计算机网络微课堂笔记第四章 网络层

4.1 网络层概述

4.2 网络层提供的两种服务

面向连接的虚电报服务

无连接的数据报服务

小结

4.3.1 IPV4地址概述

转换联系

4.3.2 分类编址的Ipv4地址

A类地址

B类地址

C类地址

练习

总结

4.3.3 划分子网的ip地址

4.3.4 无分类编址的IPv4地址

路由聚合（构造超网）

将多个相似ip聚合，节省路由表的占用

总结

4.3.5 IPv4地址的应用规划

订定长的子网掩码FLSM

只能划分2的n次方个

变长的子网掩码VLSM

4.4 IP数据报的发送与

4.5 静态路由配置与其可能产生的的路由环绕问题

静态路由配置是指用户或网络管理员使用路由器的相关命令给路由器人工配置路由表。

这种人工配置方式简单、开销小，但不能及时适应网络状态(流量、拓扑等)的变化一般只在小规模网络中采用。
使用静态路由配置可能出现以下导致产生路由环路的错误

• 配置错误
• 聚合了不存在的网络
• 网络故障

配置示例

特定主机路由配置值法

静态路由配置错误导致的路由环路问题

聚合了不存在的网络导致路由环路

网络故障导致的路由环路

小结

4.6.1 路由选择协议概述

因特网使用分层次的路由选择协议

路由器的基本结构

小结

4.6.2 路由信息协议RIP的基本工作原理

路由信息协议RIP(Routing Information Protocol)是内部网关协议IGP中最先得到广泛使用的协议之一，其相关标准文档为RFC 1058.

RIP要求自治系统AS内的每一个路由器都要维护从它自己到AS内其他每一个网络的距离记录。这是一组距离，称为“距离向量D-V(Distance-Vector)”。

RIP使用跳数(Hop Count)作为度量(Metric)来衡量到达目的网络的距离。口路由器到直连网络的距离定义为1。

路由器到非直连网络的距离定义为所经过的路由器数加1。
允许一条路径最多只能包含15个路由器。“距离”等于16时相当于不可达。因此，RIP只适用于小型互联网。

RIP认为好的路由就是“距离短”的路由，也就是所通过路由器数量最少的路由。当到达同一目的网络有多条“距离相等”的路由时，可以进行等价负载均衡。

RIP包含以下三个要点:
仅和相邻路由器交换信息；交换自己的路由表；周期性交换（例如每30秒)

RIP的基本工作过程

路由条目的更新规则

RIP存在“坏消息传播得慢”的问题

“坏消息传播得慢”又称为路由环路或距离无穷计数问题，这是距离向量算法的一个固有问题。

可以采取多种措施减少出现该问题的概率或减小该问题带来的危害：

• 限制最大路径距离为15(16表示不可达)
• 当路由表发生变化时就立即发送更新报文(即“触发更新”），而不仅是周期性发送
• 让路由器记录收到某特定路由信息的接口，而不让同一路由信息再通过此接口向反方向传送(即“水平分割”)

4.6.3 开放最短路径优先OSPF的基本工作原理

开放最短路径优先OSPF(Open Shortest Path First)，是为克服RIP的缺点在1989年开发出来的。“开放”表明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。

“最短路径优先”是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF。OSPF是基于链路状态的，而不像RIP那样是基于距离向量的。

OSPF采用SPF算法计算路由，从算法上保证了不会产生路由环路OSPF不限制网络规模，更新效率高，收敛速度快。

链路状态是指本路由器都和哪些路由器相邻，以及相应链路的“代价”(cost)。“代价”用来表示费用、距离、时延、带宽，等等。这些都由网络管理人员来决定。

OSPF相邻路由器之间通过交互问候(Hello)分组，建立和维护邻居关系。

使用OSPF的每个路由器都会产生链路状态通告LSA(Link State Advertisement)。

LSA中包含以下内容:

• 直连网络的链路状态信息
• 邻居路由器的链路状态信息

LSA被封装在链路状态更新分组LSU中，采用洪泛法发送。

使用OSPF的每个路由器都有一个链路状态数据库LSDB，用于存储LSA.

