四．网络层（上）

4.1网络层功能概述

4.2 SDN基本概念

4.3 路由算法与路由协议

4.3.1什么是路由协议？

4.3.2什么是路由算法？

4.3.3路由算法分类

(1)静态路由算法

(2)动态路由算法

①全局性

OSPF协议与链路状态算法

②分散性

RIP协议与距离向量算法

4.3.4分层次的路由选择协议

路由选择协议

内部网关协议IGP

外部网关协议BGP

4.4 IP数据报格式

4.5 IP数据报分片

4.6 IPv4地址

互联网中的IP地址

分类的IP地址

特殊IP地址

私有IP地址

4.7网络地址转换NAT

IP地址的概念

公网地址和私网地址

公网地址

私网地址

公网地址和私网地址的区别

私网地址的分类

NAT技术

总结

4.8子网划分和子网掩码

子网网络地址的求取

使用子网时的分组转发

例题

4.1网络层功能概述

主要任务是把分组从源端传送到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。

网络层传输单位是数据报。

1.路由选择与分组转发【最佳路径】

2.异构网络互联

3.拥塞控制

若所有节点都来不及接收分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。

4.2 SDN基本概念

4.3 路由算法与路由协议

4.3.1什么是路由协议？

4.3.2什么是路由算法？

我们知道，网络层的一个主要设备就是路由器，而路由器的主要功能就是进行分组转发和路由选择。为了完成这些功能，路由器就需要进行维护自身的一张路由表。

而维护这张路由表的方法就是路由算法。

提一个概念：

最佳路由：“最佳”只能是相对于某一个特定情况下的出的较为合理的选择而已。

4.3.3路由算法分类

(1)静态路由算法

也叫非自适应路由算法，需要管理员手动配置路由信息。

其优点是：简单，可靠，在负荷稳定，拓扑结构变化不大的网络中运行的效果很好，广泛用于高度安全的军事网络和较小的商业网络。

缺点是：路由更新慢，不适用于大型网络。

(2)动态路由算法

也叫自适应路由算法：路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。

其优点是：路由更新快，适用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化。

缺点是：算法复杂，增加网络负担。

①全局性

链路状态路由算法OSPF

所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息。

OSPF协议与链路状态算法

②分散性

距离向量路由算法RIP

路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用。

RIP协议与距离向量算法

4.3.4分层次的路由选择协议

由于：

因特网规模很大；

许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还是想连入因特网。

就诞生了分层次的路由选择协议。

AS

自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器都在本自治系统内都必须连通。

路由选择协议

内部网关协议IGP

一个AS内使用的RIP,OSPF

外部网关协议BGP

AS之间使用的BGP

4.4 IP数据报格式

IP数据报分为首部和数据部分，数据部分就是运输层的传输单元，其中有TCP段和UDP段。

版本：表示该数据报的版本是IPv4还是IPv6？

首部长度：单位是4B，最小为5（数据报的首部是强迫症，必须是4B的整数倍）

填充：全0，用来将数据报补成4B的整数倍。

区分服务：指期望获得哪种类型的服务。

总长度：首部加上数据，单位是1B。

生存时间（TTL）：IP分组的保质期。经过一个路由器就会减一，变为零就会被丢弃。

协议：数据部分的协议。

首部检验和：只检验首部。

源地址和目的地址：IP地址为32位。

可选字段：0~40B，用来支持排错，测量以及安全等措施。

标识：同一数据报的分片使用同一标识。

标志：只有2位有意义x _ _

中间位DF（Don’t Fragment）:

DF=1;禁止分片

DF=0;允许分片

最低位MF（More Fragment）：

MF=1，后面还有分片

MF=0，代表最后一片/没分片

片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。以8B为单位。

除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B的整数倍。

单位长度总结：

4.5 IP数据报分片

先提及一个概念：最大传送单元MTU，其为链路层数据帧可封装数据的上限。(例如:以太网的MTU是1500Byte)。

如图中一个IP数据报作为一个链路层数据帧的数据部分，假设其超过了这个链路层的最大传送单元呢？

所以有一个策略就是把该IP数据报进行分片。

如果某IP数据报不支持分片，那么其将无法在链路上传输下去，因此就会返回一个ICMP的差错报文。

根据链路层的MTU进行分片，除去每一片开头都要加上的首部，身下的就是每一片数据部分的长度。

4.6 IPv4地址

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。

同身份证号码表示的信息一样，IP地址就是表示一个主机抑或是主机的某个接口，在哪个网络下的地址信息。

IP地址:全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。

IP地址::={<网络号>,<主机号>}

互联网中的IP地址

分类的IP地址

A类地址最大可用网络数要减去全零的还有一个127的环回地址，每个网络中的最大主机数都要减去全零和全一的。

特殊IP地址

私有IP地址

4.7网络地址转换NAT

在计算机网络中，每个设备都需要一个唯一的地址来进行通信。这个地址称为IP地址，是Internet协议的基础。IP地址可以分为公网地址和私网地址两种类型。

IP地址的概念

IP地址是Internet协议的一部分，用于在计算机网络中唯一地标识主机。它由32位二进制数表示，通常写成四段用点号分隔的十进制数。例如，192.168.0.1就是一个IP地址。

