【计算机网络】第四章--网络层

1、网络层

1.1、网络层功能概述

• 主要任务

  是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务

  网络层传输单位是 IP数据报/分组

  • 数据报和分组是父与子的关系，数据报是比较长的数据，分组是对数据报进行切割划分出来的片段

• 功能

  • 路由选择与分组转发

    路由选择就是找路，通过路由选择算法找到最佳路径

  • 异构网络互联

    网络的异构性指的是传输介质、数据编码方式、链路控制协议以及不同的数据单元格式和转发机制，这些特点分别在物理层和数据链路层中定义

  • 拥塞控制

    若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞

    • 开环控制：静态方法，类似数据链路层中的信道划分介质访问控制
    • 闭环控制：动态方法，类似数据链路层中的随机访问介质访问控制

1.2、电路、报文与分组交换

1)为什么要数据交换？

通过交换网络实现数据的传递与交流

2)数据交换方式

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换
  • 数据报方式
  • 虚电路方式

3)电路交换(独占资源)

• 原理

在数据传输期间，源结点与目的结点之间有一条由中间结点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持

• 步骤
  1. 建立连接(呼叫/电路建立)
  2. 通信
  3. 释放连接(拆除电路)

举例：电话网络

拨号的时候就是建立连接，接收方接收电话就相当于双方的连接正式建立，然后双方通话相当于进行数据传输，挂断电话相当于连接释放，此时其他人就可以利用刚才的链路进行数据通信

• 特点

  • 独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽

    例如A和B打电话，即使两人不讲话，这个资源也被占用

  • 适用于 远程批处理信息传输 或系统间 实时性要求高 的大量数据传输的情况

• 优点

  • 通信时延小：因为连接建立好以后，数据就可以直接传输了，没有检错
  • 有序传输：发送方和接收方是独占资源，因此发送数据、接收数据、传输都是按序进行
  • 全双工通信，没有冲突：通信双方有不同的信道，不会争用物理信道
  • 实时性强：双方一旦建立物理通路，便可以实时通信，适用于交互式会话类通信
  • 适用于 模拟信号 和 数字信号

• 缺点

  • 建立连接时间长：比如电话网络连接过程，要先拨号，然后等接收方接通以后才能建立连接
  • 线路独占，使用效率低：如果双方建立连接后不进行数据传输，那么该信道就浪费了
  • 灵活性差：假如有一个交换设备宕机，该通信线路就无法进行通信了
  • 没有差错控制能力：只是单纯的传输数据
  • 无数据存储能力，难以平滑通信量

4)报文交换(存储转发)

报文(message)：是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块(源主机应用发送的信息整体，例如源主机要发送一个pdf文件，那这个pdf文件就是报文)

报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变

• 原理

无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文(插一句：数据传输基本单位是IP数据报/分组哦)，传送过程采用存储转发方式。(可以在一个交换设备A中存储一会儿，然后可以走B也可以走C，取决于哪条链路是空闲的，再转发出去。)

• 优点

  • 无需建立连接
  • 存储转发，动态分配线路
  • 线路可靠性高
  • 线路利用率较高
  • 多目标服务：一个报文可同时发往多个目的地址

• 缺点

  • 有存储转发时延，不适合传送实时或交互式业务的数据
  • 报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间
  • 只适用于数字信号

5)分组交换(存储转发)