通过各路由器洪泛发送封装有自己LSA的LSU分组，各路由器的LSDB最终将达到一致。

使用OSPF的各路由器基于LSDB进行最短路径优先SPF计算，构建出各自到达其他各路由器的最短路径，即构建各自的路由表。

OSPF的基本工作过程

OSPF在多点接入网络中路由器邻居关系的建立

为了使OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF把一个自治系统再划分为若干个更小的范围,叫做区域(Area)

小结

4.6.4 边界网关协议BGP的基本工作原理

外部网关协议EGP

在不同自治系统内，度量路由的“代价”(距离，带宽，费用等)可能不同。因此，对于自治系统之间的路由选择，使用“代价”作为度量来寻找最佳路由是不行的。

自治系统之间的路由选择必须考虑相关策略(政治，经济，安全等)

BGP只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能兜圈子)，而并非要寻找一条最佳路由。

在配置BGP时，每个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“BGP发言人”。

不同自治系统的BGP发言人要交换路由信息，首先必须建立TCP连接，端口号为179。在此TCP连接上交换BGP报文以建立BGP会话。

利用BGP会话交换路由信息（例如，增加新的路由，或撤销过时的路由，以及报告出错的情况等)使用TCP连接交换路由信息的两个BGP发言人，彼此称为对方的邻站(neighbor)或对等站(peer)

BGP发言人除了运行BGP外，还必须运行自己所在自治系统所使用的内部网关协议IGP，例如OSPF或RIP。

BGP发言人交换网络可达性的信息（要到达某个网络所要经过的一系列自治系统)。

当BGP发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各自治系统的较好的路由。也就是构造出树形结构、不存在回路的自治系统连通图。

BGP适用于多级结构的因特网

BGP-4的四种报文

小结

4.7 IPV4数据报的首部格式

版本

占4比特，表示IP协议的版本。

通信双方使用的IP协议的版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为4(即IPv4)

首部长度

占4比特，表示lP数据报首部的长度。该字段的取值以4字节为单位。最小十进制取值为5，表示IP数据报首部只有20字节固定部分;最大十进制取值为15，表示IP数据报首部包含20字节固定部分和最大40字节可变部分。

可选字段

长度从1个字节到40个字节不等。用来支持排错、测量及安全等措施。
可选字段增加了IP数据报的功能，但这同时也使得IP数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理IP数据报的开销。实际上可选字段很少被使用。

填充字段

确保首部长度为4字节的整数倍。使用全0进行填充。

区分服务

占8比特，用来获得更好的服务。

该字段在旧标准中叫作服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998年，因特网工程任务组IETF把这个字段改名为区分服务。利用该字段的不同数值可提供不同等级的服务质量。
只有在使用区分服务时，该字段才起作用。一般情况下都不使用该字段。

总长度

占16比特，表示IP数据报的总长度（首部+数据载荷)。最大取值为十进制的65535，以字节为单位。

标识、标志、片偏移——用于分片

标识：占16比特，属于同一个数据报的各分片数据报应该具有相同的标识。IP软件维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器值加1，并将此值赋给标识字段。

标志：占3比特，各比特含义如下:

• DF位:1表示不允许分片;0表示允许分片

• MF位:1表示“后面还有分片”;0表示“这是最后一个分片”

• 保留位:必须为0

片偏移：占13比特，指出分片数据报的数据载荷部分偏移其在原数据报的位置有多少个单位。

对IPV4数据报进行分片

生存时间字段

占8比特，最初以秒为单位，最大生存周期为255秒;路由器转发IP数据报时，将IP数据报首部中的该字段的值减去IP数据报在本路由器上所耗费的时间，若不为0就转发，否则就丢弃。

现在以“跳数”为单位，路由器转发lP数据报时，将IP数据报首部中的该字段的值减1，若不为0就转发，否则就丢弃。

生存时间TTL字段的作用——防止IP数据报在网络中永久兜圈

协议

首部检验和

占16比特，用来检测首部在传输过程中是否出现差错。比CRC检验码简单，称为因特网检验和。I

P数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算首部检验和，因为某些字段(生存时间、标志、片偏移等)的取值可能发生变化。

