4.网络层

4.1 网络层功能概述

主要任务：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。网络层的传输单位是数据报。（分组切割成一段段的就是数据报）

• 路由选择与分组转发：选择最佳路径
• 异构网络互联
• 拥塞控制：若所有结点都来不及接收分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此需要采取一定措施，缓解这种拥塞。

几种传输单元：

4.2 数据交换方式

4.2.1 电路交换

电话网络。
过程：建立连接（呼叫\电路建立）——通信——释放连接（拆除电路）
特点：独占资源
优点：通信时延小、有序传输、没有冲突、实时性强
缺点：建立连接时间长、线路独占使用效率低、灵活性差、无差错控制能力

4.2.2 报文交换

优点：

• 无需建立连接
• 存储转发，动态分配线路
• 线路可靠性较高
• 线路利用率较高
• 多目标服务

缺点：

• 有存储转发时延

• 报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间

  4.2.3 分组交换

  分组：把大的数据块分割成小的数据块
  
  优点：

• 无需建立连接

• 存储转发，动态分配线路
• 线路可靠性较高
• 线路利用率较高
• 相对于报文交换，存储管理更容易

缺点：

• 有存储转发时延
• 需要传输额外的信息量
• 乱序到目的主机时，要对分组排序重组

  4.2.4 总结

  

  4.2.5 分组交换的两种传输方式——数据报方式和虚电路方式

  

  1. 数据报

  

  2. 虚电路

  

  3. 二者比较

  

  4.3 IP数据报（分组）

  4.3.1 IP数据报格式

  
  协议部分记录常用的 TCP协议：6 和UDP协议：17

  4.3.2 IP数据报分片

  
  分片实例：
  

4.3.3 IPv4地址

1. 定义

IPv4地址就是给因特网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32比特的标识符。

2. 分类编制的IPv4地址

注意：

• 只有A类、B类和C类地址可分配给网络中的主机或路由器的各接口
• 主机号为”全0“的地址是网络地址，不能分配给主机或路由器的各接口
• 主机号为”全1“的地址是广播地址，不能分配给主机或路由器的各接口

  （1） A类地址

  

  （2）B类地址

  

  （3）C类地址

（4）练习：

（5）特殊IP地址

3. 划分子网的IPv4地址

（1）新增网络号会带来弊端：

因此，可以从主机号部分借用一部分作为子网号。

（2） 子网掩码

（3）举例：

（4）默认子网掩码

4. 无分类编址的IPv4地址

（1） 定义

（2）举例

5. IPv4地址的应用规划

分为两类

（1）定长的子网掩码FLSM

（3）变长的组网掩码VLSM

4.4 IP数据报的发送和转发过程

iP数据报的发送和转发过程包括：主机发送IP数据报、路由器转发IP数据报。
同网络之间的主机通信属于直接交付；不同网络之间的主机通信属于间接交付。

• 路由器转发过程：

4.5 静态路由配置

4.5.1 静态路由配置

由人工配置的路由是静态

4.5.2 默认路由配置

针对具有相同下一跳的不同目的网络的路由条目，可以用默认路由条目替代。

4.5.3 特定主机路由

4.5.4 路由环路问题

（1）静态路由配置错误

R2应该发给R1，却错误的转发给R3，R3经过查表之后转发给R2，形成环路。

（2）聚合了不存在的网络

路由表内容

R2转发不存在的地址就不应该转发，但是转发给R1，R1中没有找到只能走默认路由，又转回给了R2，出现环路。

解决办法：为不存在的路由设置黑洞路由，根据最长前缀匹配原则，优先选择黑洞路由进行转发

（3）网络故障

故障了找不到，也会走默认路由形成环路。

解决办法：为故障的设置黑洞路由。一段时间后故障修复，该黑洞路由会自动消失。

4.6 路由选择协议

4.6.1 路由选择协议概述

1.分类

2.因特网采用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：将这个因特网划分为许多较小的自治系统AS

  3. 常见的路由选择协议

  

  4.6.2 路由信息协议RIP的基本工作原理

  1. 概念

  

  2. 基本工作原理

  

  3. 工作过程

  