分组：把大的数据块分割成小的数据块

• 原理

分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文

• 优点

  • 无需建立连接：不需要预先建立专门通信线路，用户可随时发送分组

  • 存储转发，动态分配线路

  • 线路可靠性较高：分组较短，减少了出错几率

  • 线路利用率较高：通信双方在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通道，多个分组可共享信道

  • 相对于报文交换，存储管理更容易

    因为分组的长度固定，相应的换乘区的大小也固定。
    适用于计算机之间突发性数据通信：因为分组短小

• 缺点

  • 有存储转发时延
  • 需要传输额外的信息量：每个分组都要加控制信息，增加了处理的时间
  • 当分组是乱序到目的主机时，要对分组进行排序重组

6)数据交换方式的选择

分组交换的数据传输过程可以看作流水线。计算最后一个分组到达目的主机的时延即可

1.3、分组交换 数据报 与 虚电路

1)数据报方式

因特网在用

• 通信过程

  1. 源主机(A)将报文分成多个分组，依次发送到直接相连的结点(A)
  2. 结点A收到分组后，对每个分组差错检测和路由选择，不同分组的下一跳结点可能不同
  3. 结点C收到分组P1后，对分组P1进行差错检测，若正确则向结点A发送确认信息，结点A收到结点C确认后则丢弃分组P1副本
  4. 所有分组到达(主机B)

• 特点

  • 数据报方式为网络层提供 无连接服务

    无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同。类似微信发消息发生错位，后面章节会讲到分组重组

  • 同一报文的不同分组达到目的结点时可能发生乱序、重复与丢失

  • 每个分组在传输过程中都必须携带 源地址 和 目的地址，以及 分组号

  • 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，检索转发表，每个分组独立选路

  • 分组在交换结点存储转发时，需要排队等候处理，这会带来一定的时延。当通过交换结点的通信量较大或网络发生拥塞时，这种时延会大大增加，交换结点还可根据情况丢弃部分分组

  • 网络具有冗余路径，当某一交换结点或一段链路出现故障时，可相应地更新转发表，寻找另一条路径转发分组，对故障的适应能力强，适用于突发性通信，不适于长报文、会话式通信

2)虚电路方式

虚电路将 数据报方式(体现在分组)和 电路交换方式(体现在建立连接)结合，以发挥两者优点

• 描述

  一条源主机到目的主机类似于电路的路径(逻辑连接)，路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虛电路的信息

• 通信过程

  1. 建立连接：A主机给B主机发送“呼叫请求”分组并收到“呼叫应答”分组后才算建立连接
  2. 数据传输：全双工通信(A和B互相发送数据)。每个分组携带虚电路号(作用是指引当前分组应该走哪一条虚电路，分组到路由器以后，路由器检索转发表，就知道该分组应该从哪个口转出去，这里就体现了电路交换方式)，分组号、检验和等控制信息。
  3. 释放连接(虚电路释放)：源主机发送“释放请求”分组以拆除虚电路

• 特点

  • 虚电路方式为网络层提供 连接服务

    连接服务：首先为分组的传输确定传输路径( 建立连接)，然后沿该路径(连接)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。类似打电话

  • 一次通信的所有分组都 通过虚电路顺序传送，分组不需携带源地址、目的地址等信息。携带虚电路号，相对数据报方式开销小，同一报文的不同分组到达目的结点时不会乱序、重复或丢失

  • 分组通过虚电路上的每个节点时，节点只进行差错检测，不需进行路由选择

  • 每个节点可能与多个节点之间建立多条虚电路，每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，可以对两个数据端点的流量进行控制，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务。

  • 致命弱点：当网络中的某个结点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过该结点或该链路的虚电路将遭到破坏

3)特点总结

4)名词解析

层次	数据单元	说明
应用层	报文	整个信息，如文件
传输层	报文段	把很长的报文分割成一小段
网络层	IP数据报、分组	封装了网络层的IP地址(源/目的)；数据报过大时分组
数据链路层	帧	加头：MAC地址；加尾：FCS帧检验序列
物理层	比特流	把比特流转成信号的形式放到链路上进行传输

2、路由算法与路由协议概述

2.1、路由算法

最佳路由：“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已

2.2、路由算法的分类

• 静态路由算法

  (非自适应路由算法) 管理员手工配置路由信息

  • 优点：简便、可靠，在负荷稳定、拓扑变化不大的网络中运行效果很好，广泛用于高度安全性的军事网络和较小的商业网络
  • 缺点：路由更新慢(路由表需要人工更新)，不适用大型网络

