深度学习 网络层数推算 第四章网络层

**本章概要：**电路、报文、IPv4/6、子网划分…

文章目录

• 网络层概述

• 传输单元名词辨析
• 网络层功能：
• 数据交换方式

• 为什么要数据交换
• 交换方式

• 1. 电路交换
• 2. 报文交换
• 3. 分组交换

• 
  
• 数据报方式
• 虚电路方式
• 数据报&虚电路

• 报文交换&分组交换
• 三种数据交换方式比较总结

• 路由算法

• 路由算法
• 路由算法分类

• 静态路由算法
• 动态路由算法

• 分层次的路由选择协议

• 原因：
• 自治系统AS：
• 路由选择协议分类：

• 内部网关协议IGP（一个AS内使用）

• RIP协议（应用层协议）

• 距离向量算法
• RIP协议的报文格式
• RIP故障处理
• RIP脑图

• OSPF协议

• 链路状态路由算法
• OSPF的区域
• OSPF分组
• OSPF其他特点

• 外部网关协议EGP

• BGP协议

• BGP协议交换信息的过程
• BGP协议报文格式
• BGP协议特点
• BGP-4的四种报文

• 三种路由协议比较

• IP数据报

• TCP/IP协议栈
• IP数据报格式
• 
  
• IP数据报分片

• 最大传输带元MTU
• IP数据报分片例题

• IPv4地址

• IP地址
• IP编制的历史阶段
• 一、分类的IP地址

• 互联网中的IP地址
• 分类
• 特殊IP地址
• 私有IP地址
• 分类IP可使用数
• 网络地址转换NAT

• 二、子网划分

• 分类IP地址弱点
• 子网划分
• 子网掩码
• 子网掩码习题
• 使用子网时分组的转发

• 三、无分类编址CIDR

• 构成超网
• 最长前缀匹配
• CIDR习题

• ARP协议（网络层协议）

• 发送数据的过程
• ARP协议
• ARP协议例题

• DHCP协议（应用层）

• 主机如何获得IP地址
• DHCP协议

• ICMP协议（网络层）

• TCP/IP协议栈
• 网际控制报文协议ICMP
• ICMP差错报文

• 分类：
• ICMP差错报告报文数据字段
• 不应发送ICMP差错报文的情况

• ICMP询问报文
• ICMP的应用

• IPv6

• 为什么有IPv6
• IPv6数据报格式
• IPv6和IPv4
• IPv6地址表示形式
• IPv6基本地址类型
• IPv6向IPv4过渡的策略
• IPv6脑图

