源主机网络层的主要工作

 

路由器网络层的主要工作

 

目的主机网络层的主要工作

 

网络层提供的服务

o 屏蔽底层网络的差异，向传输层提供一致的服务

虚电路网络

o 虚电路网络提供面向连接的服务

n 借鉴了电路交换的优点

n 发送数据之前，源主机和目的主机之间首先要建立一条虚连接（逻辑连接）

n 数据无丢失、重复和失序

o 面向连接

n 数据传输过程分为三阶段：建立虚连接、传输数据、拆除虚连接

n 虚电路表

Ø 输入接口、输入VCI（虚电路标识，局部有效）

Ø 输出接口、输出VCI（虚电路标识，局部有效）

n 输入接口和输入VCI唯一标识一条虚电路，后续的数据报只需携带VCI，无需携带完整的目的地址

 

数据报网络

o 无连接

o 路由器对于每个输入的数据包单独进行处理

o 路由表包含了目的地址和输出接口的对应关系

o 每个数据包必须包含完整的目的地址

o 来自相同源节点和目的节点的两个数据报可能被转发到不同的接口，不保证顺序

o 对网络状况和目的主机状况一无所知，可能出现丢失

数据报网络的好处

o 由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉（与电信网的交换机相比较）。

o 如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的传输层负责（包括差错处理、流量控制等）

 

 

路由选择算法

o 基于图论

n 节点：路由器

n 边：链路

n 权值：链路开销

o 路径长度

o HOP数（跳数）

o 延迟时间

o 最短路由

n 总开销最小的路径

 

静态选路算法

o 固定路由表选路法

n 根据事先设置的静态路由表，查表选路

o 洪泛法（Flooding）

n 向除输入接口之外的所有接口转发

o 随机走动选路法

n 按概率随机选路

o Dijkstra算法（1959）：通过用边的权值作为距离的度量来计算最短路径，

n 有最少边数的路径不一定是最短路径

算法原理

1）定义一个集合N，包含所有最短路径已确定的节点，在初始时，该集合中只包含一个源节点（设为S）

2）如果S和某个节点之间有一条边相连，距离就是该边上的权值；否则，距离值设为无穷大（∞）

3）从集合N外的节点中选择一个和S距离最小的节点（设为T）加入集合

4）重新计算S到其他集合N外的节点的距离，如果经过T的路径更短，则更新距离值

5）重复3-4步，直到所有节点都加入集合N

 

洪泛法

o 不计算路径，有路就走

o 路由器收到数据包后，向除了输入接口之外的所有接口转发

洪泛法的特点

o 一个数据包将产生大量的副本（copy）

n 给网络增加大量负载

o 至少有一个副本将到达目的主机

n 健壮性强

o 至少有一个副本选择的是最优路由

o 所有的路由器都会收到副本

n 可用于传播路由信息

缺点：重复数据包多，浪费带宽

优点：可靠性高，路径最短，常用于军事

随机走动选路法

o 路由表中，一个表项有多条候选路由，路由器收到一个数据包时，按照预定的概率随机地选择其中一条路由

o 应用：无线网络

 

动态选路算法

o 自适应算法是动态的、分布式的算法

o 实现分布式算法的三要素：

n 测量路由

n 更新路由信息的协议

n 计算路由开销

距离矢量选路算法

o 距离：两个节点间传输数据的开销

o 前提：每个路由器都知道自己到邻居节点的距离

o 动态选路：路由器通过周期性地与邻居节点交换路由信息

n 与谁交换：邻居节点

n 交换什么：路由表中的距离项（目的地、距离）

n 何时交换：周期性交换

o 各节点根据路由信息更新路由表

无穷计算问题

o 好消息传播得快，坏消息传播得慢

 

DVR算法的缺点

o 交换的路径信息量大

o 路径信息不一致

o 收敛速度慢（坏消息）

o 不适合大型网络

链路状态选路算法

o LSR：Link State Routing

n 链路状态：链路连通/中断、链路开销

o 又称最短路径优先（SPF）选路

n 使用Dijkstra算法来计算最短路径

o 路由器发现自己和邻居节点的链路状态及开销

o 路由器之间通过交换路由信息，构造出全网的拓扑结构，并计算出到其他节点的最短路径

n 与谁交换：网络中的所有节点

n 交换什么：一个节点到各邻居节点的链路开销

n 何时交换：网络初启或链路状态变化时

测量线路开销

o 发送一个ECHO分组要求对方立即响应，通过测量RTT，再除以2，发送方就可以得到一个延迟估计值

构造链路状态包（LSP）

包含：源节点到其所有邻居节点（路由器）的线路开销测量值（即时延）

 

