计算机网络_04_网络层（1）_网络资源层-优快云博客

网络层定义与功能

局域网——资源子网：用来存储各种资源；（链路层主要关心的内容）
广域网——通信子网：并不是以存储资源为主，而是提供这种资源之间的交互、提供传输线路和通信服务为主；如：联通、电信、移动这些运营商；

图片来源：计算机网络与互联网_北京交通大学
由于关于局域网有很多不同的标准，导致了局域网的差异性，使局域网之间很难直接实现互联互通，因此需要一种统一的方法来解决跨网络的问题；
OSI：定义网络设备间如何传输数据；根据唯一的网络设备地址路由数据包；提供流量和拥塞控制以防止网络资源的损耗；——虚电路服务
TCP/IP：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，这就是IP (Internet Protocol) 的主要功能；——数据报服务
虚电路服务：
- 需要建立连接通路，且通路一旦连接不会更改，后续数据包都会走这条通路；
- 所有的数据包会走相同的路径；
- 所有的数据包知道虚电路号；
- 按序到达；
- 可靠保障
数据报服务：所有的数据报在发送端发送出去后，都是各自独立查找和选择路径，并不需要提前建立连接；当某一个节点受到损坏，其他所有的数据报都不会受到干扰，换条路就行了；这也就是最初ARPANET选择以IP为主的一个主要原因，而从APEPANET发展而成的Internet也就沿用了数据报服务——IP网；
- 无连接；
- 各自选路，路径不定；
- 需要包含完整的数据信息：地址信息和其他的一些控制信息；（用来保障能够各自选路）；
- 顺序不定；（由于路径不定，先发出的可能路远而后到达）；
- 不可靠；
IP网络的核心是数据报服务；
基于IP的虚拟互联网络产生之后，每一个终端想要通过互联网访问另一个终端时，不需要考虑穿越的整个网络中IP的差异性，只需要知道最终的目的地是什么，以及需要从哪个入口转到IP网当中即可。因此IP网具有很好的差异屏蔽性；
IP网络的好处：
- 使用IP网的好处是: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——透明
- 造价大大降低；
- 运行方式灵活；
- 网络可靠性提高；（这里是指当网络中的某个节点损坏，并不会影响其他节点）
- 能够适应多种应用；
网络层最核心的两个问题：寻址、路由；

IP地址

IP地址及其表现方法：
- IP地址就是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；(IPv4)
- IP地址现在由因特网名称与号码分配机构ICANN (InternetCorporation for Assi gned Names and Numbers) 进行分配；
IP地址的编址方法：
- 分类的IP地址：这是最基本的编址方法，在1981年就通过了相应的标准协议。一一 固定分类
- 子网的划分：这是对最基本的编址方法的改进，其标准[RFC 950]在1985 年通过。一一 子网掩码
- 构成超网：无分类编址方法。1993 年提出后很快就得到推广应用。——变长掩码
传统的IP地址分类：
- 分为A、B、C、D、E 5类地址；
- 每一类地址都由两个固定长度的字段组成；
  - 其中一个字段是网络号net-id, 它标志主机(或路由器)所连接到的网络；
  - 另一个字段则是主机号host-id, 它标志该主机(或路由器)；
- 两级的IP地址可以记为：IP地址 ::= { <网络号>，<主机号> }
IP地址中的网络号和主机号字段：
点分十进制记法：
特殊的IP地址：
- 网络地址: IP地址中主机地址部分全为0，代表这个网段当中所有的主机，指的是全体而不是某一个（指的是整个网络）；
- 广播地址: IP地址中主机地址部分全为1，代表这个网络当中每一个终端；
- 0.0.0.0
  - 代表路由表的缺省路由；
  - 代表主机本身(尚未获得IP地址情况下)；
- 255.255.255.255: 本地广播或受限广播；
- 127.0.0.0/8: Loopback地址，用于测试本机的TCP/IP协议，如127.0.0.1，127.0.0.2；
- 169.254.xxx.xxx：是Windows操作系统在主机自动获取IP地址失败时，自动给客户机分配的IP地址；
- 局域网**内部管理(私有)**地址：
  - 10.0. 0. 0 ~ 10.255.255.255 (1个A类网段)；
  - 172.16. 0. 0 ~ 172.31.255.255 (16个B类网段)；
  - 192.168. 0. 0 ~ 192.168. 255.255 (256个C类网段)；
    - 不需申请即可使用；
    - 不允许在互联网上使用；
    - 当要访问互联网时，可使用NAT (Network Address Translation)进行地址转换；
网络地址转换NAT：
- 内部主机X用本地地址IPx 和因特网上主机Y通信，所发送的数据报必须经过NAT路由器；
- NAT路由器将数据报的源地址IP转换成全球地址IPG, 但目的地址IPy保持不变，然后发送到因特网；
- NAT路由器收到主机Y发回的数据报时，根据NAT转换表，将目的地址IPG转换为IPx，转发给最终的内部主机X；
- 还可以实现基于端口的地址转换；
常用的三种IP地址：
- A类网络地址：网络个数：126；每个网络当中的主机个数：2^24
- B类网络地址：网络个数：（191-128+1）* 255 = 64*255 = 16320；每个网络当中的主机个数：65534（2^16-2）
- C类网络地址：网络个数：很多；每个网络当中的主机个数：254（减去一个广播地址、一个网络地址）
IP地址的特点：
- IP地址是一种分等级的地址结构，分两个等级的好处是：
  - 管理机构只负责分配网络号，方便IP地址的管理；
  - 按网络号转发分组，使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间；
- 所有网络和IP地址是平等的；
- IP地址标志一个主机(或路由器)和一条链路的接口；
互联网中的IP地址：
- 在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的；
- 路由器总是具有两个或两个以上的IP 地址；