由于IP层本身并不提供可靠传输的服务，并且计算首部校验和是一项耗时的操作，因此在IPv6中，路由器不再计算首部校验和，从而更快转发IP数据报。

源lP地址和目的IP地址

各占32比特，用来填写发送该IP数据报的源主机的IP地址和接收该IP数据报的目的主机的IP地址。

4.8 网际控制报文协议ICMP

ICMP五种差错报文：终点不可达、源点抑制、时间超过、参数问题、改变路由(重定向)。

五种差错报文类型

终点不可达

当路由器或主机不能交付数据报时，就向源点发送终点不可达报文。

具体可再根据ICMP的代码字段细分为目的网络不可达.目的主机不可达、目的协议不可达、目的端口不可达、目的网络未知、目的主机未知等13种错误。

源点抑制

当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。

时间超过

当路由器收到一个目的IP地址不是自己的IP数据报，会将其生存时间TTL字段的值减1。

若结果不为0，则将该IP数据报转发出去;若结果为0，除丢弃该IP数据报外，还要向源点发送时间超过报文。

另外，当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，也会向源点发送时间超过报文。

参数问题

当路由器或目的主机收到IP数据报后，根据其首部中的检验和字段发现首部在传输过程中出现了误码，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。

改变路由（重定向）

路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器（可通过更好的路由)。

以下情况不应发送ICMP差错报告报文

• 对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文
• 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP
• 差错报告报文对具有多播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文
• 对具有特殊地址(如127.0.0.0或0.0.0.0)的数据报不发送ICMP差错报告报文

两种询问报文

回送请求和回答

ICMP回送请求报文是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问。收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。

这种询问报文用来测试目的站是否可达及了解其有关状态。

时间戳请求和回答
ICMP时间戳请求报文是请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。在ICMP时间戳回答报文中有一个32位的字段，其中写入的整数代表从1900年1月1日起到当前时刻一共有多少秒。

这种询问报文用来进行时钟同步和测量时间。

ICMP应用举例

分组网间探测PING

跟踪路由

小结

4.9 虚拟专用网VPN与网络转换地址NAT

虚拟专用网VPN(Virtual Private Network)

利用公用的因特网作为本机构各专用网之间的通信载体，这样的专用网又称为虚拟专用网（IP隧道技术）。

由于IPv4地址的紧缺，一个机构能够申请到的IPv4地址数量往往远小于本机构所拥有的主机数量。因此，虚拟专用网中的各主机所分配的地址应该是本机构可自由分配的专用地址，而不是需要申请的、在因特网上使用的公有地址。

如图所示，同一机构内不同部门的内部网络所构成的虚拟专用网VPN又称为内联网VPN。

有时一个机构的VPN需要有某些外部机构（通常就是合作伙伴）参加进来。这样的VPN就称为外联网VPN。在外地工作的员工需要访问公司内部的专用网络时，只要在任何地点接入到因特网，运行驻留在员工PC中的VPN软件，在员工的PC和公司的主机之间建立VPN隧道，即可访问专用网络中的资源。这种VPN称为远程接入VPN。

网络地址转换NAT

虽然因特网采用了无分类编址方式来减缓IPv4地址空间耗尽的速度。

但由于因特网用户数目的激增，特别是大量小型办公室网络和家庭网络接入因特网的需求不断增加，IPv4地址空间即将面临耗尽的危险仍然没有被解除。

1994年提出了一种网络地址转换NAT的方法再次缓解了IPv4地址空间即将耗尽的问题。

NAT能使大量使用内部专用地址的专用网络用户共享少量外部全球地址来访问因特网上的主机和资源。

由于绝大多数的网络应用都是使用运输层协议TCP或UDP来传送数据，因此可以利用运输层的端口号和IP地址一起进行转换.这样，用一个全球IP地址就可以使多个拥有本地地址的主机同时和因特网上的主机进行通信。这种将端口号和IP地址一起进行转换的技术叫作网络地址与端口号转换NAPT(Network Address and Port Translation)。

另外，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一定的安全保护。

小结