《網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議》課件

網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議內(nèi)容大綱網(wǎng)絡(luò)層功能數(shù)據(jù)分組、路由選擇、擁塞控制、流量控制網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議概述IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議路由算法距離向量算法、鏈路狀態(tài)算法網(wǎng)絡(luò)層安全加密、身份認(rèn)證、VPN、移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)層功能數(shù)據(jù)分組將來(lái)自上層的數(shù)據(jù)分成若干個(gè)數(shù)據(jù)分組。每個(gè)數(shù)據(jù)分組包括數(shù)據(jù)部分和頭部信息，頭部信息包含源地址、目的地址、分組長(zhǎng)度等。尋址和路由為每個(gè)數(shù)據(jù)分組確定唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，并根據(jù)地址信息選擇最佳路徑將分組轉(zhuǎn)發(fā)到目的網(wǎng)絡(luò)。流量控制控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩苊饩W(wǎng)絡(luò)過(guò)載，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴＞W(wǎng)絡(luò)層協(xié)議概述網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源主機(jī)傳送到目標(biāo)主機(jī)。它定義了數(shù)據(jù)分組格式和路由算法，并提供連接服務(wù)和尋址服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議功能網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議為上層應(yīng)用提供透明的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)服務(wù)，屏蔽網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部復(fù)雜性，使應(yīng)用程序?qū)Ｗ⒂跀?shù)據(jù)處理。分組交換網(wǎng)絡(luò)分組交換網(wǎng)絡(luò)是一種將數(shù)據(jù)分成多個(gè)數(shù)據(jù)包，然后通過(guò)不同的路徑傳輸?shù)侥繕?biāo)主機(jī)的方式。每個(gè)數(shù)據(jù)包都包含了目的地址和源地址，以及其他控制信息。與電路交換網(wǎng)絡(luò)相比，分組交換網(wǎng)絡(luò)更加靈活和高效，因?yàn)閿?shù)據(jù)包可以通過(guò)多種路徑傳輸，避免了電路交換網(wǎng)絡(luò)的線路占用問(wèn)題。分組頭部格式網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)包都包含一個(gè)頭部信息，用于指示數(shù)據(jù)包的目的地、源地址、協(xié)議類型等信息。頭部格式因協(xié)議而異，但都包含以下基本信息：版本號(hào)頭部長(zhǎng)度服務(wù)類型總長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)標(biāo)志片偏移生存時(shí)間協(xié)議頭部校驗(yàn)和源地址目的地址路由算法1距離向量路由算法每個(gè)路由器維護(hù)一張距離向量表，記錄到達(dá)其他網(wǎng)絡(luò)的距離和下一跳路由器。2鏈路狀態(tài)路由算法每個(gè)路由器維護(hù)一張網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，記錄所有路由器之間的連接和距離。路由協(xié)議分類內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議用于同一自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由器之間交換路由信息。外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議用于不同自治系統(tǒng)之間的路由器之間交換路由信息。距離向量路由協(xié)議每個(gè)路由器維護(hù)一個(gè)距離向量表，其中包含到達(dá)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的距離和下一跳路由器。鏈路狀態(tài)路由協(xié)議每個(gè)路由器維護(hù)一個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包含網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路的連接情況。距離向量路由算法1基礎(chǔ)概念每個(gè)路由器維護(hù)一個(gè)距離向量表，包含到每個(gè)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的距離和到達(dá)該網(wǎng)絡(luò)的下一跳路由器信息。2信息傳播路由器定期將自己的距離向量表廣播給相鄰路由器，更新相鄰路由器的距離向量表。3特點(diǎn)易于實(shí)現(xiàn)，但存在收斂速度慢、路由環(huán)路等問(wèn)題。鏈路狀態(tài)路由算法概述鏈路狀態(tài)路由算法是一種全局路由算法，它收集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，然后?jì)算出最優(yōu)路徑。流程每個(gè)路由器都向網(wǎng)絡(luò)中廣播其連接的鄰居和鏈路成本信息。每個(gè)路由器收集所有鏈路狀態(tài)信息，構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。使用最短路徑算法（例如Dijkstra算法）計(jì)算最優(yōu)路徑。特點(diǎn)快速收斂：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，鏈路狀態(tài)路由算法能快速更新路由表?？蓴U(kuò)展性高：適用于大型網(wǎng)絡(luò)，但數(shù)據(jù)量大，可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。