计算机网络-第四章-网络层_第四章网络层-优快云博客

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一.网络层的功能

功能：

网络层 为 传输层 提供服务，将传输层的数据封装成“IP 数据报/分组”。

网络中的路由器根据IP 数据报首部中的源IP 地址、目的IP 地址进行“分组转发”。

因此，网络层实现了“主机到主机”的传输（数据链路层实现点到点的传输（结点到结点））

数据链路层 为 网络层 提供服务，将网络层的IP数据报封装成帧，传输给下一个相邻结点

IP地址用32 bit 表示，常以8 bit 为一组（分为4组），记为十进制数

1、异构网络互联

①如何理解异构?
每个网络的拓扑结构不同、物理层&链路层的实现不同、主机类型也各不相同（异构）

②重要的设备:路由器
在 TCP/IP 文献中,路由器也称为网关(Gateway)

2.路由与转发

都是需要根据表来进行的

①路由:
各个路由器之间相互配合，规划IP数据报(分组)的最佳转发路径

各个路由器需要运行“路由协议”，最终生成各自的“路由表”

②转发:
一台路由器，根据自己的“转发表”，将收到的IP 数据报从合适的接口转发出去

转发表=精简版路由表。更精简的数据结构有助于快速检索

四台路由器：R1、R2、R3、R4

3.拥塞控制

拥塞：

①原因:网络上出现过量分组，超负荷，引起网络性能下降

②现象:网络上的分组数增加，但吞吐量反而降低

③类比:节假日路上的车辆增多到一定程度时，收费站的吞吐量反而降低

拥塞控制的方法:
①开环控制(静态的方法)
在部署网络时，就提前设计好预防拥塞的方法。一旦网络系统开始运行，就不再修改

②闭环控制(动态的方法)
动态监视网络状态，及时发现哪里发生拥塞，并将拥塞信息传递给相关路由器(如:通过 ICMP)

相关路由器及时调整“路由表”

接入网络的每台主机至少拥有一个IP 地址

通常，路由器的每个接口都需要分配一个IP 地址(最新技术标准已经取消了这个强制要求)

二.IPV4分组

1.IP协议、ARP协议、ICMP协议、IGMP协议

①IP 协议:(Internet Protocol，网际协议)是互联网的核心!

②ARP 协议:用于查询同一网络中的<主机IP 地址，MAC 地址>之间的映射关系

③ICMP 协议:用于网络层实体之间相互通知“异常事件”，用于反应异常情况的

④IGMP 协议:用于实现IP组播

（应用层协议，传输层还没讲到）

2.IP数据报的结构：

版本:4bit，用于区分网络层使用的IP协议版本(v4、v6)