• IP组播

• IP数据报的三种传输方式
• IP组播地址
• 硬件组播
• 因特网范围内组播

• 网际组管理协议IGMP协议（网络层）
• 组播路由选择协议

• IP组播脑图

• 移动IP

• 移动IP相关术语
• 移动IP通信过程

• 网络层设备

• 路由器

• 输入端口对线路上收到的分组的处理
• 输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路

• 三层设备的区别
• 路由表和路由转发

网络层概述

主要任务是把分组从源端传到目的端，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：数据报

分组把数据报切割。

传输单元名词辨析

网络层功能：

1. 路由选择与分组转发
   寻找最佳路径
2. 异构网络互联
3. 拥塞控制
   所有结点都来不及接受分组，导致大量分组丢弃
   解决方法：

• 开环控制（静态）
• 闭环控制（动态）

数据交换方式

为什么要数据交换

交换方式

1. 电路交换

• 特点

• 独占资源

• 例如：电话网络
• 电路交换的阶段
• 优点

1. 通信时延小
2. 有序传输
3. 没有冲突
4. 实时性强

• 缺点

1. 建立连接时间长
2. 线路独占，使用效率低
3. 灵活性差
4. 无差错控制能力

2. 报文交换

报文：源应用发送的信息整体

• 优点

1. 无需建立连接
2. 存储转发，动态分配链路
3. 线路可靠性较高
4. 线路利用率较高
5. 多目标服务

• 缺点

1. 有存储转发时延
2. 报文大小不定，需要网络结点有较大缓存空间

3. 分组交换

分组：把大的数据块分割成小的数据块

• 优点：

1. 无需建立连接
2. 存储转发，动态分配链路
3. 线路可靠性较高
4. 线路利用率较高

• 缺点：

1. 有存储转发时延
2. 需要传输额外的信息量（分组信息）
3. 乱序到目的主机时，要对分组重新排序

数据报方式

为网络层提供无连接服务

不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组的传输路径可能不同。

• 无连接
• 每个分组携带源和目的地址
• 路由器根据分组的目的地址转发分组

• 基于路由协议/算法构建转发表
• 检索转发表
• 每个分组独立选路

虚电路方式

为网络层提供连接服务

首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径（连接）传输系列分组，系列分组路径相同，传输结束后拆除连接。

虚电路将数据报方式和的电路交换方式结合，以发挥两者优点

虚电路：

• 一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接）
• 路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立
• 都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息

通信过程：

数据报&虚电路

报文交换&分组交换

三种数据交换方式比较总结

1. 报文交换和分组交换都采用存储转发
2. 传输数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
3. 从信道利用率看，报文交换和分组交换优于电路交换。其中分组交换时延更小

路由算法

路由算法

路由算法分类

静态路由算法

非自适应路由算法，管理员手工配置路由信息

• 优点：

• 简便、可靠
• 在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果很好
• 广泛用于高度安全性的军事网络和较小的商业网络

• 缺点：

• 路由更新慢
• 不适用大型网络

动态路由算法

自适应路由算法，路由器彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项

• 优点：

• 路由更新快
• 适用于大型网络
• 及时响应链路费用及网络拓扑变化

• 缺点：

• 算法复杂，增加网络负担

分类：

• 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

• 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

分层次的路由选择协议

原因：

1. 因特网规模很大
2. 很多单位不向让外界知道自己的路由器选择协议，但还想连入互联网

自治系统AS：

路由选择协议分类：

内部网关协议IGP（一个AS内使用）

RIP协议（应用层协议）

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。

只适用于项小互联网

距离向量算法

RIP协议的报文格式

RIP故障处理

RIP脑图

OSPF协议

链路状态路由算法

OSPF的区域

OSPF分组

OSPF其他特点

外部网关协议EGP

• AS之间使用的
• BGP

BGP协议

BGP协议交换信息的过程

• 边界路由器身兼多职，AS内部协议+AS外部协议

BGP协议报文格式

BGP协议特点

BGP-4的四种报文

三种路由协议比较

IP数据报

TCP/IP协议栈

IP数据报格式

• 协议字段：

• TCP 6
• UDP 17

• 一种八片首饰

IP数据报分片

最大传输带元MTU

链路层数据帧可封装的数据的上限。

以太网的MTU是1500字节。

IP数据报分片例题

IPv4地址

IP地址

IP编制的历史阶段

• 分类的IP地址
• 子网的划分
• 构成超网（无分类编址方法）

一、分类的IP地址

• 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
• 网络号，主机号
• 点分十进制

互联网中的IP地址

• 网桥分网段不分广播域
• 路由器分广播域

分类

特殊IP地址

私有IP地址

分类IP可使用数

网络地址转换NAT

• NET转换表

• 请求结构：{【源地址】，【目的地址】，【端口号】}
• 每一行都一一对应
• 局域内网通信对应LAN端
• 通过路由器与外网连接对应WAN端
• 内网主机想访问外网内容要先通过路由器NET转换，从LAN接口转到WAN去访问

二、子网划分

分类IP地址弱点

1. IP地址空间的利用率有时候很低

• 可能根本用不到那么多主机号，没那么多设备

2. 两级IP地址不够灵活

子网划分

子网掩码

• 子网掩码与IP地址逐位相与，就得到子网网络地址

子网掩码习题

72 = $2^6 + 2^3$

• 子网掩码：255.255.252.0

• 252即11111100，即前面的8+8+6=22位作为网络号，后面10位主机号

• IP地址：180.80.77.55

• 180说明是B类IP地址，所以16位作为网络号，6位子网号
• 77对应01001101，取前6位即子网号010011
• 主机所在网络号180.80.76.0

