网络层

网络层的功能

 网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。也就是说，网络层传送的分组可能出错、丢失、重复、失序、超时。这种设计思路的好处：网络造价大大降低，运行方式灵活。

虚电路、数据报比较

  • 数据报网络提供网络层无连接服务
  • 虚电路网络提供网络层连接服务

IPv4地址[1]:146

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  • A类：0.0.0.0到127.255.255.255

    • 数字0和127不作为主机的IP地址，数字127保留给内部回送函数，而数字0则表示该地址是本地宿主机，不能传送，但是0和127确实是属于A类地址

  • B类：128.0.0.0到191.255.255.255

  • C类：192.0.0.0到223.255.255.255

子网划分

原有的IP地址空间利用率很低；两级IP地址不够灵活；

子网划分概念：在IP地址中，增加“子网号字段”，使两级IP地址变成三级IP地址；三级IP地址结构：IP地址 = {<网络号>,<子网号>,<主机号>}

注意：划分子网只是把IP地址主机号进行划分，不改变IP地址原来的网络号。因此从一个IP地址本身，无法判断源主机或目的主机的网络是否进行了子网划分；

子网掩码

 为了告诉主机或路由器对一个A类、B类、C类地址进行了子网划分，使用子网掩码；

 子网掩码与IP地址相对应，由一串1跟随一串0组成。1对应IP地址中的网络号及子网号，0对应于主机号；

 将IP地址和其对应的子网掩码相逐位相“与”(逻辑AND运算)，即可得到相应子网的网络地址；

例如：某主机IP地址192.168.5.56，子网掩码255.255.255.0，逐位相“与”后，得出该主机所在子网的网络号为192.168.5.0。

CIDR

无分类域间路由选择，无分类域间路由，Classless InterDomain Routing

概念：

 无分类域间路由选择，在变长子网掩码的基础上提出的一种消除传统A、B、C类网络划分，并且可实现超网构造的IP地址划分方法。

无分类两级编址为：IP:: = {<网络前缀>,<主机号>}

 CIDR使用“斜线记法”，即网络号所占的比特数。

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路由聚合

 让路由选择协议能够用一个地址通告众多网络，旨在缩小路由器中路由选择表的规模，以节省内存，并缩短IP对路由选择表进行分析以找出前往远程网络的路径所需的时间。

划分子网、路由聚合、路由表计算题

IP数据报格式

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NAT

 网络地址转换，Network Address Translation

 将内部网络的私有IP地址转换为公有IP地址，本地地址的内部主机与因特网上主机通信必须进行地址转换，并且对外隐藏内部网络的IP地址；

优点：

 使用专用网只需要一个全球IP地址就可以与因特网连通，可以大大节省IP地址的消耗。同时，它隐藏了内部网路结构，降低了内部网络收到攻击的风险。

专用网络(本地)ip地址：

  • 10.0.0.0 - 10.255.255.255
  • 172.16.0.0 - 172.31.255.255
  • 192.168.0.0 - 192.168.255.255

ICMP功能和应用

Internet控制报文协议，Internet Control Message Protocol

作用：描述IP通信实体之间交换的控制信息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息

ICMP封装在IP分组中

ICMP应用1 Ping

  • 测试两个主机之间的连通性

ping是应用层直接使用网络层ICMP的例子，它没有通过传输层的TCP或UDP。

ICMP应用2 tracert/traceroute

ICMP作用：

 跟踪从本站到目的站的路径(经过的路由器)

如何实现？

前提理论：若路由器发现一个数据包的TTL(生存时间) 减1后为0，该路由器会给该数据包的发送方返回一个错误报告的ip数据包。这个ip数据包会泄露这个路由器的ip地址。

所以源主机通过逐步增加TTL的值，最终可以知道从源主机到目的主机经过的所有的路由器。

(补充: 其实得不到所有的路由器ip，因为有的路由器处于安全性的考虑，压根就不会给源主机错误反馈。)

