計算機網(wǎng)絡復習提綱-第五章

1、文檔編碼 : CK7S2I8V10B2 HB10Q6X10B2M9 ZF8G7S3Q9W7第 5 章 網(wǎng)絡層5.1 網(wǎng)絡層概述網(wǎng)絡層負責數(shù)據(jù)包經(jīng)過多條鏈路、由信源到信宿傳遞過程,并保證每個數(shù)據(jù)包能夠成功和有效率地從動身點到達目的地；為實現(xiàn)端到端的傳遞,網(wǎng)絡層供應了兩種服務：線路交換和路由選擇； 線路交換是在物理鏈路之間建立臨時的連接,每個數(shù)據(jù)包都通過這個臨時鏈路進行傳輸； 路由選擇是選擇數(shù)據(jù)包傳輸?shù)恼_路徑,在這種情形下, 每個數(shù)據(jù)包都可以通過 不同的路由到達目的地,然后再在目的地重新依據(jù)原始次序組裝起來；網(wǎng)絡層是通信子網(wǎng)的最高層,對上層用戶屏蔽了子網(wǎng)通信的細節(jié),如子網(wǎng)類型、 拓撲結(jié)構(gòu)、子網(wǎng)數(shù)

2、目,向上層供應一樣的服務、統(tǒng)一的地址；5.1.1 網(wǎng)絡層功能 1 為傳輸層供應建立、愛護和釋放網(wǎng)絡連接的手段,完成路由選擇、擁塞把握、網(wǎng)絡 互聯(lián)等功能；2 依據(jù)傳輸層的要求選擇網(wǎng)絡服務質(zhì)量；服務質(zhì)量的參數(shù)主要包括：殘留差錯率、服 務可用性、牢靠性、吞吐量、傳輸推遲等；3 對數(shù)據(jù)傳輸過程實現(xiàn)流量把握、差錯把握以及次序把握；4 提高資源子網(wǎng)主機節(jié)點與通信子網(wǎng)的接口,網(wǎng)絡層的主要功能是完成網(wǎng)絡中主機間的報文傳輸,服務將每個報文從源端傳輸?shù)侥康亩?；向傳輸層供應虛電路服務和?shù)據(jù)報服務；其關鍵問題之一是使用數(shù)據(jù)鏈路層基本功能：實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡連接,屏蔽不同子網(wǎng)技術的差異,向上層供應一樣的服務；主要功能：路

3、由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)通過網(wǎng)絡連接在主機之間供應分組交換功能分組的分段與成塊,差錯把握、次序化、流量把握1 / 17 2 / 17 3 / 17 4 / 17 5.1.2 網(wǎng)絡層服務的特點 網(wǎng)絡層的服務有如下特點：1 最重要的特點是無連接 2 服務是不行靠的,傳送過程中可能推遲、不按次序到達或者丟失等 3 服務是盡力而為的；網(wǎng)絡層實現(xiàn)這種無連接服務的分組傳送機制稱為網(wǎng)際協(xié)議,通稱 IP 協(xié)議；網(wǎng)絡層服務應遵循以下三個原就：1 服務應與通信子網(wǎng)技術無關；2 通信子網(wǎng)的數(shù)量、類型和拓撲結(jié)構(gòu)對傳輸層是隱匿的；3 傳輸層能獲得的網(wǎng)絡地址應接受統(tǒng)一的編號形式,即使跨過多個 LAN和 WAN；5.2 路由算法路由算

4、法是網(wǎng)絡層軟件的一部分,路上；5.2.1 路由算法選擇的參考標準 路由算法選擇有以下參考標準：它負責確定一個進來的分組應當被傳送到哪條輸出線1 正確性：沿著路由表所指引的路由,分組確定能夠傳輸?shù)阶罱K到達的目的網(wǎng)絡和目 的主機；2 最優(yōu)化：指路由算法選擇正確路徑的才能；3 簡潔性：算法設計簡潔,利用最少的軟件和開銷,供應最有效的功能；4 堅固性：路由算法處于非正?；虿恍蓄A料的環(huán)境時,如硬件故障、負載過高或操作 失誤時,都能正確運行；5 快速收斂：收斂是在正確路徑的判定上全部路由器到達一樣的過程；收斂慢的路由 算法會造成路徑循環(huán)或網(wǎng)絡中斷；6 靈敏性：路由算法可以快速、精確地適應各種網(wǎng)絡環(huán)境；5