发布链路状态分组

o 用洪泛法向所有节点发布LSP，保证每个节点都能收到。

o 存在问题：

n 对于重复的LSP，路由器使用序号判断哪个LSP最新

n 如果序号循环使用，就会发生重复

n 如果一个路由器重启，序号将从0开始重新计数，但这些LSP会被当成过时包

n 如果序号发生错误，则很多LSP将被看成过时包

解决办法：序号+年龄

o 使用一个32位序号，即使每秒钟发送一个LSP包，137年才会循环一次

o 在每个LSP包中加一年龄字段（如初值为60），每秒钟将年龄值减1，为0后该包将被丢弃

oLSR的优点

n 路由信息的一致性好，坏消息也一样传播得快

n 状态分组的长度较短，仅包含到邻接点的距离、序号和年龄等，与网络规模关系不大，传输所耗用的网络带宽不大，此外，状态分组的扩散，由于年龄参数的设定，不会无限制扩散，所以可适用于大型网络

oLSR的缺点

n 每个路由器需要有较大的存储空间，用以存储所收到的每一个节点的链路状态分组

n 计算工作量大，每次都必须计算最短路径

IP地址的构成

o 网络号net-id +主机号host-id

n 网络号标识主机/路由器所连接到的网络，

n 主机号标识该主机/路由器

IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>}

o 地址划分有两类

n 分类编址：

Ø 单播地址分为A、B、C三类

Ø 网络号和主机号所占的比特个数不同

n 无类别编址

 

同一个网络（如LAN）中的主机或路由器的IP 地址中的网络号必须相同

划分子网的基本思路

o 属于一个单位内部的事情，对外仍然是一个网络

o 从主机号借用高若干位作为子网号 subnet-id，主机号host-id 相应减少了若干位

IP地址 ::= {<网络号>, <子网号>, <主机号>}

o 从外网发给本网某个主机的IP包，仍然根据其目的网络地址，先找到连接本网的路由器；路由器收到 IP包后，再按目的网络地址转发到目的子网。

n 最后交付给目的主机

 

子网掩码

o 从一个 IP 包的包头无法判断源主机或目的主机所在网络的网络地址

o 使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的网络号部分

o 子网掩码：特殊IP地址，网络号（包括子网号）部分为全1，主机号部分为全0

 

 

 

 

路由器转发IP包的过程

(1) 从收到的IP包的包头提取出目的 IP 地址 D。

(2) 先检查直接相连的网络：用各网络的子网掩码和 D 逐位相“与” ，看是否和对应的网络地址匹配。若匹配，则将包转发到对应接口；否则执行(3)

(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将IP包转发给对应的下一跳路由器；否则，执行(4)。

(4) 对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐位相“与” ，若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将IP包转发给对应的下一跳路由器；否则，执行(5)。

(5) 若路由表中有一个默认路由，则将IP包转发默认路由器；否则，执行(6)。

(6) 报告转发包出错

可变长度子网掩码

o VLSM

o 划分子网时根据需要灵活划分，不要求每个子网的地址空间都一样大，即不同子网的地址掩码可能不同

超网

o Super network

o 一个C类网络地址不够时，将几个连续的C类地址块合并，构成一个超网

o 将网络号低位的若干位分离出来作为超网号

n 网络号、超网号、主机号

n 网络地址：超网号+主机号为0

n C类地址块个数必须是2n个

n C类地址块必须连续

n 超网的网络地址的第3字节值必须能整除C类地址块的个数

 

无类别地址

o CIDR（无类别域间选路）

o 不再对地址分类

o 根据网络规模的需要，将IP地址划分为任意2n（1<n<32）大小的地址块

o 采用CIDR后，根据CIDR子网掩码来判定网络大小

o CIDR使用各种长度的“网络前缀”(network prefix)来代替分类地址中的网络号和子网号。

IP地址 ::=网络地址/x

x为网络号的位数，即子网掩码中1的个数

 

