计算机网络笔记–5 网络层（上）

计算机网络笔记–5 网络层（上）

文章目录

• 计算机网络笔记–5 网络层（上）
• 前言
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  一、4.1网络层：从发送主机向接受主机发送数据段

• 4.2虚电路网络和数据报网络（典型的分组交换网络）
• 4.3IPv4协议

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前言

这是学习计算机网络课程时记录的笔记，里面大部分内容来源于哈尔滨工业大学李全龙老师的《计算机网络》mooc，加上我个人的理解整理出的内容。

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一、4.1网络层：从发送主机向接受主机发送数据段

发送主机：将数据段封装到数据报中
接受主机：向传输层交付数据段
每个主机和路由器都运行网络层协议
路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域：决策如何处理IP数据报

网络层核心功能1：转发和路由

转发：将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口
转发表
路由：确定分组从源到目的经过的路径
路由算法

网络层核心功能2：建立连接
某些网络的重要功能（ATM，帧中继）
数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑链接
网络设备（例如路由器）参与连接的建立

网络层连接和传输层连接的区别
网络层：两个主机上的连接（路径上的路由器 等网络设备实际参与）
传输层：两个应用进程之间（对中间网络设备透明）
网络层服务模型：
1.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
代表：数据报网络
2.连接服务
首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径（建立连接）
然后沿该路径传输系列分组
系列分组传输路径相同
传输结束后拆除连接
代表：虚电路网络

4.2虚电路网络和数据报网络（典型的分组交换网络）

类似于传输层的UDP和TCP，但是网络层服务是：主机到主机服务，网络核心实现的

虚电路网络
虚电路：一条从源主机到目的主机，类似于电路的路径（逻辑连接）
分组交换：每个分组的传输利用链路的全部带宽
源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能
通信过程（call setup）：
呼叫建立——>数据传输——>拆除呼叫
每个分组携带虚电路标识（VCID），而不是目的主机地址
VCID相同则路径也相同
虚电路经过的每一个网络设备，维护每条经过它的虚电路连接状态
链路、网络设备资源可以面向VC进行资源的预分配
预分配资源=可预期服务性能
如ATM的电路仿真（CBR）
VC的具体实现
每条虚电路包括：
1.从源主机到目的主机的一条路径
2.虚电路号（VCID），沿路每段链路一个编号
建立的虚电路越多，链路带宽越大。

局部化管理，在同一条链路上的VCID是不一样的
3.沿路每个网络层设备，利用转发表记录经过的每条虚电路
沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址
同一条VC，在每段链路上的VCID通常不同（一条VC有很多段链路）——>路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号


虚电路信令协议
目的：用于VC的建立、维护和拆除：路径选择
应用于虚电路网络：如ATM，帧中继网络
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，根据检索转发表知道如何转发数据报分组，每个分组独立选路
当转发表更新的时候，接下来的数据报可能不会沿着之前的路径发送，如下图
因为转发地址32位，大概代表40个亿个数
所以需要聚合转发表入口

最长前缀匹配优先
例如：

最长前缀匹配优先：在检索转发表的时候，优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口
越长意味着越具体

数据报网络和VC网络比较
Internet（数据报网络）
计算机之间的数据交换：d性服务，没有严格时间需求
链路类型众多：特点、性能差异，统一服务困难所以效率可能低
“智能”端系统：可以自适应、性能恢复、差错控制
简化网络，复杂边缘

ATM（VC网络）
电话网络演化而来
核心业务是实时对话，需要满足：严格的时间和可靠性需求
需要有保障性的服务
“哑”端系统（非智能）：电话机，传真
简化边缘，复杂网络

