计算机网络-网络层

已于 2023-02-10 13:58:33 修改
阅读量402 收藏 1
点赞数
分类专栏： 计算机网络 文章标签： 网络 服务器
于 2023-02-08 16:16:51 首次发布
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_51922077/article/details/128921213
版权
本文介绍了网络层的核心概念，包括IP地址的分类与子网划分，无分类域间路由选择CIDR，以及ICMP在错误报告和网络诊断中的作用。此外，还探讨了路由选择协议，如RIP和OSPF，以及IP多播和虚拟专用网VPN的概念。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

文章目录

前言

本博客仅做学习笔记，如有侵权，联系后即刻更改

科普：

参考网址

概述

因特网设计理念

网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务

  • 网络在发送分组时不需要先建立连接。
    每一个分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）
  • 网络层不提供服务质量的承诺。
    即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组传送的时限

尽最大努力交付的好处

网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用

  • 由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务
    这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉（与电信网的交换机相比较）
  • 如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的
    那么就由网络的主机中的运输层负责（包括差错处理、流量控制等）

网际协议IP

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

中继(relay)系统

转发器：Hub集线器
网桥：交换机
在这里插入图片描述

虚拟互连网络

利用 IP 协议

  • 当互联网上的主机进行通信时
    就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节
  • 使用IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网

IP地址划分

IP 地址

因特网名字与号码指派公司ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)

  • 32位IP 地址
    给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符
  • 编址方法
    在这里插入图片描述

分类IP地址

由网络号和主机号两个字段构成

  • IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>}
  • 私有IP地址
    10-10、172.16-172.31、192.168-192.168
  • 特殊IP地址
    回环地址：127.0.0.1（本机IP地址）
    默认路由地址：0.0.0.0
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

IP地址的特点

分等级的地址结构

  • 方便了 IP 地址的管理
    IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配
  • 减小了路由表所占的存储空间
    仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少

标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口

  • 多归属主机(multihomed host)
    一个主机分属不同网络
  • 路由器至少应当有两个不同的 IP 地址

交换机连接的局域网属于同一个网络

  • 局域网都具有同样的网络号 net-id

IP 地址与硬件地址

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

地址解析协议 ARP

在这里插入图片描述

ARP 高速缓存的作用

在这里插入图片描述

应当注意的问题

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

使用 ARP 的四种典型情况

在这里插入图片描述

IP协议中主要的四个协议

  • 地址解析协议 ARP
    (Address Resolution Protocol)
  • 逆地址解析协议 RARP
    (Reverse 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 Management Protocol)

IP 数据报的格式

由首部和数据两部分组成

  • 首部分为固定长度（20字节/160比特）+可变部分可选字段
    在这里插入图片描述
  • 版本
    在这里插入图片描述
  • 首部长度
    在这里插入图片描述
  • 区分服务
    在这里插入图片描述
  • 总长度
    在这里插入图片描述
  • 标识(identification)
    占 16 位，它是一个计数器，用来产生数据报的标识
  • 标志(flag)
    在这里插入图片描述
  • 片偏移(12 位)
    在这里插入图片描述
  • 生存时间(8 位)
    在这里插入图片描述
  • 协议(8 位)
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
  • 首部检验和(16 位)
    在这里插入图片描述
  • 源地址和目的地址都各占 4 字节
  • 可变部分
    在这里插入图片描述

IP 层转发分组的流程

按主机所在的网络地址来制作路由表

  • 特定主机路由
    在这里插入图片描述
  • 默认路由
    在这里插入图片描述

注意事项
在这里插入图片描述

划分子网和构造超网

划分子网

划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络

  • 从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

子网掩码(subnet mask)

出现原因

  • 从一个 IP 数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分
  • (IP 地址) 与上 (子网掩码) = 网络地址

无分类域间路由选择 CIDR (Classless Inter-Domain Routing)

  1. 网络前缀

使用“斜线记法”(slash notation)

  • 它又称为CIDR记法，即在 IP 地址面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的位数
    （这个数值对应于三级编址中子网掩码中 1 的个数）
  • CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块”
    在这里插入图片描述

路由聚合(route aggregation)

在这里插入图片描述

CIDR 记法的其他形式

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

构成超网

在这里插入图片描述

  1. 最长前缀匹配
    从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由：最长前缀匹配(longest-prefix matching)

网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体(more specific)

  • 使用 CIDR 时，路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成
    在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果
  • 最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配
  1. 二叉线索查找路由表

在这里插入图片描述
用 5 个前缀构成的二叉线索
在这里插入图片描述

网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)

为了提高 IP 数据报交付成功的机会

  • 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告
    ICMP 不是高层协议，而是 IP 层的协议
  • ICMP 报文作为 IP 层数据报的数据
    加上数据报的首部，组成 IP 数据报发送出去

ICMP 报文的格式

在这里插入图片描述

ICMP 报文的种类

ICMP 差错报告报文和 ICMP 询问报文

  • ICMP 报文的前 4 个字节是统一的格式
    共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着的 4 个字节的内容与 ICMP 的类型有关