IP数据封装格式

数据报封装：一个IP数据报分成首部和数据两部分；
- 首部又分成两个部分：
  - 前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的；
  - 后一部分是一-些可选字段，其长度是可变的；
IP数据报首部的固定部分中各字段：
- 版本字段：占4位，指IP协议的版本（当前的IP协议版本号位4，即IPv4）；
- 首部长度字段：占4位，IP的首部长度的最大值为60字节；
- 区分服务字段：占8位，用来获得更好的服务，在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直未被使过。1998 年这个字段改名为区分服务。只有在使用区分服务(DiffServ) 时，这个字段才起作用。在一般的情况下都不使用这个字段；
- 总长度字段：占 16位，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度65535字节；
  - 总长度必须不超过链路层要求的最大传送单元MTU。不同的网络类型，其MTU都不相同，如以太网中MTU为1518字节，FDDI为4500字节，当超过MTU，就需要分片
- 标识(identification)字段：占 16位，它是一一个计数器，用来产生数据报的标识；
- 标志(flag)字段：占 3位，目前只有前两位有意义；
  - 标志字段的最低位是MF (More Fragment)。
    - MF= 1表示后面“还有分片”；
    - MF=0表示最后一一个分片；
  - 标志字段中间的一位是DF (Don’t Fragment)；
    - 只有当DF=0时才允许分片；
- 片偏移字段：12位，指出较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置，片偏移以8个字节为偏移单位；
- 生存时间字段：8位，记为TTL (Time To Live)，数据报在网络中可通过的路由器数(跳数)的最大值。每经过一个路由器转发就减1，为0时就丢弃；
- 协议字段：8位，指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程；
- 首部检验和字段：16位，只检验数据报的首部，不检验数据部分；
- 源地址字段和目的地址字段：各占4字节；
IP数据报的可变部分：
- 可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富；
- 选项字段的长度可变，从1个字节到40个字节不等，取决于所选择的项目；
- 增加首部的可变部分是为了增加IP数据报的功能，但这同时也使得IP数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销；
- 实际上这些选项很少被使用；

基本路由方法——IP协议核心

查找路由表：路由器用来判断应该从哪一个端口把数据报转发出去的依据；
- 路由表中的内容：所有的主机号和端口号（一般不会，数量太庞大）；所有连接的网络号及端口号（最核心）；
基本的分组转发算法：
- (1) 从数据报的首部提取目的主机的IP地址D,得出目的网络地址为N；
- (2) 若网络N与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机D;否则是间接交付，执行(3)；
- (3) 若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行(4)；
- (4) 若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器;否则，执行(5)；
- (5) 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器;否则，执行(6)；
- (6) 报告转发分组出错；