首部长度:4bit（1 bit 表示1位 0或1），表示 0~15，以4B为单位，分为固定部分和可变部分
最大 15 * 4B = 60 B

①固定部分:20B

②可变部分:0~40B

总长度:16bit，表示范围 0~65535，以 1B 为单位，

总长度涵盖首部、数据部分，

总长度=首部+数据部分

首部:最短 20 B

最长 60 B

数据部分:理论最短 = 0 B

理论最长 = 65535-20 = 65515 B

例题1：求头部长度、总长度和数据部分的大小

解：

前40字节内容，还是十六进制，头结构单位是bit

1位十六进制相当于4位二进制（四位二进制0000可以表示一位十六进制） $2^{4}=16$

所以，一个十六进制数对应 4bit

所以版本对应得是数字是1bit到4bit对应的数字，即4

所以头部长度对应的是4bit到8bit对应的数字，即5，单位是4B

区分开：头部长度的长度是4bit

表达的内容是头部长度 = 5*4B = 20 B

所以，总长度对应得数字是16bit到31bit对应的数字，即 0030 ，单位是1B

转换到十进制是48

所以总长度 = 48 B

数据部分=总长度 - 头部长度 = 48 - 20 =28 B

标识(16bit): 由IP 数据报的“源主机”生成，通常是自增序列

标志(3bit):最低位 MF，次低位 DF，最高位不用管
·MF=1，表示后面还有分片
·MF=0，表示这是最后一个分片（后面是否还有分片）

·DF=1，表示不允许被分片
·DF=0，表示允许被分片（能否进行分片）

片偏移(13bit):表示数据部分在“被分片前”的位置以 8B 为单位

（不考虑首部，只看有效的数据位）

数据部分:实际传输过程中，“数据部分”的长度受下一段链路的最短/最长帧长限制（就要考虑是否分片了）

重要概念：一个链路层数据帧能承载的最大数据量称为最大传送单元（MTU），

如以太网的MTU=1500B，如果一个IP数据报的总长度超过下一段链路的MTU，就需要分片

假设：链路1的MTU=4000 链路2的MTU=1500

那么链路1发往链路2的IP数据报总长度不能超过1500B：

分片为3，

·第一个分片:

首部长度：20B

数据长度（有效数据）：1480B

MF=1,DF=0

说明后面还有分片，允许被分片

片偏移=0

·第二个分片：

首部长度：20B

数据长度：1480B

MF=1，DF=0

说明后面还有分片，允许被分片

片偏移=185，因为单位为8B

$185\ast8B=1480B$

有效数据从1480B开始

·第三个分片：（后面没有分片了）

首部长度：20B

数据长度：1020B

MF=0，DF=0

说明后面没有分片，允许被分片

片偏移=370，

$(185+185)\ast8B=2960B$

有效数据从2960B开始

路由器需要将 IP 数据报分片
每个分片都是一个可以被单独转发的IP 数据报，都包含首部

注意:
IP 数据报的“分片"可能在源主机、或任何一个路由器中发生
只有目的主机才会对分片进行“重组”
各分片有可能乱序到达目的主机
由于首部的“片偏移"字段是以 8B 为单位，因此，除了最后一个分片外，其他每个分片的数据部分必须是 8B 的整数倍

生存时间(8bit):数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。常记"TTL";

TTL的初始值通常由源主机设置，每经过一个路由器，路由器就将 TTL 减 1，如果 TTL 减到0，就直接丢弃分组，并向源主机发送ICMP报文（反应异常情况）
ICMP 报文用于通知一个节点发生了某种“异常”

三.IP地址

网络层才存在的

时代背景:IPv4 协议是 1981年发明的，当时只有政府、学校、军队等大型机构会使用互联网。

完全没预料到互联网用户会迎来爆炸性增长。因此 IPv4 协议中，地址位数仅设计了 32bit

IP 地址资源由ICANN(互联网名字和数字分配机构 )进行分配

IP地址就是一个唯一标识，是一段网络编码（二进制），32位数

①11001010.11000100.00000100.01101010 转换为十进制如下：
②202.196.4.106 称为点分十进制

IP地址的形式：X.X.X.X

X的范围：0-255

①错误形式：256.1.1.1
②正确：100.1.1.1 192.168.1.1

32bit lP 地址的两级结构 =<网络号>,<主机号>
单播（一对一，“私聊”）地址:A、B、C类

A类固定第一位为0；网络号8位，主机号24位

B类固定前两位为10；网络号16位，主机号16位

C类固定前三位为110；网络号24位，主机号8位
多播（一对多，“群聊”）地址:D类

固定前四位为1110
保留为今后使用:E类
·在那个年代，要求每台主机、每个路由器接口被分配的IP 地址都是全球唯一的

·路由器和路由器连接的接口可以不分配IP 地址，但路由器和其他节点连接的接口必须分配 IP 地址
·从属于同一个网络的所有主机、路由器接口的IP 地址“网络号”都相同

·当一台新主机接入网络时，需要给它分配一个IP 地址、并配置“默认网关（路由器）”

假设：
某学校申请了一个B类地址段 166.1.x.x

某公司申请了一个C类地址段 200.1.1.x

B类地址段网络号16位，则固定166.1 ；主机号16位自由分配

C类地址段网络号24位，则固定200.1.1；主机号24位自由分配

在这里，