计网复习笔记【附思维导图】——【4】网络层

最新推荐文章于 2022-10-18 10:53:50 发布

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#网络 #路由器 #路由算法 #icmp #ospf

本文深入探讨了网络层的工作原理和技术细节，包括数据平面和控制平面的概念，路由器的工作机制，IPv4与IPv6协议的区别，以及路由选择算法等内容。

计网复习笔记【附思维导图】——【4】网络层

计网网络层

计网网络层

网络层位于运输层和链路层之间。
计网-网络层

数据平面和控制平面

网络层分为控制平面和数据平面。

数据平面：转发

数据平面：转发，即每台路由器的功能，决定到达路由器输入链路之一的数据报如何转发到该路由器的输出链路之一。
数据平面介绍内容包括下面几节：

4.1 网络层概述
4.2 虚电路和数据报网络
4.3 路由器工作原理
4.4 网际协议

控制平面：路由

控制平面：路由选择，主要作用是协调每台路由器的转发动作。当分组从发送方流向接收方时，网络层必须决定这些分组所采用的路由或路径。
控制平面介绍内容包括下面几节：

4.5 路由选择算法
4.6 因特网中的选路
4.7 广播和多播选路

4.1 网络层概述

网络层工作在网络边缘的每一台主机和服务器，以及中间的每一个路由器。

网络层

功能：提供主机到主机的通信功能，即将分组从一台主机发送到另一台主机。
发送方：将报文段封装成数据报，向相邻路由器发送。
接收方：接收来自路由器的数据报，解封装取出报文段交给运输层。
网络层数据单元为数据报，数据报头部包括IP地址。

网络层两大功能

数据平面：转发
- 分组从一条入链路到一台路由器，路由器决定哪条出链路的传送过程。
- 路由器根据转发表将分组从输入链路移动到适当的输出链路，通常由硬件实现，属于路由器本地动作。
- 类比：开车经过单个立交桥选择合适出口。
控制平面：路由
- 一个网络中的所有路由器经路由选择算法共同交互，决定分组从源到目的节点所采取的路径。
- 分组从源到目的端所采用的路径，通常由软件实现，属于端到端路径的网络范围内的一个过程。
- 类比：开车，出发点到目的地所有路径中选择一条，但是每条路径都由一系列立交桥连接的路段组成。

网络服务模型

定义：网络的发送端系统与接收端系统之间分组的端到端传输特性。
网络层提供的特定服务
- 数据报服务
  - 1.确保交付：该服务确保分组将最终到达其目的地。
  - 2.具有时延上限的确保交付：确保分组在特定的主机到主机时延上界内交付。
- 数据报流服务
  - 1.有序分组交付：确保分组按被发送的顺序到达目的地。
  - 2.确保最小带宽
  - 3.确保最大时延抖动
  - 4.安全性服务
因特网的网络层提供了尽力而为服务(尽量传，但是丢了不管)
- 分组间的时间间隔是得不到保证的，分组接收的顺序也不能保证，传送的分组也不能保证不会丢失。

4.2 虚电路和数据报网络

网络层提供的服务包括面向连接的虚电路网络和无连接的数据报网络，因特网采用的是数据报网络。

虚电路网络和数据报网络的由来

虚电路的概念来源于电话领域，它采用了真正的电路，使用VC 号转发分组。
- "dumb"端系统
因特网作为一种数据报网络，是由互连计算机的需求发展而来的，使用IP 地址转发分组。
- "smart"端系统

面向连接的服务

传输层：面向连接服务是在位于网络边缘的端系统中实现的。传输层的连接服务是面向应用程序的。
网络层：连接服务除了在端系统中实现外，也在位于网络核心的路由器中实现。网络层连接服务面向主机，从连接开始，主机到主机，包括中间路由器。

无连接服务

数据报网络特征：网络层主机之间的无连接服务。

网络体系结构

1.因特网
- 无连接的数据报网络
- 尽力而为服务
2.ATM
- 面向连接的虚电路网络
- 超越因特网的多重服务模型
- 概念：可以在同一网络中为不同的连接提供不同类别的服务。
- 实例：ATM服务模型
  - 1.恒定比特率(CBR)ATM网络服务
  - 2.可用比特率(ABR)ATM网络服务
3.帧中继：面向连接的虚电路网络。