5、/ 17 5.2.2 路由算法種類 路由算法可以分為兩大類：非自適應的和自適應的；非自適應路由算法,它是依據(jù)預先運算好的信息進行路由,它不會依據(jù)當前測量或者估計的流量和拓撲結(jié)構(gòu),來調(diào)整他們的路由決策；非自適應路由算法主要包括靜態(tài)路由算法、分散通信量以及洪泛算法；自適應路由算法, 它是依據(jù)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和通信量的變化等轉(zhuǎn)變路由；主要有距離向量 路由算法和鏈路狀態(tài)路由算法等；1. 距離向量路由算法 距離向量路由算法要求每個路由器發(fā)送其路由表全部或部分信息,但僅發(fā)送到鄰近節(jié)點 上；從本質(zhì)上來說, 鏈路狀態(tài)算法將少量更新信息發(fā)送至網(wǎng)絡各處,而距離向量算法發(fā)送大 量更新信息至鄰接路由器；距離向量路由算法屬

6、于動態(tài)路由算法；缺陷：路由收斂速度慢,對好消息反應快速,對壞消息反應遲鈍；選擇路由時,沒有考 慮線路帶寬；2. 鏈路狀態(tài)路由算法鏈路狀態(tài)路由算法（也稱最短路由算法）發(fā)送路由信息到互聯(lián)網(wǎng)上全部的結(jié)點,然而對于每個路由器,僅發(fā)送它的路由表中描述了其自身鏈路狀態(tài)的一部分；該路由算法是以權(quán)值作為運算路由的基礎的；所謂權(quán)值是各種情形的綜合考慮,主要包括路徑長度、牢靠性、路由推遲、負荷、通信代價等；與距離向量路由不同, 鏈路狀態(tài)路由的信息交換準就是：與全部的路由器交換自己鄰居的信息；優(yōu)點：每隔確定時間（大約 30 分鐘）,一次性可以獲得網(wǎng)絡上全部路由器的信息,而不需要逐點傳遞；該算法以權(quán)值作為基礎,在運算

7、路由時, 考慮了多種因素, 所以優(yōu)于距離向量路由算法；在獲得了全部路由器信息之后,每個路由器分別接受 Dijkstra 算法以得出它到其他各 個路由器的最短路徑；二者的區(qū)分：這兩種算法在大多數(shù)環(huán)境下都能很好的運行,除了以下區(qū)分：1 鏈路狀態(tài)算法收斂更快,因此在確定程度上比路由算法更不簡潔產(chǎn)生路由循環(huán)；2 鏈路狀態(tài)算法要求比距離向量算法有更強的CPU才能和更多的內(nèi)存空間,因此鏈路狀態(tài)路由算法將會在實現(xiàn)時顯得更昂貴一些；3 距離向量路由算法適用于簡潔的網(wǎng)絡,絡而鏈路狀態(tài)路由算法更適合于復雜程度較高的網(wǎng)5.3 網(wǎng)絡層協(xié)議IP 的任務是供應一種盡力投遞的方法將數(shù)據(jù)報從源端傳輸?shù)侥繕硕?它并不關懷源機