自治系統(tǒng)和邊界路由器自治系統(tǒng)一個(gè)自治系統(tǒng)(AS)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理員負(fù)責(zé)的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，擁有獨(dú)立的路由策略。邊界路由器位于不同自治系統(tǒng)之間的路由器，負(fù)責(zé)連接不同網(wǎng)絡(luò)并交換路由信息。路由協(xié)議邊界路由器使用外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP)來(lái)交換自治系統(tǒng)間的路由信息。內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議OSPF開放式最短路徑優(yōu)先OSPF是一個(gè)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，用于在自治系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行路由。鏈路狀態(tài)信息每個(gè)路由器都維護(hù)一個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)洪泛的方式將信息傳播給其他路由器。最短路徑計(jì)算路由器根據(jù)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算出最短路徑，并將路徑信息添加到路由表。外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP1連接自治系統(tǒng)BGP用于連接不同的自治系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的路由信息交換。2路徑選擇BGP采用復(fù)雜的路徑選擇算法，根據(jù)路由策略和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇最佳路徑。3可靠性BGP提供可靠的路由信息傳輸機(jī)制，保證路由信息的完整性和時(shí)效性。地址解析協(xié)議ARPARP用于將IP地址轉(zhuǎn)換為MAC地址，在同一局域網(wǎng)中進(jìn)行通信。ARP通過(guò)廣播請(qǐng)求和應(yīng)答，建立IP地址與MAC地址之間的映射關(guān)系。ARP表存儲(chǔ)在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，記錄了本地網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的IP地址和MAC地址。網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接ICMP用于探測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接，例如ping命令。錯(cuò)誤報(bào)告當(dāng)數(shù)據(jù)包無(wú)法到達(dá)目的地時(shí)，ICMP會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告。路由重定向ICMP可以用于向主機(jī)或路由器發(fā)送路由重定向消息。網(wǎng)際數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議IP網(wǎng)絡(luò)層核心協(xié)議IP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層最核心的協(xié)議，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)報(bào)的封裝、尋址和路由，是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)報(bào)格式IP數(shù)據(jù)報(bào)包含報(bào)頭和數(shù)據(jù)部分，報(bào)頭包含源地址、目的地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息，用于路由和數(shù)據(jù)傳輸。IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝格式IP數(shù)據(jù)報(bào)是網(wǎng)絡(luò)層中傳輸數(shù)據(jù)的基本單元。數(shù)據(jù)報(bào)的封裝格式包含頭部和數(shù)據(jù)部分。頭部包含版本、長(zhǎng)度、標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、偏移、生存時(shí)間、協(xié)議、校驗(yàn)和、源地址和目的地址等信息。數(shù)據(jù)部分則承載著上層協(xié)議的數(shù)據(jù)。IPv4地址結(jié)構(gòu)1網(wǎng)絡(luò)號(hào)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)，例如192.168.1.0代表一個(gè)私有網(wǎng)絡(luò)2主機(jī)號(hào)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，例如192.168.1.1003子網(wǎng)掩碼區(qū)分網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)，例如255.255.255.0IPv4地址分類A類地址用于大型網(wǎng)絡(luò)，地址范圍為1.0.0.0-126.255.255.255。B類地址用于中等規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，地址范圍為128.0.0.0-191.255.255.255。C類地址用于小型網(wǎng)絡(luò)，地址范圍為192.0.0.0-223.255.255.255。D類地址用于組播地址，地址范圍為224.0.0.0-239.255.255.255。子網(wǎng)劃分和CIDR1子網(wǎng)劃分將一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)小的子網(wǎng)2CIDR無(wú)類別域間路由3優(yōu)勢(shì)提高網(wǎng)絡(luò)效率和安全性子網(wǎng)劃分是將一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)較小的子網(wǎng)，這是一種常用的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。