第四章 网络层 【期末复习|考研复习】

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第一章 计算机网络概述
第二章 物理层
第三章 数据链路层
第四章 网络层
第五章 传输层
第六章 应用层
第七章 网络安全
计算机网络整理-简称&缩写

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前言

给大家整理了一下计算机网络中的重点概念，以供大家期末复习和考研复习的时候使用。
参考资料是王道的计算机操作系统和西电的计算机操作系统。

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四、网络层

4.1 网络层功能

网络层的传输单位分组/数据包（数据包是比较长的分组），把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务，包括：1、异构网络互联（物理层中继系统：中继器、集线器hub；数据链路层中继系统：网桥、交换机switch；网络层中继器：路由器；网络层以上的中继系统：网关）。2、路由与转发（路由选择与分组转发）。3、拥塞控制（开环控制、闭环控制）。

4.1.1 电路交换、报文交换与分组交换

电路交换：建立时延大，传输时延小，通信实时性强。缺点：无纠错功能，有差错。
报文交换：数据交换的单位是报文，无需建立连接，动态分配线路。现在已被分组交换替代。
分组交换：时延比报文交换小，无建立时延，线路利用高，简化存储管理，减少出错量。分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务，分为面向连接的虚电路方式（建立逻辑连接）和无连接的数据报方式。

4.1.2 网际层协议IP

1、ARP地址解析协议Address Resolution Protocol：根据IP地址获取物理地址。2、RARP反地址解析协议。3、.ICMP网际控制报文协议Internet Control Message Protocol：通过ICMP传输控制消息，控制消息是指网络通不通，主机是否可达，路由是否可用等网络本身的消息。4、IGMP互联网组管理协议Internet Group Management Ptotocol：（组播）适用于管理协议多播组成员的一种通信协议。IP主机和相邻路由器利用IGMP来创建多播组的组成员。组播方式解决了单播情况下数据的重复拷贝及带宽的重复占用，也解决了广播方式下带宽资源的浪费。

4.2 路由算法与路由协议

静态路由算法（非自适应路由算法）有网络管理员手动配置路由信息。开销小，较为简单。
动态路由算法（自适应路由算法）开销大，能改变网络性能有助于流量控制，但算法复杂。分为距离-向量路由算法（RIP-Routing Information Protocol）和链路状态路由算法（OSPF-Open Shortest Path First）均为内部网关协议。

4.2.1 距离-向量路由算法（RIP-Routing Information Protocol）

RIP是应用层协议，在传输层使用UDP传输数据。UDP数据报在IP数据报上增加了复用分用和差错控制。
RIP是基于距离向量的路由选择协议，优点：简单、交换的内容为自己的路由表。
1、每经过一个路由跳数（Hop）+1，优先选择跳数少的路径。2、RIP只允许一条路径最多包含15个路由器，当距离等于16时表示网络不可达，若超过180s未更新路由表，则把距离设未16。3、RIP默认每30s广播一次RIP路由信息，以便自动建立和维护路由表（动态维护）。4、RIP不支持子网掩码不同的RIP广播，RIP子网中子网掩码必须相同。5、RIP仅和相邻的路由器交换信息.6、坏消息传的慢，使得更新过程中收敛缓慢，慢收敛时产生路由回路的主要原因。6、OSPF支持可变长度子网划分和无分类域间路由选择CIDR

4.2.2 链路状态路由算法（OSPF-Open Shortest Path First）

OSPF为网络层协议，使用IP数据报传输数据。
1、OSPF用hello问候分组来保持邻居连接，使用迪杰斯特拉算法来构造最短路径。2、OSPF能够应用于更大的网络，将网络分为主干区域和其他自治区域。OSPF向本自治系统内所有的路由发送信息，使用方法为洪泛法。3、发送的信息是于本路由器相邻的所有的链路状态（该链路的“度量”）。4、只有当链路状态发生变化时，路由器采用洪泛层向所有路由器发送信息，并且收敛过程更快。（没发生变化就30分钟问一次）。

4.2.3 边界网关协议（BGP-Border Gateway Protocol）

RIP和OSPF为内部网关协议IGP，外部网关协议EGP：BGP
BGP是外部网关协议，为应用层的协议，在传输层使用TCP传输数据，交换的是一组完整的向量路径。
1、BGP交换路由信息的结点数量级是自治系统的数量级，较少。2、BGP支持无分类域间路由选择CIDR，BGP的路由表包括目的网络前缀，下一跳路由器，以及到达目的网络所要经过的各个自治系统。3、BGP与本结点相邻的路由器交换结点，首次交换整个路由表，非首次交换有变化的部分。