8、器和目標將機器是否在同樣的網(wǎng)絡中,也不關懷它們之間是否仍有其他網(wǎng)絡；（P23 協(xié)議數(shù) 據(jù)單元）網(wǎng)絡層是路由選擇和負責網(wǎng)絡尋址的層；IP （網(wǎng)際協(xié)議）是最一般的網(wǎng)絡層協(xié)議,供應無連接的數(shù)據(jù)報傳輸機制；6 / 17 5.3.1 IPv4 協(xié)議IPv4 的地址是 32 位長,由 4 個分段的十進制組成；由網(wǎng)絡號和主機號兩部分構(gòu)成；1. IP 地址的分類（ P83 7 / 17 IP 地址有如下特點：1 網(wǎng)絡號可用于將數(shù)據(jù)報路由到目的網(wǎng)絡 2 主機號可用于將數(shù)據(jù)報交付到本網(wǎng)絡的主機 3 簡化了路由表子網(wǎng)（ Subnet ）劃分：因特網(wǎng)規(guī)模的急劇增長,對IP 地址的需求激增；帶來的問題是：1 IP 地址

9、資源的嚴肅匱乏 2 路由表規(guī)模的急速增長 解決方法：從主機號部分拿出幾位作為子網(wǎng)號 這種在原先 IP 地址結(jié)構(gòu)的基礎上增加一級結(jié)構(gòu)的方法稱為子網(wǎng)劃分；前提：網(wǎng)絡規(guī)模較小IP 地址空間沒有全部利用；例如：三個LAN,主機數(shù)為20,25,48,均少于 C類地址答應的主機數(shù)；為這三個LAN申請 3 個 C類 IP 地址明顯有點鋪張；8 / 17 9 / 17 類別最大網(wǎng)絡數(shù)網(wǎng)絡號范疇每個網(wǎng)絡中主機號范疇IP 地址范疇最大主機數(shù)A 126 1-126 65534 0.0.1- 1.0.0.1- B 16382 128.1-191.254 255.255.254 126.255.255.254 0.1-

10、255.254 128.1.0.1- 191.255.255.254 C 192.0.1- 254 1-254 192.0.1.1- 223.255.254 頭部有一個233.255.255.254 2.IP 數(shù)據(jù)報的格式和內(nèi)容20 字節(jié)的定長部分和一個可每個 IP 數(shù)據(jù)報包含一個頭部和一個正文部分；選的變長部分版本號：在處理每個接收到的 議版原先處理它；IP 數(shù)據(jù)報之前,第一要檢驗它的版本號,以確保用正確的協(xié)長度字段： IP 數(shù)據(jù)報之中有兩個長度字段：頭長度和總長度； 一個表示 IP 數(shù)據(jù)報頭的長度,占用 4 位,另一個表示 IP 數(shù)據(jù)報的總長度,占用 16 位,它的值是以字節(jié)為單位的；服務

11、類型：結(jié)構(gòu)示意圖：1 2 3 4 5 6 7 8 優(yōu)先權(quán)D T R C 保留優(yōu)先權(quán)取值范疇0-7 ,值越大,優(yōu)先級越高；D：Delay 要求有更低的時延；T：Throughput 要求有更高的吞吐量R：Reliability 要求有更高的牢靠性C：要求選擇更低廉的路由數(shù)據(jù)報的分段和重組：IP 數(shù)據(jù)報要放在物理幀中再進行傳輸,這一過程叫做封裝；一般來說,在傳輸過程中要跨過如干個物理網(wǎng)絡,由于不同的物理網(wǎng)絡接受的幀格式不一樣,而且所答應的最大的幀長度不同,而 IP 數(shù)據(jù)報的最大長度可達 64KB,遠大于大多數(shù)物理網(wǎng)絡的10 / 17 最大傳輸單元（MTU）,因此IP 協(xié)議需要一種分段機制,把一個大

12、的IP 數(shù)據(jù)報分成如干個小的分段進行傳輸,最終到達目的地再重新組合成原先的樣子；數(shù)據(jù)報生存周期（TTL）：IP 數(shù)據(jù)報傳輸?shù)奶攸c就是每個數(shù)據(jù)報單獨尋址；每個新生成的數(shù)據(jù)報中,其數(shù)據(jù)報頭的生存周期字段被初始化設置為最大值255,該數(shù)據(jù)報每經(jīng)過一個路由器,其生存周期就減 1,以此來防止數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡中無休止的循環(huán)；協(xié)議類型：指出 IP 數(shù)據(jù)報中的數(shù)據(jù)部分是哪一種協(xié)議頭檢驗和：用于保證數(shù)據(jù)的正確性源 IP 地址和目的 IP 地址：分別表示該數(shù)據(jù)報的發(fā)送者和接受者IP 數(shù)據(jù)報選項：主要用于額外的把握和測試3. IP 報文的轉(zhuǎn)發(fā)當一個路由器收到主機 A 發(fā)送給主機 B的 IP 數(shù)據(jù)報時,路由器的數(shù)據(jù)鏈路層

