
  a. 计算出从 t 到所有网络节点的最短路径
  b. 计算出从 u 到所有网络节点的最短路径
  c. 计算出从 v 到所有网络节点的最短路径
  d. 计算出从 w 到所有网络节点的最短路径
  e. 计算出从 y 到所有网络节点的最短路径
  f. 计算出从 z 到所有网络节点的最短路径

答：解a，N=tuvwxyz

步骤	N’	D(t),p(t)	D(u),p(u)	D(v),p(v)	D(w),p(w)	D(x),p(x)	D(y),p(y)	D(z),p(z)
1	t		2, t	4, t	∞	∞	7, t	∞
2	tu			4, t	5, u	∞	7, t	∞
3	tuv				5, u	7, v	7, t	∞
4	tuvw					7, v	7, t	∞
5	tuvwy					7, v		19, y
6	tuvwyx							15, y
7	tuvwyxz