--- title: "《计网》网络层" date: 2023-07-26T11:37:50+08:00 --- ## 网络层概述 * 网络层主要任务是实现网络互联，进而实现数据包在各网络之间的传输 * 需要解决以下问题 * 网络层向运输层传输需要提供怎么样的服务 * 网络层寻址问题 * 路由选择问题 * 主要功能 * 异构网络互联 * 异构网络：数据链路层和物理层均不同网络 * 网络层的任务之一就是使异构网络实现互联 * 网络互联通常是指用路由器进行网络互联和路由选择 * 使用中继系统连接网络 * 物理层中继系统 * 转发器，集线器 * 数据链路层中继系统 * 网桥，交换机 * 网络层中继系统 * 路由器 * 网络层以上的中继系统 * 网络 * 路由选择与分组转发 * 路由选择【确定路径】 * 分组转发【一个分组到达后的动作】 * 拥塞控制 * 拥塞 * 在通信子网中，因出现过量的分组而引起网络性能下降的现象 * 此时所有节点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组 * 判断拥塞 * 观察网络吞吐量与网络负载的关系 * 随着通信子网负载的增加，吞吐量反而降低，即可能发生拥塞 * 轻度拥塞->拥塞->死锁 * 拥塞控制的方法 * 开环控制【静态】：事先考虑可能发生拥塞的情况，一旦系统启动，就不能修改 * 闭环控制【动态】：采用检测网络监视哪里发生了拥塞，动态调整网络系统运行 ## SDN的基本概念 * 软件定义网络SDN采用集中式的控制层面和分布式的数据层面来控制网络 * 北向接口：SDN提供的编程接口 * 南向接口：SDN控制器和转发设备建立双向会话的接口（使用南向接口协议，如openflow） * 东西向接口：SDN控制器集群内部控制器之间的通信接口 ## 网络层设备 ### 冲突域和广播域 * 域 = 冲突或广播在其中发生并传播的区域 * 冲突域 = 连接到同一物理介质上的所有节点的集合，这些节点之间存在介质争用的现象【OSI第一层概念】 * 广播域 = 接收同样广播消息的节点集合【OSI中第二层概念】 * 局域网LAN特指使用路由器分割的网络，即广播域 ### 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 * 路由器主要实现物理层，数据链路层，网络层的功能 * 路由器是网络层设备 * 路由器的任务 * 连接异构网络并完成路由转发 * 路由器的功能 * 分组转发，处理通过路由器的数据流 * 路由计算，通过和其他路由器进行路由协议的交互，完成路由表的计算 * 路由器的组成 * ![](../../images/408/《计网》网络层/路由器的组成.jpg) * 路由选择部分 * 路由选择处理机 + 路由选择协议 + 路由表 * 控制部分，核心是路由选择处理机 * 任务是根据所选定的选择协议构造出路由表 * 同时不断更新路由信息和维护路由表 * 分组转发部分 * 组成部分 * 交换结构（本身是一个网络） + 一组输入端口 + 一组输出端口 * 三种交换方式 * 通过交换器进行交换 * 通过总线进行交互 * 通过互联网络进行交互 ### 路由表与路由转发 * 路由表根据路由选择算法得出，主要用途为路由选择 * 路由表的组成 = 目的网络的IP地址 + 子网掩码 + 下一跳IP地址 + 接口 * 路由表总是用软件实现，转发表可以用软件也可以用邮件实现 * 路由表不等于转发表，分组的实际转发是靠直接查找转发表，而不是直接查找路由表 * 路由表中默认路由的目的地址和子网掩码都是0.0.0.0 * ![](../../images/408/《计网》网络层/路由表.jpg) ## IP地址的基本知识 ### IP地址的定义 ![](../../images/408/《计网》网络层/IP地址定义.png) * MAC的作用则是实现直连的两个设备之间通信，而IP负责在没有直连的两个网络之间进行通信传输 * 源IP地址和目标IP地址在传输过程中是不会变化的（没有使用NAT网络情况下），只有源MAC地址和目标MAC一直在变化 * IPV4地址最大值由32位正整数来表示，IP地址在计算机是以二进制的方式处理的 * IP地址最大值 = $2^{32} = 43$亿左右 * IP地址并不是根据主机台数来配置的，而是以网卡，像服务器、路由器等设备都是有2个以上的网卡，也就是会有2个以上的IP地址 ### 分类编制的IPV4地址 #### 分类 ![](../../images/408/《计网》网络层/分类编制的IPV4地址.jpg) * ABC类地址主要由网络号和主机号组成 * 网络号标志主机/路由器所连接到的网络 * 主机号标志主机/路由器 * 环回测试网络 * 127.x.x.x是环回自检地址，不指派 * 最小的环回地址：127.0.0.1 * 最大的环回地址：127.255.255.254 * 最大可用网络数 * A类最大可用网络数 = $2^{网络号} - 2$ * BC类最大可用网络数 = $2^{网络号}$ * 网络号为0，不指派 * 网络号为127，不指派 * 最大可用主机数 * 最大可用主机数 = $2^{主机号} - 2$ * 主机号全为1的地址是广播地址【255.255.255.255只能作为目的地址使用】 * 主机号全为0的地址是网络本身【0.0.0.0只能作为源地址使用】 * DE地址 * D类和E类地址没有主机号 * 不可用于主机IP * D类常用于多播 * E类是预留的分类，暂时未使用 * IP分类的优点 * 简单明了、选路（基于网络地址）简单 * IP分类的缺点 * 同一网络下没有地址层次，缺少地址层次的灵活性 * C类地址254个太少了，B类地址65534个又太多了，不能很好地与显示网络匹配 * 可用CIDR解决 * 例题 * ![](../../images/408/《计网》网络层/例题分类编制的IPV4地址.jpg) * 一般不适用的IP地址 * ![](../../images/408/《计网》网络层/一般不使用的IP地址.jpg) ### 划分子网的IP地址 ![](../../images/408/《计网》网络层/划分子网的IPV4地址.jpg) ![](../../images/408/《计网》网络层/划分子网的IPV4地址2.jpg) * 划分子网原因 * 两级IP地址分类的地址空间流动率有时很低，用子网划分的方法来改善这个问题 * 划分子网点的好处 * 增加子网的数量->减少广播域的大小->减少了主机的数量->提高了IP地址的利用率 * 不增加网络的数量 * 子网划分 * 将主机地址分为两个部分【子网网络地址和子网主机地址】的过程 * 未做子网划分的ip地址：网络地址+主机地址 * 做子网划分后的ip地址：网络地址 + （子网网络地址+子网主机地址） * 如何得到网络地址 * 将子网掩码和ip地址按位计算AND，就可以得到网络号 * 默认子网掩码 * A类：255.0.0.0 * B类：255.255.0.0 * C类：255.255.255.0 * 如何进行子网划分 * 假设对C类地址进行子网划分 * 网络地址218.75.230.0，使用子网掩码255.255.255.192对其进行子网划分 * C类地址中前24位是网络号，最后8位是主机号 * 根据子网掩码可知从8位主机号中借用2位作为子网号 * 由于子网网络地址被划分成2位，那么子网地址就有4个，分别是00、01、10、11 * 划分后的4个子网如下图 * ![](../../images/408/《计网》网络层/例题划分子网的IPV4地址.jpg) ### 无分类编制的IPV4地址【CIDR】 * 引入原因 * CIDR消除了传统的A类，B类和C类地址，以及划分子网的概念 * 作用 * 一种归并技术，可以把小的网络汇聚成大的超网 * 可以更加有效地分配IPV4的地址空间，并且可以在新的IPV6使用之前允许因特网的规模继续增长 * 细节 * ![](../../images/408/《计网》网络层/无分类编制的IPV4地址.jpg) * 路由聚合 * 为了减少路由表的消耗，用路由聚合来聚合网络地址 * 网络前缀越长，地址块越小，路由越具体 * 最长前缀匹配：有多条路由可选的时候，选择网络前缀最长的那条 * ![](../../images/408/《计网》网络层/路由聚合.jpg) * 例题 * ![](../..images/《计网》网络层/例题无分类编制的IPV4地址.jpg) * 答案为C ### IPV4的应用规划 * 定长的子网掩码 * 使用同一个子网掩码来划分子网 * 子网划分方式不灵活，只能划分出$2^n$个子网 * 每个子网所分配的IP地址数量相同，容易造成IP地址浪费 * ![](../../images/408/《计网》网络层/定长的子网掩码.jpg) * 变长的子网掩码 * 使用不同的子网掩码来划分子网 * 子网划分方式灵活，可以按需分配 * 每个子网所分配的IP地址数量可以不同，尽可能减少对IP地址的浪费 * ![](../../images/408/《计网》网络层/变长的子网掩码1.jpg) * ![](../../images/408/《计网》网络层/变长的子网掩码2.jpg) ### IP数据报的发送和转发过程 * 主机发送IP数据报 * 判断目的主机是否与自己在同一网络 * 在同一网络则直接交付 * 不在同一网络，数据间接交付，传输给主机所在的网络的默认网关（路由器），由默认网关帮忙转发 * 路由器转发IP数据报 * 检查IP数据报首部是否出错 * 出错，直接丢弃该IP数据报并通告源主机 * 没有出错，直接进行转发 * 根据IP数据报的目的地址，在路由表中查找匹配的条目 * ![](../../images/408/《计网》网络层/路由器转发IP数据报.jpg) * 若找到匹配的条目，则转发给条目中指示的下一跳 * 若找不到，则丢弃该IP数据报并通告源主机 ### 静态路由配置及其可能产生的路由环路问题 * 静态路由配置 * ![](../../images/408/《计网》网络层/静态路由配置.jpg) * 特定主机路由（默认路由） * ![](../../images/408/《计网》网络层/特定主机路由.jpg) * 静态路由配置错误导致路由环路 * ![](../../images/408/《计网》网络层/静态路由配置错误导致路由环路.jpg) * 为了防止IP数据报在路由环路中永久兜圈，在IP数据报首部设有生存时间TTL字段 * IP数据报进入路由器后，TTL字段的值减1 * 若TTL的值不等于0，则被路由器转发，否则被丢弃 * 聚合不存在的网络而导致的路由环路 * ![](../../images/408/《计网》网络层/聚合不存在的网络而导致的路由环路.jpg) * 用黑洞路由条目配置解决 * 网络故障而导致的路由环路 * ![](../../images/408/《计网》网络层/网络故障而导致的路由环路.jpg) * 用黑洞路由条目配置解决该问题 * 如果故障消失了，会暂时把黑洞路由条目设置为失效 ### IPV6 ![](../../images/408/《计网》网络层/IPV61.jpg) ![](../../images/408/《计网》网络层/IPV62.jpg) ![](../../images/408/《计网》网络层/IPV61.jpg) * IPV6地址的标识方法 * IPV6地址长度是128位，是以每16位作为一组 * 每组用冒号[:]隔开 * 如果出现连续的0时还可以就爱那个这些0省略，并用两个冒号隔开 * 一个IP地址中只允许出现一次两个连续的信号 * IPV6地址的结构 * 单播地址，用于一对一的通信 * 组播地址，用于一对多的通信 * 任播地址，用于通信最近的节点，最近的节点由协议决定 * IPV6的亮点 * IPV6可自动配置【即插即用】 * IPV6首部长度采用固定的值40字节，去掉了校验 * IPV6安全性提高了 * IPV6相比IPV4的改进 * 取消了首部校验和字段 * 因为在数据链路层和传输层都会校验，因此IPV6直接取消了IP的校验 * 取消了分片/重新组装相关字段 * 分片与重组时耗时的过程，IPV6不允许在中间路由器进行分片与重组 * 取消选项字段 * 选项字段不再是标准IP首部的一部分了 * 但它并没有消失 * 而是可能出现在IPV6首部中的下一个首部指出的位置上 * 删除该选项字段使得IPV6的首部成为固定长度的40字节 ### IPV4首部 ![](../../images/408/《计网》网络层/IPV4首部.jpg) * 首部内容 * 首部长度，总长度，片偏移的基本单位分别为4B,1B,8B * ![](../../images/408/《计网》网络层/首部内容.jpg) * IPV4分片 * 以太网MTU【最大传输单元】不超过1500 * DF=1时，分组的长度又超过MTU时，丢弃该分组，并用ICMP差错报文向源主机报告 * MF = 1，表示接受到的分片不是最后一个分片 * 所有片中的有效数据核载都是8的倍数【偏移值的单位是8B】 * 在目的主机中对分片后的数据报重组 * ![](../../images/408/《计网》网络层/IPV4分片1.jpg) * ![](../../images/408/《计网》网络层/IPV4分片2.jpg) * 例题 * ![](../../images/408/《计网》网络层/IPV4分片例题.jpg) ## 路由选择协议概述 * 静态路由选择/动态路由选择 * ![](../../images/408/《计网》网络层/路由选择.jpg) * 路由协议的主要特点 * 自适应-动态路由选择，能较好地适应网络状态的变化 * 分布式-路由器之间交换路由信息 * 分层次-将整个因特网划分为许多较小的自治系统 * 分层次的路由选择协议 * ![](../../images/408/《计网》网络层/分层次的路由选择协议.jpg) * 路由选择协议 * ![](../../images/408/《计网》网络层/路由选择协议汇总.jpg) ### 三种路由协议比较 ||RIP|OSPF|BGP| |---|---|---|---| |类型|内部|内部|外部| |路由算法|距离-向量|链路状态|路径-向量| |传递协议|UDP，应用层协议|IP，网络层协议|TCP|应用层协议| |路径选择|跳数最少|代价最低|较好，非最佳| |交换节点|和本节点相邻的路由器|网络中的所有路由器|和本节点相邻的路由器| |交换内容|当前本路由器知道的全部信息，即自己的路由表，RIP不知道全网的拓扑结构|与本路由相邻的所有路由器的链路状态，任何一个路由器都知道自己所在区域的拓扑结构|首次，整个路由表
非首次，有变化的部分| ### 路由信息协议RIP的工作原理 * RIP基本概念 * ![](../../images/408/《计网》网络层/RIP基本概念.jpg) * RIP工作原理 * ![](../../images/408/《计网》网络层/RIP工作原理.jpg) * RIP基本工作过程 * ![](../../images/408/《计网》网络层/RIP基本工作过程.jpg) * RIP路由条目更新规则 * ![](../../images/408/《计网》网络层/RIP路由条目更新规则.jpg) * RIP坏消息传播得慢 * ![](../../images/408/《计网》网络层/RIP坏消息传的慢的问题.jpg) ### 开放最短路径优先OSPF的基本工作原理 * OSPF基本概念 * ![](../../images/408/《计网》网络层/OSPF基本概念.jpg) * 区域边界路由器：主干区域内，用于连接主干区域和其他下层区域的路由器 * 主要在主干区域中的路由器都叫做主干路由器 * 主干路由器可以兼做区域边界路由器 * 自治系统有4类路由器，区域内部路由器，主干路由器，区域边界路由器，自治域边界路由器 * 链路的代价 * ![](../../images/408/《计网》网络层/链路的代价.jpg) * 交互问候分组 * ![](../../images/408/《计网》网络层/交互问候分组.jpg) * 计算最短路径的过程 * ![](../../images/408/《计网》网络层/计算最短路径的过程.jpg) * 五种分组类型 * ![](../../images/408/《计网》网络层/五种分组类型.jpg) * OSPF的基本工作过程 * ![](../../images/408/《计网》网络层/OSPF的基本工作过程.jpg) * DR和BDR * ![](../../images/408/《计网》网络层/DR和BDR.jpg) * 区域 * ![](../../images/408/《计网》网络层/区域.jpg) * 总结 * ![](../../images/408/《计网》网络层/内容总结.jpg) ### 边界网关协议BGP的工作原理 * BGP交换的网络可达性信息，即：要到达某个网络所要结果的一系列自治系统/路径 * ![](../../images/408/《计网》网络层/边界网关协议BGP的工作原理.jpg) ## IP协议相关技术 ### ICMP【互联网控制报文协议】 * 概述 * ![](../../images/408/《计网》网络层/ICMP概述.jpg) * 五种差错报文 * ![](../../images/408/《计网》网络层/五种差错报文1.jpg) * ![](../../images/408/《计网》网络层/五种差错报文2.jpg) * ![](../../images/408/《计网》网络层/五种差错报文3.jpg) * ![](../../images/408/《计网》网络层/五种差错报文4.jpg) * ![](../../images/408/《计网》网络层/五种差错报文5.jpg) * 不应该发送差错报文的情况 * ![](../../images/408/《计网》网络层/不应该发送差错报文的情况.jpg) * ICMP询问方式 * ![](../../images/408/《计网》网络层/ICMP询问方式.jpg) * ICMP应用 * ![](../../images/408/《计网》网络层/ICMP应用1.jpg) * ![](../../images/408/《计网》网络层/ICMP应用2.jpg) * ![](../../images/408/《计网》网络层/ICMP应用3.jpg) * ![](../../images/408/《计网》网络层/ICMP应用4.jpg) ### ARP协议【IP地址到MAC地址的映射】 * ARP主要内容 * ARP广播只在子网中传播 * 硬件地址只具有本地意义，每当路由器将IP数据报转发到一个具体的网络时，都需要重新封装源硬件地址和目的硬件地址 * 路由器在收到分组后，剥离该分组的数据链路层协议头，然后在分组被转发之前，给分组加上一个新的链路层协议头 * ARP请求是广播发送【不知道目标设备在哪里】 * ARP响应式单播发送 * ARP过程 * 目的主机在本局域网 * 先在ARP高速缓存中查看有无目的IP地址与MAC地址的映射 * 有，则把硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网把该MAC帧发往此硬件地址 * 无，则通过广播ARP请求分组，在获得目的主句的ARP响应分组后，将目的主机的IP地址与硬件地址写入ARP告诉缓存 * 目的主机不在本局域网 * 将IP分组发送给本局域网的路由器，先通过上述方式获得路由器的IP地址和硬件地址的映射关系 ### DHCP协议【动态主机配置协议】 * DHCP主要内容 * ![](../../images/408/《计网》网络层/DHCP主要内容.jpg) * DHCP过程 * ![](../../images/408/《计网》网络层/DHCP过程.jpg) * ![](../../images/408/《计网》网络层/DHCP过程1.jpg) ### 虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT * 公有地址，私有地址 * ![](../../images/408/《计网》网络层/公有地址，私有地址.jpg) * 虚拟专用网VPN * ![](../../images/408/《计网》网络层/虚拟专用网VPN.jpg) * 网络地址转换NAT * ![](../../images/408/《计网》网络层/网络地址转换NAT.jpg) * NAT的表项需要由管理员来添加 * NAT转换流程 * ![](../../images/408/《计网》网络层/NAT转换流程.jpg) * 上图有两个客户端192.168.1.10和192.168.1.11 * 与服务器183.232.231.172进行通信，并且这两个客户端的本地端口都是1025 * 此时，两个私有IP都转换IP为公有地址120.229.175.121，但以不同的端口号作为区分 * 于是，生成一个NAPT路由器的转换表 * 该表可以正确地转换地址跟端口的组合，令客户端A、B能同时与服务器之间进行通信 * 这种转换表在NAT路由器上自动生成 * 例如，在TCP的情况下，建立TCP连接首次握手时的SYN包一经发出，就会生成这个表 * 后又随着收到关闭连接时发出FIN包的确认应答从表中被删除