计算机网络——网络层

最新推荐文章于 2025-02-25 17:14:03 发布

HaoZz_96

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分类专栏：计算机网络文章标签：网络

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只有深入掌握IP协议才能理解互联网工作的核心
本章讨论的是网络互联问题。
内容依次为：
网络层应该提供什么样的服务？
网际协议IP
网际控制报文协议ICMP
路由选择协议
IPv6是什么？
IP多播是什么？

一. 网络层提供的服务
在计算机通信领域，一个争论的焦点就是可靠交付应该由谁负责？是网络还是端系统？
我们熟悉的电信网络（电话服务）就是面向连接的通信服务。双方先建立连接，预留所需网络资源（较为昂贵，程控交换机变得复杂），使得分组数据无差错的传输，通信结束后再释放建立的信道。但是我们想一想问什么要让网络负责可靠传输？这是因为电话机过于简单没有处理能力。但是计算机就不一样了，有很强大的处理能力。为了保证低廉而快速的信息传输服务，互联网先驱提出了崭新的网络设计思路：
网络层向上只提供简单灵活、无连接、尽最大努力交付的数据报服务（也称分组）。网络在发送前不需要建立连接，每个分组独立发送且不编号，可靠传输交给主机的传输层负责（及差错处理，流量控制）等。这么做的好处网络造价大大降低，处理方式灵活，通用性好。如下图：
在这里插入图片描述

二. 网际协议IP
IP这个重要协议的创始人2005年曾获图灵奖
与IP配套的三个协议：
·地址解析协议 ARP Address Resolution Protocol
·网际控制报文协议 ICMP Internet Control Message Protocol
·网际组管理协议 IGMP Internet Group Managment Protocol

在讨论IP协议之前，我们看看如何创建这么庞大的互联网。
·如何寻址
·如何定义分组长度
·如何定义网络接入机制
·如何进行差错恢复/超时重传
·在网络中如何选择路由
为了适应网络需求，制造商们提供了几种中间设备：
（1）物理层使用的中间设备：转发器 repeater
（2）数据链路层使用的中间设备：网桥/桥接器bridge
（3）网络层使用的中间设备：路由器 router
（4）网络层以上使用的：网关
转发器和网桥只是把一个网络扩大了（相当于还是在局域网/以太网）
因此在讨论网络互联时，是指路由器进行网络互联和路由选择。路由器实际上
是一台专用计算机。当许多异构网络通过路由器连接时，采用相同的IP协议，
就使得网络层的讨论方便：
源主机h1发送一个IP数据报给目的主机h2，根据分组交换的存储转发原理，
h1首先查找自己的路由表看目的主机是否在本网络，若在则直接交付，不在则
把数据报发送给某个路由器R1，依次转发直至直接交付。

1.IP地址
IP地址是全球互联网中每个主机/路由器的唯一32位标识符
分类的IP地址——>子网的划分——>构成超网
A，B，C，D，E类地址
IP地址：：= < 网络号 + 主机号 >
具有不同网络号的局域网必须使用路由器互联。
在这里插入图片描述

A，B，C类是单播地址（一对一通信），网络号字长为
1字节，2字节，3字节，主机号字长分别为3字节，2字节，1字节。
D类地址用于多播（一对多通信），E类保留使用。

IP地址与MAC地址区别
·MAC地址是物理层和数据链路层使用的地址
而IP地址是网络层及以上使用的地址，是一种逻辑地址，由软件实现
在这里插入图片描述

P122 很有道理，细细品味

2.ARP地址解析协议
已知一个主机/路由器的IP地址，如何找寻其硬件地址。
同样也可以反解析，如RARP协议，但是现在的DHCP协议已经包含了此功能。
待解答的问题：
·32位IP地址和48位物理地址如何映射？
·主机的硬件地址常有改变，如何更新？
解决方案：在ARP高速缓存中存放一个映射表并动态更新。
在这里插入图片描述

3.IP数据报格式
IP数据报有两部分组成：首部+数据
首部前面是固定长度的20字节，后面是可选字段
在这里插入图片描述

4.划分子网和组成超网
A，B，C类划分IP地址的利用率很低，
为了解决这个问题，在网络号之后添加了一个“子网号”，使两级IP地址变成三级IP地址。
划分子网一定程度上缓解了困难，但是马上问题又出现：
由于不能灵活分配地址，B类地址很快要分完了，IPV4的地址空间很快将被耗尽。为了灵活分配地址，适应不同大小的网络主机数，提出了CIDR无分类编制：
CIDR无分类编址
子网分类是子网号是固定长度的，现在将其合并，前面的编号为“网络前缀”，后面的为子网号，也就不存在A,B，C类。
IP地址 = < 网络前缀 + 主机号 >
斜线记法：128.14.35.7/20，表示前20位是网络前缀，代表网络号，后12位代表网路内的主机地址范围。
最长前缀匹配
由于采用了网络前缀，在查找路由表时可能不止一个结果，遵从的规则是选择最长的网络前缀的路由最为下一跳。
二叉线索查找路由表
将路由表存放在一个二叉搜索树中，
在这里插入图片描述

ICMP协议
功能:控制差错，提高交付成功率
分为：差错报文、询问报文
封装在IP数据报中：
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ICMP报文的几种类型：
在这里插入图片描述

如何实现IP多播？

1.网际组管理协议IGMP
IGMP协议是让本局域网的路由器知道是否有主机在本局域网中，
确切地说是主机的某个进程是否加入/退出了多播组
2.多播路由选择协议
尚未标准化。
常用方法：
（1）泛洪与剪除
（2）隧道技术
（3）基于核心的发现技术
距离向量多播路由选择协议DVMRP是第一个多播路由选择协议