計算機網絡課件網絡層

計算機網絡-網絡層網絡層是計算機網絡體系結構中的第三層。它負責數據包的路由和轉發(fā)，確保數據包在不同網絡之間傳輸。網絡層概述網絡層的定義網絡層是計算機網絡體系結構中的第三層。它負責將數據包從源主機發(fā)送到目標主機，并處理網絡間的通信。網絡層的功能網絡層負責網絡尋址，路由選擇，數據包轉發(fā)，擁塞控制，以及網絡層安全等。網絡層的功能11.路由選擇網絡層負責確定數據報從源節(jié)點到目的節(jié)點的最佳路徑。22.數據報封裝網絡層將來自上層的數據封裝成數據報，并添加必要的頭部信息。33.數據報轉發(fā)網絡層根據路由信息，將數據報從一臺路由器轉發(fā)到另一臺路由器。44.擁塞控制網絡層負責管理網絡擁塞，防止網絡資源過度使用。網絡層的數據單元-數據報數據報的定義數據報是網絡層傳輸數據的基本單元，用于封裝來自上層協議的數據，并在網絡中進行傳輸。數據報格式數據報的格式包含源地址、目的地址、協議類型、數據長度等信息，確保數據報在網絡中的正確傳輸和路由。數據報傳輸數據報在網絡中通過路由器進行轉發(fā)，最終到達目的主機，完成數據傳輸過程。IP協議簡介IP協議是互聯網協議，屬于網絡層協議。IP協議負責數據報的封裝、尋址、路由和傳輸。IP協議是無連接的，不可靠的，面向無連接的。IP地址及其分類IP地址定義IP地址是分配給網絡設備的唯一標識符，用于識別網絡中的計算機和設備。IP地址分類IP地址被分為五類：A類、B類、C類、D類和E類。每類地址都有不同的網絡號和主機號范圍。IPv4地址IPv4地址使用32位二進制數表示，通常用點分十進制表示，例如192.168.1.1。IPv6地址IPv6地址使用128位二進制數表示，通常用冒號分隔的十六進制表示，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IP地址的表示方法點分十進制使用四個十進制數字表示，每個數字代表一個字節(jié)，并用點號分隔。二進制使用32位二進制數表示，每個字節(jié)用8位二進制數表示。十六進制使用8位十六進制數表示，每個字節(jié)用2位十六進制數表示。IP數據報的格式IP數據報是網絡層數據傳輸的基本單元，包含頭部和數據部分。頭部包含源地址、目的地址、協議類型、生存時間等信息，用于路由和數據傳輸。數據部分則包含應用層的數據，例如網頁內容、郵件等。IP數據報格式是網絡層協議的核心，它定義了網絡數據傳輸的標準，保證了不同網絡之間的數據互通。IP數據報的生存時間(TTL)TTL是TimetoLive的縮寫，表示數據報在網絡中可以存活的時間。它是以秒為單位計算的，每個數據報在創(chuàng)建時都包含一個TTL值。數據報在網絡中轉發(fā)時，每經過一個路由器，其TTL值就會減1。當TTL值為0時，數據報就會被丟棄。TTL機制可以有效地防止數據報在網絡中無限循環(huán)，從而保證網絡的穩(wěn)定性和可靠性。子網劃分與子網掩碼子網劃分將一個大型網絡劃分為多個較小的子網，每個子網都有自己的網絡地址和子網掩碼。子網掩碼用來區(qū)分網絡地址和主機地址，標識網絡號和主機號的位數。優(yōu)點提高網絡效率增強網絡安全性簡化網絡管理無類別域間路由(CIDR)CIDR的概念CIDR是一個用于網絡地址分配的機制。它允許通過使用可變長度子網掩碼來分配網絡地址塊，從而提高網絡地址的利用率。CIDR的優(yōu)勢CIDR簡化了網絡地址管理，提高了路由效率，并減少了路由表的大小。CIDR的應用CIDR廣泛應用于互聯網，使互聯網能夠高效地管理和分配IP地址，并支持互聯網的不斷發(fā)展。ARP協議作用ARP協議是地址解析協議，用于將IP地址解析為物理地址（MAC地址）。