13、依據(jù)幀中的以太網(wǎng)類型確定幀中的數(shù)據(jù)是 IP 報文,于是交給 IP 協(xié)議來處理, IP 協(xié)議第一要校驗 IP報文投中的各個域的正確性,包括版本號、校驗以及長度等,假如發(fā)覺錯誤,就丟棄該數(shù)據(jù)報；假如全部正確,就把 TTL 的值減 1, ；如 TTL 的值為 0,數(shù)據(jù)報到期,應當丟棄；TTL 大于 0,依據(jù) IP 數(shù)據(jù)報中的目的地址查詢路由器的路由表,假如找到合適的路由,把該數(shù)據(jù)向下一站轉(zhuǎn)發(fā), 這需要知道下一站的MAC地址,進行幀封裝；假如沒有合適的路由,就丟棄該數(shù)據(jù)報；4. IP 路由表路由表中至少有目的地址、掩碼、 網(wǎng)關以及接口名稱等；目的地址和掩碼是整個表的關鍵字, 唯獨地確定到某目的地的路由

14、；網(wǎng)關表示下一站路由器的位置,而接口名稱就指出了應當向本機的哪個網(wǎng)絡接口進行轉(zhuǎn)發(fā)；路由表中每個表項仍有兩個標志：標志 H表示該路由器是主機路由,即該路由項指明白到一臺主機的具體路由；G就表示該地址是個有效路由的地址；確定一條路由是否符合要求的方法就是把IP 報文中的目的地址跟路由表的每一項中的掩碼做“ 與” 運算,看其結(jié)果是否與相應的路由項中的目的子網(wǎng)地址相等；在查找路由表時,要求使用正確匹配原就；由于在路由表中,每條路由的掩碼長度不一樣,假如有多條成功匹配的路由項,就選擇掩碼最長的項所對應的路由；例題：路由器 R的路由表如下序號目的網(wǎng)絡子網(wǎng)掩碼下一跳轉(zhuǎn)發(fā)端口1 166.111.64.0 25

15、5.255.240.0 R1端口 1 Port2 2 166.111.16.0 255.255.240.0 直接交付Port1 3 166.111.32.0 255.255.240.0 直接交付Port2 4 166.111.48.0 255.255.240.0 直接交付Port3 5 0.0.0.0默認路由 0.0.0.0 R2端口 2 Port1 現(xiàn)路由器收到下述分別發(fā)往H1 20.134.245.78 H2 166.111.64.129 H3 166.111.35.72 H4 166.111.31.168 H5 166.111.60.129 H6 192.36.8.73 6 個目的主機的

16、數(shù)據(jù)報,路由器如何交付？11 / 17 H1 ：20.134.245.78255.255.240.0=20.134.240.0 路由器通過 R2 端口 2 交付給 Port1 H2 ：166.111.64.129255.255.240.0=166.111.64.0 路由器通過 R1端口 1 交付給 Port2 H3 ：166.111.35.72255.255.240.0=166.111.32.0 路由器直接交付給 Port2 H4 ：166.111.31.168255.255.240.0=166.111.16.0 路由器直接交付給 Port1 H5 ： 166.111.60.129255.25

