计网第四章网络层

 4.1网络层服务(not end-end)

从发送主机向接收主机传送数据段(segment)：

发送主机->将数据段封装到数据报中

接收主机->向传输层交付数据段

 

每个主机和路由器都要运行网络层协议，其中，路由器检验穿越它的IP数据报的头部域，决策如何处理数据报。

 

网络层的核心功能-转发与路由

转发：将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口。

每个路由器维护一个转发表(事先建立)，转发表确定如何在路由器中转发分组

路由：确定分组从源到目的的路径。由 路由算法(协议)确定通过网络的端到端路径

 

网络层的核心功能-连接建立

是某些网络的重要功能(如ATM)

数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟连接

网络层连接：两个主机之间(网络设备参与)(not end-end)

传输层连接：两个应用进程之间(对网络设备透明)(end-end)

 

网络层服务模型(service model)：

不同的网络提供的服务模型不同

无连接服务：

不事先为系列分组的传输确定传输路径

每个分组独立确定传输路径

不同分组可能传输路径不同

例子：

数据报网络(类似传输层的无连接服务UDP)

 

连接服务：

首先确定从源到目的的路径

沿该路径传输系列分组

系列分组传输路径相同，顺序得到保障

传输结束后拆除连接

例子:

虚电路网络(类似传输层的面向连接服务TCP)

 

4.2：虚电路网络与数据报网络

网络层服务与传输层服务的本质区别：

网络层提供主机到主机的服务，是网络核心的实现；传输层实现端到端的服务

 

虚电路(Virtual Circuits)：一条从源主机到目的主机，类似于电路的路径(逻辑连接)

采用分组交换，每个分组的传输利用链路的全部带宽(与电路交换的最大差异)

源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能

 

虚电路的通信过程：

呼叫建立(call setup)->数据传输->拆除呼叫

数据传输：每个分组携带虚电路标识(VCID)，在相应的虚电路上进行传输，而不是目的主机地址

虚电路经过的每个网络设备，都需要维护每条经过它的虚电路连接状态

链路、网络设备资源(如带宽、缓存等)可以对VC进行预分配：预分配资源==可预期服务性能

 

虚电路的具体实现：

虚电路的组成：

1.从源主机到目的主机的一条路径

2.虚电路号(VCID)，在虚电路上的每段链路具有自己的编号(同一条VC，在每段链路上的VCID通常不同)

3.虚电路上的每个网络层设备(如路由器)，利用转发表记录经过该设备的每条虚电路(依据转发表改写/替换虚电路号)

 

虚电路信令协议：用于VC的建立、维护与拆除

建立：路径选择(需要路由)

应用于虚电路网络，目前的Internet不采用

 

 

数据报网络：

网络层无连接，每个分组携带目的地址

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，通过检索转发表转发分组

每个分组独立选取路径(数据报路径可能不同)，因此可能乱序到达目的主机

 

数据报转发表：

最长前缀匹配优先原则：优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口

 

数据报网络 or VC网络：

 

4.3：IPv4协议

Internet网络层：

 

IP数据报(分组)的格式：

首部长度以4字节为单位(换算成10进制后)

服务类型：(区分服务1998)指示期望获得哪种类型的服务，只有在网络提供区分服务时使用，一般情况下不使用，因此通常IP分组的第二字节的值为00H

总长度字段：IP分组的总字节数(首部+数据)

生存时间：IP分组在网络中可以通过的路由器数。路由器转发一次分组，TTL-1，当TTL=0时，路由器丢弃该IP分组

协议：指示IP分组封装的是哪个协议的数据包，实现IP协议的复用/分解

首部校验和：实现对IP分组首部的差错检测，由于TTL每次转发都会减1，因此每次转发后，校验和都要重新进行计算，即逐跳计算、逐跳校验

填充：长度可变，范围在0-3B之间，目的是补充整个首部，符合32位对齐。即保证首部长度是4字节的倍数

 

IP分片：

最大传输单元(MTU)：链路层数据帧可封装数据的上限(byte)。不同链路的MTU不同

当大的IP分组向较小的MTU链路转发时，可以被"分片"(fragmented)。是否可以分片取决于某些标志位。大的IP分组不允许分片时，路由器会把它扔掉，并向源主机发送一个ICMP报文

分片时，路由器把1个IP分组被分为多片IP分组，IP分片到达目的主机后进行“重组”(目的主机负责)，其中，IP首部的相关字段(总长度，标识，标志位，片偏移)用于标识分片以及确定分片的相对顺序。

 

如果分片们到达目的主机时丢失了一部分，目的主机会先等待一段时间，如果还没收到，目的主机会把它们全丢了。

 