网络层服务

面向连接：虚电路(VC)网络

包括ATM、帧中继网络体系结构，提供可预见服务。
特征：沿两个端系统之间路径上的路由器都要参与虚电路的建立，且每台路由器都完全知道经过它的所有虚电路。
虚电路组成
- 1.源和目的主机之间的路径(即一系列链路和路由器)。
- 2.VC 号，沿着该路径的每段链路一个VC号。
- 3.沿着该路径的每台路由器中的转发表表项，每个VC路由都维护连接状态信息。
VC 号的转换：转发表。
- 每个数据报携带VC号（不是目的主机地址）
- 一个分组沿着其路由在每条链路上不能保持相同的VC 号
- 逐链路代替该号码减少了分组首部中VC 字段的长度。
- 通过允许沿着该虚电路路径每条链路有一个不同的VC 号，大大简化了虚电路的建立。

虚电路网络 3 个明显不同的阶段

1.虚电路建立
- 1）虚电路的所有分组要通过的一系列链路与路由器；
- 2）网络层为沿着该路径的每条链路确定一个VC 号；
- 3）网络层在沿着路径的每台路由器的转发表中增加一表项；
- 4）网络层还可以预留虚电路路径上的资源(如带宽)。
2.数据传送：一旦创建了虚电路，分组就可以开始沿该虚电路流动了。
3.虚电路拆除
- 当发送方(或接收方)通知网络层它想终止该虚电路时，就启动这个过程。
- 通知另一端结束通话，删除前向转发表的表项。

信令报文与信令协议

信令报文：端系统向网络发送指示虚电路启动与终止的报文，以及路由器之间传递的用于建立虚电路(即修改路由器表中的连接状态)的报文。
信令协议：用来交换这些报文的协议。

无连接：数据报网络

转发表使用最长前缀匹配，转发表不断变化，转发路径也会变化。
过程
- 分组从源向目的地传输通过一系列路由器。路由器中的每个都使用该分组的目的地址来转发该分组；
- 路由器有一个将目的地址映射到链路接口的转发表，当分组到达路由器时，该路由器使用该分组的目的地址在该转发表中查找适当的输出链路接口。然后，路由器有意识地将该分组向该输出链路接口转发；
- 每当一个端系统要发送分组时，它就为该分组加上目的地端系统的地址，然后将该分组推进网络中；
- 由于转发表使用地址块索引输出链路，因此一个目的地址可能匹配多项。当有多个匹配时，该路由器使用最长前缀匹配规则。即在该表中寻找最长的匹配项，并向与最长前缀匹配的链路接口转发该分组。

虚电路网络VS数据报网络

对比的方面	虚电路服务	数据报服务
思路	可靠通信应该由网络来保证	可靠通信应该由用户主机来保证
连接建立	必须建立连接	不需要建立连接
终点地址	仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号	每个分组都有终点的完整地址
分组的转发	属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发	每个分组独立选择路由进行转发
当结点出现故障时	所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作	出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化
分组的顺序	总是按发送顺序到达终点	到达终点时不一定按发送顺序
端到端的差错处理和流量控制	可以由网络负责，也可以由用户主机负责	由用户主机负责

4.3 路由器工作原理

路由器体系结构

通用路由器体系结构包括输入端口、交换结构、输出端口、选路处理器。下面详细介绍这四个部分。

路由器 4 个组成部分

路由器：输入端口

路由器输入端口功能
- 1.将一条输入的物理链路端接到路由器的物理层。
- 2.实现与位于入链路另一端接口交互的数据链路层功能。
- 3.完成转发表查找与转发功能，以便转发到路由器交换结构部分的分组能出现在适当的输出端口。
- 4.控制分组从输入端口转发到选路处理器。
排队：输入端口排队主要原因是交换结构不能及时转发数据报。
分组丢失
- 如果在输入端口因为交换结构速率慢而引起队列长度的加大,最终将路由器的缓存空间耗尽,就会出现“分组丢失”。
- 解决方法：如果交换结构速率大于线路速率的 n 倍(n 是输入端口的数量)就可以消除分组丢失的问题。

路由器：交换结构

功能
- 将路由器的输入端口连接到它的输出端口。
- 交换结构完全包含在路由器中。
三种交换结构

1.经内存交换

内存交换结构

交换在CPU(选路处理器)的直接控制下完成的。
交换过程
- 分组到达输入端口，该端口通过中断处理器发出信号，将分组从输入端口拷贝到处理器内存中。
- 路由选择器从分组首部取出目的地址，在转发表中找出适当的输出端口，将该分组拷贝到输出端口缓存中。
交换速度：交换速度受到内存带宽的限制：每个分组跨越两次总线。
吞吐量：若内存带宽为每秒可写进或读出最多B个分组，则转发吞吐量必然小于B/2。
系统总线共享：不能同时转发两个分组，即使它们有不同的目的端口。
改进：目的地址的查找和将分组存储(交换)进适当的存储位置是由输入线路卡上的处理器来执行的。