17、5.240.0=166.111.48.0 路由器直接交付給 Port3 H6 ：192.36.8.73255.255.240.0=192.36.0.0 路由器通過 R2端口 2 交付給 Port1 12 / 17 5.3.2 IPv6 協(xié)議在 IPv6 的設計過程中除了一勞永逸地解決了地址短缺問題之外,仍考慮了在 IPv4 中解決不好的其他問題,主要有端到端 IP 連接、服務質(zhì)量（QoS）、安全性、多播、移動性、即插即用等；1. IPv6 報文結(jié)構(gòu)IPv6 基本報頭擴展報頭上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元2. IPv6 地址單播地址組播地址泛播地址3. IPv6 地址支配情形5.3.3 IPv4 向 IPv6

18、 的過渡1. 兼容 IPv4 的 IPv6 地址2. 雙 IP 協(xié)議棧3. 基于 IPv4 隧道的 IPv6 5.4 網(wǎng)絡把握協(xié)議5.4.1ICMP協(xié)議（ Internet把握報文協(xié)議）特地用于發(fā)送差錯報文的協(xié)議；ICMP協(xié)議與 IP 協(xié)議相互依靠： IP 在需要發(fā)送一個差錯報文時要使用 ICMP,而 ICMP利用 IP 來傳遞報文；ICMP差錯報文分別包括一下 5 種：源抑制；超時；目的不行達；重定向；要求分段；ICMP的信息報文包括以下幾種：應答 / 回應請求；地址掩碼請求 / 應答；（ P92）13 / 17 5.4.2地址解析協(xié)議（ARP）IP 數(shù)據(jù)報的報頭使用的是IP 地址, MAC

19、幀的幀頭使用的是物理地址,在網(wǎng)絡層以上使用 IP 地址,以下就使用的是物理地址；5.4.3在以太網(wǎng)等局域網(wǎng)中,使用地址解析協(xié)議來實現(xiàn) IP 地址和 MAC地址的轉(zhuǎn)換；反向地址解析協(xié)議（RARP）RARP協(xié)議可以實現(xiàn) MAC地址到 IP 地址的轉(zhuǎn)換；RARP包和 ARP包的格式類似,不同的是,在 RARP請求包中是發(fā)送者填充的源端物理地址,而源端 IP 為空；14 / 17 5.5 網(wǎng)絡層設備物理層設備：又稱一層設備,比如粗纜或者細纜的中繼器（互聯(lián),通過對傳輸信號的放大和再生擴展網(wǎng)絡的物理掩蓋范疇；Repeater ）,在物理層實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層設備：又稱為二層設備,比較典型的是交換機和網(wǎng)橋；網(wǎng)絡層

20、設備： 又稱三級設備, 路由器是代表性的互連設備,轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換；供應了在不同網(wǎng)絡上的分組高層設備：網(wǎng)絡層以上的互連設備,通稱為網(wǎng)關,主要進行高層協(xié)議的轉(zhuǎn)換；5.5.1 路由器 路由器是工作在 OSI 參考模型的第三層即網(wǎng)絡層的互連設備；硬件路由：專用軟件（CPU、各類內(nèi)存、各種端口）加上專用的特殊操作系統(tǒng)來實現(xiàn)；軟件路由：一般的運算機安裝通用操作系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)；1. 路由器的功能特點 兩個最基本的功能：路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；路由器已經(jīng)不僅僅局限于在廣域網(wǎng)上供應最短路徑查找、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能, 它仍能供應 包過濾、多播、 數(shù)據(jù)加密和阻隔非法拜望等高級網(wǎng)絡數(shù)據(jù)把握功能,仍能進行流量把握、擁 塞把握、計費等網(wǎng)絡治理功能；2. 路由器的工作原理路由器通過路由選擇算法,建立并愛護一張路由表；路由表包含著目的地址和下一跳路由器地址等多種路由信息；路由表中的路由信息指明每一臺路由器應當把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給誰,它的下一跳路由器地址是什么等；路由器依據(jù)路由表供應的下一跳路由器地址,將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過去；通過把數(shù)據(jù)包一級級的轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳路由器的方式,最終把數(shù)據(jù)包傳送到目的地；路由器的工作原理如下圖所示；15 / 17 路由器收到一個數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層判定封裝的是IP數(shù)據(jù)包NIP協(xié)議檢驗是否正