  4. 路由条目更新规则

  

  5. 坏消息传播的慢问题

  
  R1发现N1出现故障传给R2，但是R2的消息优先传到R1，R1的故障信息就会被误导。会出现路由环路，时间长达数分钟。

• 解决办法：

但不能根本解决（就算立即发也没用，邻居有可能还是已经发出去了）

4.6.3 开放最短路径优先OSPF协议

1.概述

2. 链路状态

3. 问候分组

4. 链路状态通告LSA

洪泛转发就是其他剩余的口全出去。

5. 链路状态数据库LSDB

6. 计算路径

7.总结

• OSPF有五种分组类型

8.工作流程

R1与R2建立邻居关系，然后互相发送数据库描述分组（包括所有链路状态项目的摘要信息）。R1收到R2的描述分组后，发现缺少其中的某些链路状态项目详细信息， 就向R2发送链路状态请求分组，R2将缺少的项目的详细信息封装在更新分组中传给R1，R1收到后把这些信息添加到自己的数据库中，然后给R2发送链路状态确认分组。R2也可以向R1请求缺少的项目详细信息，最后达到同步。
每隔30分钟或状态发生变化时，路由器都会发送链路状态更新分组，收到该分组的其他路由器会洪泛转发该分组，并给该路由器发回链路状态确认分组。

9.多点网络中路由器邻居关系的建立

10.区域划分

4.6.4 边界网关协议BGP

1.概述

2.工作原理

3. 适用于多级结构的因特网

4. BGP-4的4种报文

4.6.4 总结

三种协议的直接封装为

4.7 地址解析协议ARP

当主机B向主机C发送数据包时，知道C的ip地址，却不知道C的MAC地址，则B的数据链路层疯封装MAC帧时，无法填写目的MAC地址。主机B有ARP高速缓存表，在表中查找主机C的ip地址对应的MAC地址，但是未找到，就需要发送ARP请求报文来获取主机C的MAC地址。ARP请求报文的目的地址是广播地址。

主机C的响应内容是：1.将B的IP地址与MAC地址记录到自己的ARP高速缓存表中；2.给B发送ARP响应，以告知自己的MAC地址。

注意：ARP协议只能在一段链路或一个网络上使用，不能跨网络使用。

除ARP请求和响应外，还有其他类型的报文（用于检查IP地址冲突的”无故ARP、免费ARP“）
ARP没有安全验证机制，存在ARP欺骗（攻击）问题

4.8 网际控制报文协议ICMP

4.8.1 概念

4.8.2 ICMP差错报告报文

分为五种：

• 终点不可达：

• 源点抑制

• 时间超过

• 参数问题：

• 改变路由（重定向）

注意：以下情况不应发送ICMP差错报告报文

4.8.3 ICMP询问报文

分为两种：

4.8.4 ICMP应用

1.分组网间探测PING

• 用来测试主机或路由器间的连通性
• 应用层直接使用网际层ICMP（没有通过运输层的TCP或UDP）
• 使用ICMP回送请求和回答报文

2.跟踪路由

• 用来测试IP数据报从源主机到目的主机要经过哪些路由器

跟踪过程：
H1先发送一个生存时间为TTL=1的回送请求报文（封装在IP数据报中），到达R1后，TTL-1=0

之后发送TTL=2的回送请求报文数据报，经R1转发（TTL-1），到达R2后TTL-1 =0

之后发送TTL=3的会送请求报文数据报，经R1（TTL-1）与R2转发（TTL-1），到达H2后TTL-1=0

4.9 虚拟专用网VPN与网络地址转换NAT

4.9.1 虚拟专用网VPN

4.9.2 网络地址转换NAT

1.定义

2. 转换原理

使用私有地址的主机向因特网上使用全球IP地址的另一台主机发送IP数据报过程：

因特网上的这台主机给源主机发回数据报：

该转换方法存在一个问题：如果NAT路由器具有N个全球IP地址，那么至多只能有N个内网主机能够同时和因特网上的主机通信。

3. 网络地址与端口号转换NAPT

由于NAT对外网屏蔽了内网主机的网络地址，能为内网的主机提供了一定的安全防护。