4.3 IPv4

4.3.1 TCP/IP协议栈图

TCP/IP协议组包括TCP、IP、ICMP、IGMP、ARP、RARP、UDP、DNS、FTP、HTTP
PPP是ISO提出面向字节的数据链路层协议，HDLC是ISO提出面向比特的数据链路层协议，不是TCP/IP族。

4.3.2 IPv4分组的格式

一个IP分组由首部和数据部分构成。首部固定20B。

总长度单位为1B，片偏移单位为8B，首部长度单位为4B。（一种八片首饰）。
IPv4首部长度占4为，最大十进制数为15，以4B为单位，最常用为20B，最长为60B。

4.3.2 常见IP地址使用范围

IP地址为一个32比特的全球唯一的表示符。分为网络号和主机号。

不做主机的IP地址：1、主机号全为0表示网络本身。2、主机号全为1表示本网络的广播地址。3、127.0.0.0表示环回自检地址。4、32位全为0表示本网络上的本主机。5、32位全为1表示TCP/IP的广播地址。6、网络号128.0、主机号192.0.0不指派。

4.3.3 网络地址转换NAT

NAT是指将专用网络地址转换为公用网络地址，从而对外部隐藏内部管理的IP地址。
NAT私有的IP地址网段如下
A 类私有地址：10.0.0.0~10.255.255.255
B类私有地址：172.16.0.0~172.31.255.255
C类私有地址：192.168.0.0~192.168.255.255
普通路由器在转发IP数据包时不改变其源IP地址和目的地址，而NAT路由器在转发IP数据包时一定要转换其IP地址，普通路由器仅工作在网络层，而NAT路由器转发数据包时需要检查和转换传输层的端口号。

4.3.4 子网划分和子网掩码、CIDR

由于二级IP地址的缺点为IP地址空间利用率较低使得路由表太大而网络性能变坏。子网划分是对主机号进行划分，IP地址={网络号，子网号，主机号}。
子网掩码为了告诉主机或路由器对A类B类C类网络进行进行了子网划分使用子网掩码来表达对原网络的主机号的借位，1对应IP地址中的网络号及子网号，0对应主机号。只需IP地址与相对于的子网掩码AND运算，则可得到相应的子网的网络地址。
由于子网掩码的存在因此对于路由表中每个条目除了要给出目的网络地址和下一跳地址外，还要同时给出该目的网络的子网掩码。
划分子网下的路由器的分组转发过程(1) 从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D。(2) 先用各网络的子网掩码和 D 逐位相“与”，看是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。否则就是间接交付，执行 (3)。(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行 (4)。(4) 对路由表中的每一行，将子网掩码和 D 逐位相“与”。若结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下一跳路由器；否则，执行 (5)。(5) 若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行 (6)。(6) 报告转发分组出错。

无分类域间路由选择CIDR

CIDR消除了传统ABC类地址及划分子网的概念，因此可以更有效的分配IPv4的地址空间，CIDR使用网络前缀的概念代替子网络的概念,因此IP地址的无分类两级编制为IP::={网络前缀，主机号}。采用斜线记法，即IP地址/网络前缀所占的比特数。通过逐位相与来得到该地址的网络前缀。
网络前缀相同的连续IP得知组成CIDR地址块，一个CIDR地址块可以表示多地址，这种集合称为路由集合或超网。路由器聚合有利于减少路由器之间的路由选择信息的交换从而提升网络的性能。

4.3.5 ARP、DHCP、ICMP

IP地址是网络层使用的地址，MAC地址是数据链路层使用的地址，网络层之上使用IP地址，IP地址放在IP数据包的首部，MAC地址放在MAC帧的首部，通过封装把IP数据报分组封装在MAC帧后，数据链路层看不到数据报分组的IP地址。因此，需要一种方法来完成IP地址到MAC地址的映射这就是地址解析协议ARP（Address Resolution Protocol）。

地址解析协议ARP

ARP的工作过程：ARP工作在网络层，ARP请求分组是广播发送，ARP响应分组是单播，从IP地址到硬件地址是自动进行的，每台主机设有一个ARP高速缓存用来存放ARP表，使用ARP来动态维护ARP表。

动态主机配置协议DHCP

DHCP动态主机配置协议属于应用层协议，是基于UDP的并且即插即用。它的工作原理如下：使用客户/服务器方式。需要IP地址的主机在启动时向DHCP服务器广播发送发现报文，这时这台主机就成了DHCP的客户，交换过程如下：1、有没有DHCP服务器2、有3、那我用你的IP了4、好。DHCP对于主机的分配包括IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器等。