IP地址可以分为两种类型：IPv4地址和IPv6地址。IPv4地址由32位二进制数组成，因此最多只能表示42亿个地址。而IPv6地址则由128位二进制数组成，可以表示更多的地址。

公网地址和私网地址

公网地址和私网地址是两种不同的IP地址类型，其区别在于它们所在的网络范围和使用方式。

公网地址

公网地址也称为全球唯一IP地址，是指可以直接在Internet上访问的IP地址。这些地址由互联网注册机构分配，具有全球唯一性和全球可达性。

公网地址通常用于互联网上的服务器、路由器和其他网络设备。它们可以直接访问Internet上的其他设备，可以通过Internet进行通信和数据传输。

私网地址

私网地址也称为局域网IP地址，是指在局域网内部使用的IP地址。它们不具有全球唯一性和全球可达性，只能在局域网内部使用。

私网地址通常用于组建局域网，例如家庭网络、企业内部网络、校园网络等。在局域网内部，可以通过私网地址进行设备间的通信和数据传输。但是，如果要访问Internet上的其他设备，必须通过路由器进行转发。

公网地址和私网地址的区别

公网地址和私网地址之间的区别主要体现在以下几个方面：

分配方式不同：公网地址由互联网注册机构分配，而私网地址由局域网管理员自行分配。
使用范围不同：公网地址用于Internet上的设备，私网地址用于局域网内部的设备。
唯一性和可达性不同：公网地址具有全球唯一性和全球可达性，而私网地址只在局域网内部唯一，不具有全球可达性。
转发方式不同：公网地址可以直接访问Internet上的其他设备，而私网地址需要通过路由器进行转发才能访问Internet上的其他设设备。

私网地址的分类

私网地址有三个类别，分别是A类、B类和C类地址。它们的范围如下：

A类地址：10.0.0.0-10.255.255.255，其中10.0.0.0是网络地址，10.255.255.255是广播地址。
B类地址：172.16.0.0-172.31.255.255，其中172.16.0.0是网络地址，172.31.255.255是广播地址。
C类地址：192.168.0.0-192.168.255.255，其中192.168.0.0是网络地址，192.168.255.255是广播地址。

这些地址范围是私有地址，可以在局域网内部使用，但是不能在Internet上进行路由。

NAT技术

在局域网内部使用私网地址时，有时需要访问Internet上的其他设备。这时就需要使用NAT技术。

NAT技术可以将私网地址转换成公网地址，从而实现局域网内部设备访问Internet上的其他设备。NAT技术可以分为静态NAT和动态NAT两种。

静态NAT是指在NAT设备上预先配置好一个映射表，将私网地址映射成公网地址。这种方式比较简单，但是需要手动配置映射表，不太适合大规模部署。

动态NAT是指NAT设备在需要时动态地为私网地址分配公网地址。这种方式比较灵活，适合大规模部署，但是需要消耗一定的系统资源。

总结

公网地址和私网地址是IP地址的两种类型，它们分别用于Internet上的设备和局域网内部的设备。私网地址有A类、B类和C类地址，分别对应不同的IP地址范围。使用NAT技术可以实现私网地址访问Internet上的其他设备。理解公网地址和私网地址的区别和应用，对于计算机网络的学习和实际应用非常重要。

4.8子网划分和子网掩码

由于分类的IP地址存在以下弊端：

1. IP地址空间利用率有时很低。
2. 两级IP地址不够灵活。

故此我们要进行子网划分：

实际上就是将主机号中较高的几位拿出来当做子网号，剩下的部分再作为主机号。

【注意：子网是单位申请到网络号后自己内部划分的事情。】

且主机号不能全0全1，子网号能否全0全1看情况。

某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分。

子网网络地址的求取

使用子网时的分组转发

路由表中:

1.目的网络地址
2.目的网络子网掩码
3.下一跳地址

路由器转发分组的算法:

1.提取目的IP地址
2.是否直接交付
3.特定主机路由
4.检测路由表中有无路径
5.默认路由0.0.0.0
6.丢弃，报告转发分组出错