它可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)效率，并簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理。CIDR是一種無(wú)類別域間路由，它通過(guò)使用可變長(zhǎng)度子網(wǎng)掩碼來(lái)優(yōu)化路由表的大小和效率。IPv6地址格式IPv6地址由128位構(gòu)成，使用16進(jìn)制表示，共8組，每組4位，用冒號(hào)分隔。例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IPv6地址可以簡(jiǎn)化表示，省略連續(xù)的0組。例如：2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334。IPv6地址分為全局地址、本地地址和組播地址等，支持多種地址類型，滿足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求。IPv6功能擴(kuò)展安全性增強(qiáng)IPsec集成，提高網(wǎng)絡(luò)安全性，防止攻擊。移動(dòng)性改進(jìn)支持移動(dòng)IP，簡(jiǎn)化移動(dòng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接入。網(wǎng)絡(luò)管理簡(jiǎn)化自動(dòng)配置，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理和配置。網(wǎng)絡(luò)層安全機(jī)制數(shù)據(jù)加密使用加密算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無(wú)法理解的格式，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。身份認(rèn)證驗(yàn)證用戶或設(shè)備的身份，確保只有授權(quán)用戶可以訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源。訪問(wèn)控制限制對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的訪問(wèn)權(quán)限，根據(jù)用戶身份和權(quán)限設(shè)置訪問(wèn)規(guī)則。加密和身份認(rèn)證數(shù)據(jù)加密使用加密算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無(wú)法理解的形式，只有擁有密鑰的人才能解密。身份驗(yàn)證驗(yàn)證用戶身份，確保只有授權(quán)用戶才能訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源。虛擬專用網(wǎng)VPN1安全連接VPN通過(guò)加密隧道安全地連接到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)敏感數(shù)據(jù)傳輸。2匿名訪問(wèn)VPN隱藏用戶的真實(shí)IP地址，提供匿名性和隱私保護(hù)。3跨地域訪問(wèn)VPN允許用戶繞過(guò)地理限制，訪問(wèn)受限的網(wǎng)站和服務(wù)。移動(dòng)IP協(xié)議移動(dòng)IP協(xié)議移動(dòng)IP協(xié)議允許移動(dòng)主機(jī)在不改變其IP地址的情況下，在不同的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信。核心功能移動(dòng)IP協(xié)議主要負(fù)責(zé)處理移動(dòng)主機(jī)地址的更新和路由信息的轉(zhuǎn)發(fā)。應(yīng)用場(chǎng)景移動(dòng)IP協(xié)議廣泛應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)控制和數(shù)據(jù)平面分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中控制和自動(dòng)化管理。云計(jì)算通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供可擴(kuò)展的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式的變革。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)隨著移動(dòng)設(shè)備和應(yīng)用的普及，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進(jìn)，例如5G，為用戶提供更高速率和低延遲的服務(wù)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN集中控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò)行為靈活高效的網(wǎng)絡(luò)管理未來(lái)網(wǎng)絡(luò)方向1網(wǎng)絡(luò)智能化利用人工智能技術(shù)提升網(wǎng)絡(luò)的智能化水平，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)維、故障預(yù)測(cè)和資源優(yōu)化。2邊緣計(jì)算將計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)靠近用戶，降低網(wǎng)絡(luò)延遲，提高數(shù)據(jù)處理效率。3量子網(wǎng)絡(luò)基于量子力學(xué)原理構(gòu)建新型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)超高速率、超高安全性和低功耗。本課程小結(jié)知識(shí)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和傳輸，確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中可靠地傳遞。重點(diǎn)內(nèi)容本課程重點(diǎn)講解了網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的原理、架構(gòu)和工作機(jī)制，包括分組交換網(wǎng)絡(luò)、路由算法、I