當一個主機要向另一個主機發(fā)送數據時，它需要知道目標主機的MAC地址。ARP協議通過發(fā)送ARP請求報文來獲取目標主機的MAC地址。工作流程主機在發(fā)送數據包之前，會先通過ARP協議查詢目標主機的MAC地址。如果主機無法找到目標主機的MAC地址，它會廣播一個ARP請求報文。收到請求報文的設備會查看自己的IP地址，如果匹配，則會發(fā)送一個ARP響應報文，包含自己的MAC地址。ARP協議如何工作1發(fā)送ARP請求源主機發(fā)送ARP請求廣播包2接收ARP請求目標主機收到ARP請求3發(fā)送ARP響應目標主機發(fā)送ARP響應4接收ARP響應源主機收到ARP響應ARP協議使用請求和響應機制來獲取目標主機的MAC地址。源主機首先發(fā)送ARP請求廣播包，目標主機收到請求后會發(fā)送ARP響應，包含其MAC地址。源主機接收響應后，將目標主機的MAC地址與IP地址綁定到ARP緩存中，以便下次直接使用MAC地址通信。RARP協議逆地址解析協議RARP協議是逆地址解析協議，用于獲取IP地址。主機獲取IP地址主機通過RARP協議向網絡上的RARP服務器發(fā)送請求。網絡設備IP地址RARP服務器根據主機的MAC地址，將對應IP地址發(fā)送給主機。引導過程RARP協議在引導過程中使用，幫助沒有IP地址的主機獲取IP地址。ICMP協議互聯網控制報文協議ICMP是一種網絡層協議，用于在網絡設備之間傳遞控制信息。錯誤和狀態(tài)信息ICMP用于報告錯誤、確認數據包接收和探測網絡連接性。網絡管理網絡管理員可以使用ICMP進行故障排除、診斷和網絡性能監(jiān)控。ICMP協議的特點和作用錯誤報告ICMP協議能夠報告網絡層出現的錯誤，例如目標主機不可達或數據報超時等。網絡探測ICMP協議可用于網絡探測，例如ping命令就是利用ICMP協議來測試網絡連接。路由器信息ICMP協議可用于獲取路由器的信息，例如路由器的類型和地址等。流量控制ICMP協議還可以用于流量控制，例如限制數據報的傳輸速率。路由器的作用和功能數據轉發(fā)路由器根據數據報中的目的地址信息，選擇合適的路徑將數據報轉發(fā)到下一個網絡節(jié)點。網絡連接路由器連接不同的網絡，將多個網絡連接成一個更大的網絡，實現不同網絡之間的互聯互通。網絡管理路由器提供網絡管理功能，例如監(jiān)控網絡流量，配置網絡參數，診斷網絡問題等。網絡安全路由器可以實現網絡安全功能，例如防火墻、入侵檢測等，保護網絡安全。靜態(tài)路由與動態(tài)路由靜態(tài)路由管理員手動配置的路由信息，適用于網絡結構穩(wěn)定、路由信息變化較少的場景。動態(tài)路由路由器通過協議自動學習和更新路由信息，適用于網絡結構復雜、路由信息頻繁變化的場景。常見的動態(tài)路由協議1RIP(路由信息協議)RIP是一種距離矢量路由協議，它使用跳數作為度量指標來計算最短路徑。2OSPF(開放式最短路徑優(yōu)先協議)OSPF是一種鏈路狀態(tài)路由協議，它使用Dijkstra算法來計算最短路徑。3BGP(邊界網關協議)BGP是一種路徑矢量路由協議，它用于在不同的自治系統之間交換路由信息。RIP協議距離矢量路由協議RIP使用距離矢量算法，通過交換路由信息來更新路由表。跳數作為度量RIP使用跳數來衡量網絡路徑的距離，每個路由器到目標網絡的距離稱為跳數。廣播更新信息RIP通過廣播數據包向所有相鄰路由器發(fā)送路由信息，每個路由器都會周期性地將自己的路由信息廣播出去。最大跳數限制RIP協議限制最大跳數為15，以防止路由循環(huán)和無限循環(huán)。