标识(ID)：标识一个IP分组。由IP协议、计数器、源IP地址、目的IP地址共同产生

标志位：(3位)

MF=1，说明是分片出来的分组，并且是 非最后一片

MF=0的具体含义由片偏移确定：

若一个IP分组没有经过分片，则其片偏移量为0

若MF=0且片偏移量不等于0，则说明是最后一片

片偏移量：一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量。片偏移字段以8字节为单位(???)。因此，一个最大分片可封装的数据应该是8的倍数。

 

IP分片过程：

IP编址：

IP分组：

源地址(SA)、目的地址(DA)

接口(interface)：主机/路由器与物理链路的链接，实现网络层的功能

路由器通常有多个接口，主机只有1个或2个接口

 

IPv4：用32位比特编号标识主机、路由器的接口

二进制->点分十进制：

IP地址与每个接口关联

 

IP地址：

同一个区域网络中，接口IP的网络号相同->构成IP子网(不跨越路由器，可以彼此物理联通的接口)

 

有类IP地址：

D类只能作为IP分组中的目的地址(多播地址)

E类作为研究使用

特殊的IP地址(不能分配给接口)：(注：同样适用于后面的拥有子网掩码的HostID)

NetID为127(A类网络)

 

私有IP地址(在公共互联网上无效)：

 

IP子网划分与子网掩码：

划分：

 

子网掩码：

形如IP地址，32位->点分十进制形式

取值：netID、SubID位全取1；HostID位全取0

子网地址+子网掩码->确定子网大小

子网掩码的应用：

 

 

补充知识：

 

4.4CIDR与路由聚合

CIDR与路由聚合：

无类域间路由(CIDR)：

1.消除传统的A类、B类和C类地址界限

NetID+SubID->Network Prefix（前缀，可以任意长度）

2.融合子网地址和子网掩码，方便子网划分

无类地址格式：a.b.c.d/x    (x为十进制数，是前缀的长度)

CIDR与有类地址的映射关系：

上图中是C类地址，C类地址有24位网络号，而CIDR表示下，前缀只有23位，故在这种表示方式下，前缀不变，剩下最后一位比特，因此其表示包含着两个C类网络，分别是200.23.16.0和200.23.17.0

CIDR能更加方便地描述子网：

CIDR的优点：

1.能提高IPv4的地址空间分配效率

2.能提高路由效率，利于路由聚合，如:

将多个子网聚合成一个较大的子网；构造超网(更大的子网)

 

解决路由黑洞问题(最长前缀匹配优先)：

                                          I

                                         V

4.5DHCP协议：

如何获得IP地址？

1.硬编码：静态配置

2.动态主机配置协议DHCP(在应用层实现)：

即选择 自动获得IP地址和自动获得DNS服务器地址

可以从服务器动态获取(租)：

IP地址、子网掩码、默认网关地址、DNS服务器名称与IP地址

特点：“即插即用”、允许地址重用，支持在用地址续租、支持移动用户加入网络

 

动态主机配置协议：

ACK报文中包含分配给用户的IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器地址

4.6 网络地址转换NAT

NAT的实现：

例子：

NAT的穿透问题：

客户期望在公网连接内网的服务器

解决方案1：

静态配置NAT，将特定端口的连接请求转发给服务器

解决方案2：

利用UPnP自动配置：

解决方案3：

中继(如Skype)

 4.7 互联网控制报文协议 ICMP

功能：

1.支持主机或者路由器进行差错报告

2.网络探寻

两类ICMP报文：

1.差错报告报文

(1)目的不可达

(2)源抑制

(3)超时/超期报文(ttl超时)

(4)参数问题

(5)重定向

2.网络探询报文

(1)回声请求与应答报文

(2)时间戳请求与应答报文

ICMP报文的格式：

ICMP差错报告报文的数据封装：

ICMP的应用举例：Traceroute

4.8 IPv6简介：

IPv6的数据报：

特点：

1.固定长度的40字节基本首部

2.不允许分配(若分片，源主机分，目的主机组装)

格式：(路由器通常不需要处理选项首部)

 

IPv4 vsIPv6:

IPv6的地址表示形式：(冒号分割，16进制，16个比特一组，一共8组)

IPv6基本地址类型:

1.单播地址

一对一通信

2.多播地址

一对多通信(只能出现在目的地址中)

3.任意播地址

一对一组之一(最近一个)通信

IPv4向IPv6过渡：

 

 

          ->   

 

 

路由聚合的条件：

1.子网的IP地址连续或相对连续

2.子网的接口相同，如

此时，R2到局域网可以实现聚合