CIDR：路由聚合

 

最长前缀匹配

o 使用 CIDR 时，路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果。

o 应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由 ： 最 长 前 缀 匹 配(longest-prefix matching)。

o 网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体(more specific) 。

o 最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配。

私有地址

o 问题：IPv4的地址空间不够

o 方法：使用局部地址（私有地址）

n 允许不同网络内的主机使用相同的地址，该地址仅在网络内部使用

o 3段私有地址

n 10.0.0.0 – 10.255.255.255，10/8

n 172.16.0.0 – 172.31.255.255，172.16/12

n 192.168.0.0 – 192.168.255.255，192.168/16

NAT

o 网络地址翻译

n 完成私有地址和全局地址的转换

n 由路由器完成

 

IP地址的自动分配：DHCP

o 动态主机配置协议

n 自动分配IP地址的应用层协议

n C/S模式，服务器端口号为67，客户端口号为68

n 采用UDP传输

n 可配置其他网络参数：子网掩码、路由器地址、DNS服务器地址等

n DHCP服务器维护一个IP池，主机向DHCP服务器发出请求，申请IP地址

o 表示IP包内的数据属于哪个协议

n TCP=6

n UDP=17

n ICMP=1

n IGMP=2

n OSPF=89

 

IP包的分段和重装

o 原IP包：IP数据报

o 分段原因：底层网络所允许的最大数据块长度（MTU）不同

o 分段相关字段

n 标识(2B)：所有属于同一个IP数据报的片段（IP包）都使用相同的标识

n DF(1位)：不要分段，DF=1的IP数据报不允许分段

n MF(1位)：更多片段，MF=0的IP包是最后一个片段

n 段偏移量（13位）：本片段在原IP数据报中的位置，单位为8字节

 

因特网的差错处理：ICMP

o 因特网控制报文协议

o IP没有差错处理机制，由ICMP补充

o 提供差错报告机制

n 只报告，不强制处理

o ICMP 不是高层协议，而是 IP 层的协议。

o ICMP 报文作为 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。

n IP包头的协议字段值=1

 

因特网有两大类路由选择协议

o 内 部 网 关 协 议 IGP (Interior Gateway

Protocol) ：即在一个自治系统内部使用的路由选择协议。目前这类路由选择协议使用得最多，如 RIP 和 OSPF 协议。

o 外 部 网 关 协 议 EGP (External Gateway Protocol) ：若源站和目的站处在不同的自治系统中，当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。在外部网关协议中目前使用最多的是 BGP-4。

o IGP和EGP相互独立

 

RIP（路由信息协议）

o 基于距离矢量算法

o 距离：跳数

 

距离矢量选路的问题：无穷计算

o Count-to-Infinity，又称为无穷环路(Infinite Loop)

o 坏消息传播得慢！

o 原因

n 节点只知距离、不知路径

n 向邻居提供虚假路由通告

n 导致路由中出现环路

o 解决方案

n 限制网络规模：RIP（网络直径<16跳）

n 在路由通告中增加路径信息：BGP

n 节点知道网络拓扑：OSPF（LSR）

OSPF（开放最短路径优先协议）

o 基于链路状态选路算法

o 经过信息交换，每个路由器都知道全网的拓扑结构，因此不会出现无穷计算问题

o 支持分级选路

 

OSPF消息

o 问候（Hello）消息：获知其邻居节点的IP地址、检测邻居节点是否可达。

o 链路状态更新消息（LSU）：通告路由器已知的网络拓扑结构信息

o 链路状态确认消息（LSA）：收到LSU消息时，路由器发送此消息进行确认

o 链路状态请求（LSR）消息：向邻居节点询问一条或多条链路的状态信息

组播可明显减少网络中资源的消耗

 

组播地址

o D类地址，每个小组成员使用同一个组地址

o 共228个组地址

o 组地址由因特网号码分配权威机构IANA分配

o 组地址只能用于目的地址，不能用于源地址

o 主机发送组播数据时，IP包的目的地址为组播地址

移动主机的通信过程

o (1) 相关节点发送的IP包被转发给归属代理

o (2) 归属代理将IP包封装到一个新的IP包里，发送给外来代理：隧道方式

o (3) 外来代理拆出原IP包，转发给移动节点

o (4) 移动节点回复IP包给相关节点