OSPF協議開放式最短路徑優(yōu)先協議OSPF是一個內部網關協議，用于在自治系統內部的路由器之間交換路由信息。它使用Dijkstra算法計算最短路徑，并根據路徑的代價進行路由選擇。鏈路狀態(tài)協議OSPF屬于鏈路狀態(tài)協議，每個路由器維護一個完整的網絡拓撲圖，并向其他路由器廣播鏈路狀態(tài)信息。區(qū)域劃分OSPF可以將網絡劃分為不同的區(qū)域，每個區(qū)域運行獨立的OSPF實例，降低了網絡的復雜度。安全性OSPF使用身份驗證機制，確保路由信息的安全性和完整性，防止非法路由信息的傳播。BGP協議邊界網關協議BGP是一種用于互聯網AS之間路由信息交換的協議。它是一種路徑矢量路由協議，在AS之間傳遞路由信息，并根據這些信息選擇最佳路由。功能BGP支持多種路由策略，例如，路徑選擇、路徑過濾和路徑聚合，這使得網絡管理員可以控制路由信息在AS之間的傳播。路由表的維護與路由選擇算法1路由表的維護路由表由路由器維護，用于存儲網絡中各個網絡或主機可達的路由信息。路由表維護過程包括路由表的創(chuàng)建、更新和刪除。2路由選擇算法路由選擇算法用于根據路由表中的信息選擇最佳路徑，以達到目的地。常見的路由選擇算法包括最短路徑算法、距離向量算法和鏈路狀態(tài)算法。3動態(tài)路由協議動態(tài)路由協議可以自動維護路由表，根據網絡拓撲變化進行更新。RIP、OSPF和BGP都是常用的動態(tài)路由協議，它們通過在路由器之間交換路由信息來維護路由表。網絡層中的擁塞控制機制數據包擁塞網絡層擁塞控制機制用于防止過多的數據包進入網絡，從而導致網絡性能下降和延遲增加。流量控制擁塞控制與流量控制密切相關。流量控制側重于端到端的流量管理，而擁塞控制則側重于網絡節(jié)點上的流量管理?？刂茩C制網絡層常用的擁塞控制機制包括：丟棄數據包、流量整形、速率限制等。分片與重組數據報過大當網絡層發(fā)送的數據報過大時，可能會超出網絡接口的最大傳輸單元（MTU）限制。分片處理為了解決這個問題，網絡層會將數據報分成多個更小的數據報片，每個數據報片包含原始數據報的一部分。重組過程當數據報片到達目的地時，網絡層會根據數據報片中的標識符將它們重新組合成完整的數據報。IPv4與IPv6IPv4IPv4是互聯網協議的第四版，是目前互聯網中使用的主要版本。IPv4地址空間有限，已接近枯竭。IPv6IPv6是互聯網協議的第六版，旨在解決IPv4地址空間不足的問題。IPv6地址空間大，能夠滿足未來互聯網發(fā)展的需求。IPv6的特點11.地址空間更大IPv6提供了更大的地址空間，可以滿足未來數十年的網絡發(fā)展需求。22.安全性更高IPv6采用更安全的地址分配機制，減少了安全風險。33.自動配置更便捷IPv6支持自動地址配置，簡化了網絡配置過程。44.網絡管理更靈活IPv6提供了更靈活的網絡管理功能，方便網絡的擴展和維護。IPv6地址的表示方法1十六進制表示法IPv6地址使用十六進制表示，每個十六進制數占4位，一共8組，用冒號分隔。2壓縮表示法如果地址中連續(xù)出現多個0，可以用雙冒號（::）進行壓縮，省略中間的0。3接口標識符IPv6地址中包含接口標識符，用于識別同一個網絡中的不同設備。4全球唯一性IPv6地址在全球范圍內都是唯一的，確保網絡中每個設備都有一個唯一的標識。IPv6數據報格式IPv6數據報格式與IPv4存在較大差異。它包含固定長度的頭部信息，長度為40字節(jié)，并支持多種擴展頭部。IPv6數據報格式更簡潔，去除了IPv4中的一些可選字段，例如服務類型、標識、片段偏移等。IPv6數據報格式的設計充分考慮了未來網絡的需求，例如安全性、移動性、多播等。IPv4