4.3IPv4协议

一：IP数据报概括

版本号字段占4位：IP协议的版本号：IPv后面的数字
首部长度字段占4位：IP分组首部长度，以四个字节为单位，例如5—>IP首部长度为20
服务类型字段占8段：指示期望获得哪种类型的服务:1998年改名为“区分服务”，只有在网络提供区分服务的时候使用，且一般情况下不使用，通常IP分组的该字段值为00H
总长度字段占16位：IP分组的总字节数（首部+数据）
---------------------------最大IP分组的总长度：65535B
---------------------------最小的IP分组首部：20B
---------------------------IP分组可以封装的最大数据:65535-20=65515B
标识字段占16位：标识一个IP分组
---------------------------IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加一，作为该IP分组的标识
标志位字段占3位：DF（Don’t fragment）1：禁止分片 0：允许分片
---------------------------MF（More fragment）1：非最后一片（是由其他分组分片出来的）
0：最后一片（或未分片）
片偏移字段占13位：一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量（未分片为0）
---------------------------片偏移字段以8字节为单位（因为2^16/213=8）
生存时间（TTL）字段占8位：IP分组在网络中可以通过的路由器数（跳步数）
--------------------------- 路由器每转发一个分组，TTL-1
---------------------------如果TTL=0，路由器丢弃该IP分组，并向源主机发送ICMP
协议字段占8位：指示IP分组封装的是哪个协议的数据包，TCP/UDP
---------------------------实现复用/分解，6-TCP段，17-UDP段
首部校验和字段占16位：实现对IP地址首部的差错检测
---------------------------计算校验和时：该字段置全0
---------------------------采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段
---------------------------逐跳计算，逐跳校验
源IP地址/目的IP地址字段各占32位：分别标识发送分组的源主机/路由器（网络接口）和接受分组的目的主机/路由器（网络接口）的IP地址
选项字段占长度可变，范围在1~40B之间：携带安全、源选路径、时间戳和路由记录等
---------------------------实际上很少被使用，所以说典型IP字段20字节
填充字段占长度可变，范围在0~3B之间：目的是补齐整个首部，符合32位对齐，即保证首部长度是4字节的倍数

二：IP分片
最大传输单元（MTU）：网络链路存在MTU——链路层数据帧可封装数据的上限
不同链路的MTU不同，比如以太网，数据最多是1500字节二：IP分片
最大传输单元（MTU）：网络链路存在MTU——链路层数据帧可封装数据的上限
不同链路的MTU不同，比如以太网，数据最多是1500字节

如上图，这样数据传输会遇到问题，所以就提出了IP分片和重组
大IP分组向较小MTU链路转发时，可以被分片（路由器是否可以分片取决于分组的属性）
分片：一个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（路由器只管分不管装）
IP首部的相关字段用于识分片以及确定分片的相关顺序：总长度、标识、标志位和片偏移
过程：
假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M
若L>M，且DF=0，则可以/需要分片
分片时每个分片的标识复制原IP分组的标识
通常分片时，除最后一个分片，其他分片均为MTU允许的最大分片
一个最大分片可封装的数据应该是8的倍数，因此，一个最大分片可封装的数据是：需要的总片数是：d：（每片最大数据封装量）

每片的片偏移字段取值为；
每片的总长度字段为：
每片MF标志位为：

三：IP编址
IP分组：
1.源地址（SA）：从哪儿来
2.目的地址（DA）：到哪儿去
3.接口：主机/路由器与物理链路的连接：
实现网络层功能
路由器通常有多个接口
主机通常只有一个或两个接口（有线的以太
网接口，无线的802.11接口）
4.IP地址：32比特（IPv4）
编号标识主机、路由器的接口

IP地址与每个接口关联
怎样为接口分配IP地址

IP子网
IP地址分为两部分
网络号（NetID）高位比特
主机号（HostID）低位比特
同一子网下的IP地址具有相同的网络号的设备接口
IP子网是：不跨越路由器（第三以及上层网络设备）可以彼此物理联通的网络

下图有6个IP子网
四：有类IP地址
有类编址
D类IP地址即为多播组IP地址
A类网络数量少，但是每个A类网络很庞大
有一些地址有特殊的意义，不能被主机使用：

五：IP子网划分与子网掩码
如何把一个大的IP子网分成小的网络
——>把IP地址中原主机号部分比特划为子网号（SubID）

子网掩码：
形如IP地址：32位，点分十进制
取值：NetID，SubID位全取1，HostID全取0
例如：
A网的默认子网掩码为：255.0.0.0
B网的默认子网掩码为：255.255.0.0
C网的默认子网掩码为：255.255.255.0
但是借用了3比特划分子网的B网的子网掩码为255.255.224.0
子网地址+子网掩码——>准确确定子网大小
例题：
路由器需要转发数据报时：将IP分组的目的地址与子网掩码按位与运算，提取子网地址

在分组情况下，红色和绿色的ID不能分配给主机使用
红色数字不能分配给主机：对应的是每个子网地址
绿色数字不能分配给主机：对应的是每个子网的广播地址