ICMP 差错报告报文

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

ICMP 差错报告报文的数据字段的内容

在这里插入图片描述

不应发送 ICMP 差错报告报文的情况

在这里插入图片描述

ICMP 询问报文

在这里插入图片描述

ICMP的应用

PING (Packet InterNet Groper)

  • 测试两个主机之间的连通性
    PING 使用了 ICMP 回送请求与回送回答报文
    PING 是应用层直接使用网络层 ICMP 的例子，它没有通过运输层的 TCP 或UDP

路由选择协议

理想的路由算法

在这里插入图片描述

路由选择是个非常复杂的问题

它是网络中的所有结点共同协调工作的结果。

  • 路由选择的环境往往是不断变化的，而这种变化有时无法事先知道

从路由算法的自适应性考虑

静态路由选择策略

  • 非自适应路由选择，其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化

动态路由选择策略

  • 自适应路由选择，其特点是能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销也比较大

分层次的路由选择协议

因特网采用分层次的路由选择协议

分层次的原因

因特网的规模非常大

  • 如果让所有的路由器知道所有的网络应怎样到达，则这种路由表将非常大，处理起来也太花时间。而所有这些路由器之间交换路由信息所需的带宽就会使因特网的通信链路饱和

独立性强

  • 许多单位不愿意外界了解自己单位网络的布局细节和本部门所采用的路由选择协议（这属于本部门内部的事情），但同时还希望连接到因特网上

自治系统 AS(Autonomous System)

在这里插入图片描述

内部/外部网关协议

内部网关协议 IGP (Interior Gateway Protocol)

  • 在一个自治系统内部使用的路由选择协议。目前这类路由选择协议使用得最多，如 RIP 和 OSPF 协议

外部网关协议EGP (External Gateway Protocol)

  • 若源站和目的站处在不同的自治系统中，当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。这样的协议就是外部网关协议 EGP。在外部网关协议中目前使用最多的是 BGP-4
    在这里插入图片描述

内部网关协议 RIP(Routing Information Protocol)

适用于中小型网络（最多只能包含15个路由）

工作原理

  • 距离为经过路由器的数量，也称为“跳数”(hop count)，因为每经过一个路由器，跳数就加 1
    距离的最大值为16 时即相当于不可达
  • RIP 不能在两个网络之间同时使用多条路由
    RIP 选择一个具有最少路由器的路由（即最短路由），哪怕还存在另一条高速(低时延)但路由器较多的路由
    在这里插入图片描述

RIP 协议的三个要点

在这里插入图片描述

路由表的建立

在这里插入图片描述

RIP2 协议的报文格式

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

RIP 协议的优缺点

好消息传播得快，而坏消息传播得慢
在这里插入图片描述

内部网关协议 OSPF(Open Shortest Path First)

OSPF 协议的基本特点

在这里插入图片描述

三个要点

在这里插入图片描述

链路状态数据库(link-state database)

在这里插入图片描述

OSPF 的区域(area)

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

OSPF的特点

OSPF 直接用 IP 数据报传送
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

OSPF 分组

在这里插入图片描述

五种分组类型

在这里插入图片描述

OSPF的基本操作

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

指定的路由器(designated router)

在这里插入图片描述

外部网关协议 BGP

定义
在这里插入图片描述
使用环境
在这里插入图片描述

BGP 发言人(BGP speaker)

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

BGP 协议的特点

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

BGP-4 共使用四种报文

在这里插入图片描述

BGP 报文具有通用的首部

在这里插入图片描述

路由器的结构

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

“转发”和“路由选择”的区别

在这里插入图片描述

IP 多播

特点

在这里插入图片描述

在局域网上进行硬件多播

在这里插入图片描述

  • D 类 IP 地址与以太网多播地址的映射关系
    在这里插入图片描述

网际组管理协议 IGMP 和多播路由选择协议

在这里插入图片描述

  • IGMP 的本地使用范围
    在这里插入图片描述
  • IGMP 是整个网际协议 IP 的一个组成部分
    在这里插入图片描述
  • 分为两阶段
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
  • 采取的措施
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

多播路由选择

多播路由选择协议尚未标准化

多播路由选择实际上就是要找出以源主机为根结点的多播转发树

  • 洪泛与剪除
    在这里插入图片描述
  • RPB 的要点
    在这里插入图片描述
  • 隧道技术(tunneling)
    在这里插入图片描述
  • 基于核心的发现技术
    在这里插入图片描述
  • 多播路由选择协议
    在这里插入图片描述

虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT

虚拟专用网 VPN

定义
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • 内联网 intranet 和外联网 extranet（都是基于 TCP/IP 协议）
    在这里插入图片描述
  • 远程接入VPN(remote access VPN)
    在这里插入图片描述

网络地址转换 NAT(Network Address Translation)

定义
在这里插入图片描述

  • 网络地址转换的过程
    在这里插入图片描述

总结

小小励志

有些事你现在不做，一辈子都不会做了。
如果你想做一件事，全世界都会为你让路。
《搭车去柏林》

评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

个

红包个数最小为10个

元

红包金额最低5元

当前余额3.43元 前往充值 >
需支付：10.00元
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付元
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明：

1.余额是钱包充值的虚拟货币，按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载，可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值