• 广播地址：

• 主机号全1，（BCD都有可能，因为不知道子网号占多少位）
• 所以要把IP地址中后10位全部变为1，导致76->79，55->255
• 最终答案180.80.79.255

使用子网时分组的转发

• 使用相与的操作
• 超过分组的TTL生存时间会丢弃

三、无分类编址CIDR

构成超网

最长前缀匹配

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-G1fttvrg-1610077905901)(/Users/fine/Library/Application Support/typora-user-images/image-20210106155505326.png)]

CIDR习题

• IP地址：192.168.5.0/24

• 24，说明前3位都是网络前缀，可以看作网络号
• 采用定长网络划分，说明将第四位又拿出来划分子网

• CIDR不用减去两个子网数目，还是32
• 主机个数要 -2，8-2=6，全0代表本机，全1代表广播地址，都不可指派

ARP协议（网络层协议）

发送数据的过程

• 主机与目的机在一个网段

1. 若ARP高速缓存中，有目的机IP地址和物理地址的映射，则直接发送
2. 若没有，主机广播ARP请求分组：我是IP1，我要找IP3，我的物理地址是MAC1，IP3的地址是多少。由于全F即全1，为广播分组，所以路由器转发
3. 当目的机收到这个请求，发现要找IP3，于是单播ARP响应分组：我是IP3，我的物理地址是MAC3

• 主机与目的机不在一个网段

1. 主机广播后发现目的机不在，于是去找自己的默认路由，然后让默认路由代替自己完成上诉步骤。
2. 在路由器那，源IP地址仍然是IP1，物理地址变成了MAC路由器

ARP协议

由于在实际网络的链路传送数据帧时，最终必须使用MAC地址。

ARP协议：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。解决下一跳走哪的

问题。

• ARP协议使用过程：
• ARP协议4种典型情况

ARP协议例题

DHCP协议（应用层）

主机如何获得IP地址

DHCP协议

ICMP协议（网络层）

TCP/IP协议栈

网际控制报文协议ICMP

ICMP差错报文

分类：

ICMP差错报告报文数据字段

不应发送ICMP差错报文的情况

ICMP询问报文

• 3、4已经没有使用了

ICMP的应用

• PING

测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文

• Traceroute

跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文

IPv6

为什么有IPv6

IPv6数据报格式

IPv6和IPv4

IPv6地址表示形式

IPv6基本地址类型

• 单播

• 一对一通信
• 可做源地址+目的地址

• 多播

• 一对多通信
• 可做目的地址

• 任播

• 一对多中的一个通信
• 可做目的地址

IPv6向IPv4过渡的策略

• 双栈协议
• 隧道技术

IPv6脑图

IP组播

IP数据报的三种传输方式

• 单播

• 广播
• 组播（多播）

IP组播地址

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址（一群共同需求主机的相同标识）

• 源地址总是单播地址
• 组播地址只能用作分组的目标地址

硬件组播

• 01-00-5E

因特网范围内组播

网际组管理协议IGMP协议（网络层）

IGMP工作的两个阶段

组播路由选择协议

组播路由选择协议常使用的三种算法：

1. 基于链路状态的路由选择
2. 基于距离-向量的路由选择
3. 协议无关的组播（稀疏/密集）

IP组播脑图

移动IP

移动IP相关术语

移动IP通信过程

网络层设备

路由器

输入端口对线路上收到的分组的处理

输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路

三层设备的区别

• 路由器：

• 可以互联两个不同网络层协议的网段

• 网桥：

• 可以互联两个物理层和链路层不同的网段

• 集线器：

• 不能互联两个物理层不同的网段

路由表和路由转发