具体步骤：

  • 源主机向目的主机发一串非法端口号的IP包
  • 源主机设置第i个数据包的TTL(生存时间)为i跳。数据包每经过一个路由器TTL减去1。
  • 途中的路由器，将TTL减1后若为0，源主机返回一个超时的错误报告。此时源主机可从IP数据包中得到这个主机的IP。
  • 下一次，源主机只需要将TTL加1，即可得到下一路由器的IP。

ARP

地址解析协议

在链路层传送数据帧，必须使用硬件地址。ARP协议实现从IP地址到MAC地址的映射；

工作原理：

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DHCP

动态主机配置协议，Dynamic Host Configuration Protocol

功能：由服务器控制一段IP地址范围，客户机登录服务器时就可以自动获得服务器分配的IP地址和子网掩码；

VPN

虚拟专用网络，Virtual Private Network

在公用网络上建立专用网络，进行加密通讯。在企业网络中有广泛应用。VPN网关通过对数据包的加密和数据包目标地址的转换实现远程访问。降低用户费用，提供更强的安全性和可靠性。

路由器

路由器的组成和功能

 路由器是一种具有多个输入/输出端口的专用计算机，其任务是连接不同的网络，并完成路由转发。在多个逻辑网络互联时，必须使用路由器。

 路由器主要完成两个功能：

  1. 路由选择

    从相邻路由器得到整个网络拓扑变化情况，动态选择路由；

  2. 分组转发(存储转发)

    路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去；

静态路由与动态路由

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直接交付和间接交付

 当源主机向目的主机发送数据报时[1]:194：

  • 如果源主机和目的主机在同一个网络上，那么直接交付而无须通过路由器；
  • 如果源主机和目的主机不在同一个网络上，那么路由器按照转发表指出的路由将数据报转发给下一个路由器，称为间接交付。

路由表

概念：路由表根据路由选择算法得出，主要用于路由选择；

标准的路由表有4个项目：

  1. 目的网络IP地址
  2. 子网掩码
  3. 下一跳IP地址
  4. 接口

多种路由表例子

  1. 目的网络 - 子网掩码 - 下一跳 - 接口

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  1. 目的网络 - 子网掩码 - 下一跳

  2. 目的网络 - 跳数 - 下一跳路由(RIP路由表)

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路由协议

自治系统

 自治系统(AS)，自治系统内部的路由选择称为域内路由选择，自治系统之间的路由选择称为域间路由选择。

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内部网关协议(IGP):

RIP

路由信息协议，(Routing Information Protocol)

应用层协议，传递协议UDP

路由表项：<目的网络，距离，下一跳路由器地址>

RIP缺点：坏消息传的慢；

RIP是基于距离向量的路由选择协议

  • 仅和相邻路由器交换信息；
  • 路由器交换的信息是当前路由器所知道的全部信息，即自己的路由表；
  • 按固定的时间间隔交换路由信息，如每隔30秒；

RIP计算题

OSPF

开放式最短路径优先，Open Shortest Path First

网络层协议，传递协议IP

开放： 表明协议不受某一家厂商控制，而是公开发表的；最短路径优先：用 Dijkstra 的最短路径找出最短路径

OSPF采用分层划分区域的方法

  • 使交换信息的种类增多了，同时使OSPF更加复杂了
  • 使每个区域内路由通信量减少，使OSPF能用于更大的自治系统

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外部网关协议：EGP

BGP

边界网关协议，不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议；路径－向量

应用层协议，传递协议TCP

BGP，只是寻找一条较好、可达的路由，并非要最佳的路由。

若BGP的选择题，出现了最短、最佳的选项；该选项一般都是错误选项

RIP、OSPF、BGP对比

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RIP的路由器不知道全网的拓扑结构；OSPF的路由器知道自己所在区域的拓扑结构；

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参考资料：

[1]. 王道计算机网路.2022

posted @ 2021-11-26 15:34  JieShenAI  阅读(486)  评论(0)  编辑  收藏  举报