• 动态路由算法

  (自适应路由算法)路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项

  • 优点：路由更新快，适用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化
  • 缺点：算法复杂，增加网络负担
  • 分类：
    • 全局性：链路状态路由算法，应用于OSPF协议，所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息。适用于较大网络
    • 分散性：距离向量路由算法，应用于RIP协议，路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用。适用于较小网络

2.3、分层次的路由选择协议

• 自治系统AS(使用内部网关协议)

  在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议(内部网关协议)和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议(外部网关协议EGP)以确定在AS之间的路由。
  一个AS内所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通

• 路由选择协议

  • 内部网关协议IGP：一个AS内使用的，例如RIP(距离向量路由算法)、OSPF(链路状态路由算法)
  • 外部网关协议EGP：AS之间使用的，例如BGP(BGP-4)

采用分层路由后，路由器被划分为区域，每个路由器知道如何将分组路由到自己所在区域内的目标地址，但对于其他区域内的结构毫不知情。当不同的网络相互连接时，可将每个网络当作一个独立的区域，这样做的好处是一个网络中的路由器不必知道其他网络的拓扑结构

2.4、路由器交付

路由选择分为直接交付和间接交付，当发送站与目的站在同一网段内，就使用直接交付(对应RIP协议局域网内发送数据过程)；反之使用间接交付(对应RIP协议不同局域网之间发送数据过程)。直接交付是在同一网段内，不涉及路由器。

3、IPv4

IP协议：不可靠，无连接，采用分组交换技术

3.1、IPv4分组

IP分组/IP数据报 是数据传送的基本单元

• IPv4

  • 即现在普遍使用的IP协议(版本为4)
  • IP协议定义数据传送的基本单元——IP分组/IP数据报及其确切的数据格式
  • IP协议也包括一套规则，指明分组如何处理、错误怎样控制。特别是，IP协议还包括非可靠投递的思想(对于出错的分组丢弃并发送一个ICMP差错报文)，以及与此关联的分组路由选择的思想

• IP协议

  • 不可靠(对于出错的分组丢弃并发送一个ICMP差错报文)
  • 无连接(分组交换的数据报方式就是无连接的)
  • 采用分组交换技术(数据报方式)

1)TCP/IP协议栈

• ARP协议为IP协议服务，IP协议为ICMP和IGMP协议服务

注意：在TCP/IP参考模型中，物理层和数据链路层一起称为网络接口层

2)IPv4分组的格式

一个IP分组由 首部 和 数据 两部分组成

注意：在网络层章节，IP数据报和分组不用做太详细区分

• 数据部分：传输层的传输单元报文段，因为含有TCP、UDP段

• 首部：

  • 首部固定部分(20B)

    对于任何一个IP数据报，它的大小都相同，为20字节(20B)，一定要有

    共5行，每行32bit，即4Byte(字节)，所以为 5*4 = 20B，详见下图

  • 首部可变部分(0~40B)：可有可无，大部分情况下没有

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首部详解

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• 首部固定部分各组成信息如下：

  • 版本：版本字段长度为0-4bit；版本类型为 IPv4/IPv6

  • 首部长度(最大60B)：

    长度为 4-8bit：4位的二进制数，可以表示16个(即2^4)十进制数0 ~ 15，所以长度值为0 ~15

    单位是4B：假如长度是8，8 * 4B=32B，则首部长度的大小为32B(包含了可变长度)

    首部长度最大值：15 * 4B = 60B(固定20B + 可变40B，5 * 4B + 10 * 4B = 15 * 4B)

    长度最小为5：因为首部固定部分长度就为20B，20B/4B=5，所以首部长度最小为5

  • 区分服务：指期望获得哪种类型的服务。比如有的数据报想先发送

  • 总长度：首部长度 + 数据部分，单位是1B

    占16位：16 — 31

    总长度上限值为 2^16-1=65525*1B = 65525B。实际上不会达到上限值，因为长度过大时会分组，以满足数据链路层的