网际控制报文协议ICMP

为了提高IP数据报交付成功的机会在网络层使用网际控制报文协议来让主机或路由器报告差错和异常情况。 ICMP是工作在网络层的，ICMP报文的组成作为IP层数据报的数据加上数据报的首部组成IP数据报发送出去。其分类分为ICMP差错报告报文和询问报文。
发送ICMP报文的情况：1、终点不可达2、参数问题3、源点抑制4、改变路由5、时间超时
不发送的情况：1、对ICMP 差错报告2、对第一个分片后其他的不发3、对组播不发4、对巡回自检地址和0000不发。
ICMP的应用：1、分组网间探测PING（应用层），使用ICMP回送请求和回答报文。2、Traceroute（网络层），用来跟踪分组经过的路由，使用了ICMP超时报文。

4.4 IPv6

4.4.1 IPv6主要特点

（1）IPv6的地址空间用16 B，128bit表示，IPv4为4B，32bit。（2）IPv6较IPv4减少了头部字段数目，仅包含7个字段。（3）IPv6没有检验字段。（4）IPv6的首部单位固定为8B，而IPv4为4B。（5）IPv6不允许分片，若分组太大则丢弃且返回ICMP差错报文。（6）IPv6支持即插即用即自动配置。（7）IPv6只有在包的源节点才能分片，只有在主机处分片，传输路径中的路由器不能分片故不允许像IPv4一样的路由分片（8）IPv6支持QoS，解决网络延迟与阻塞是一种安全机制。
IPv6向IPv4过渡的策略：1、双协议栈：同时装有IPv4和IPv6的协议栈。2、隧道技术：是将整个IPv6的数据报封装到IPv4的数据报的数据部分从而在IPv4的网络隧道中传输。

4.5 互联网组管理协议IGMP

使用D类地址1110（224.0.0~239.255.255.255）
使用IGMP协议加入组播，只发送一次需要组播路由器将分组复制后转发，IP组播仅用于UDP。

4.6 移动IP

移动IP是指移动节点以固定的网络IP地址实现跨越不同网段的漫游功能并保证基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生改变。
移动节点：具有永久IP地址的移动设备。
归属代理（本地代理）：移动节点永久IP地址所在网络称为归属网络，在该网络中, 代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理。
外部代理（外地代理）：在外部网络中，帮助移动节点完成移动管理功能的实体，称为外部代理。
永久地址：又称为归属地址/主地址，移动站点在归属网络中的原始地址。
转交地址：又称为辅助地址，移动站点在外部网络中使用的临时地址。
移动IP通信的过程：主机 A 进入外部网络后在外部代理注册一个转交地址，离开时注销，外部代理向本地代理登记转交地址。本地代理接收来自转交地址的注册后会构建一条通向转交地址的隧道将截获的发给移动节点的IP分组通过隧道发送到转交地址处再转交地址处解除隧道封装恢复原始IP分组最后送到移动节点。

4.7 网络层设备

路由器是一种具有多个输入输出端口的专用计算机，其任务是连接不同的网络并完成路由转发。路由器可以隔离广播域。从结构上看路由器分为路由选择和分组转发两部分，从模型上看路由器是由网络层设备，它实现了网络模型的下三层即物理层、数据链路层和网络层。

路由选择部分控制部分核心是路由选择处理器路由选择处理器的作用是构造路由表同时定期维护和更新路由表。路由选择在外部。
分组转发由三种部分构成：交换结构、一组输入端口和一组输出端口。输入端口在物理层接收比特流提取出数据链路层中的帧进而从帧中提出网络层中的数据报，输出端口执行恰好相反的操作。交换结构是路由器的关键结构，它根据转发表对分组进行处理，将某个输入端口进入的分组从一个合适的输出端口转发出去。三种常见的交换方式：通过存储器进行交换，通过总线进行交换，通过互联网进行交换，交换结构本身就是一个网络。
路由表中默认路由的目的地是和子网掩码都是0,0,0,0，路由器阻塞时丢弃IP分组并返回ICMP差错报文路由器对IP分组首部进行差错检验，丢弃有错的首部的报文，但不无保证IP分组不丢失。
路由器可以互联两个不同网络层协议的网络，网桥可以互联两个数据链路层不同的网络，集线器只能互联两个物理层相同的网络。

下一章 第五章 传输层

第五章 传输层