计网复习随笔（2）——网络层【持续更新ing】

网络层（1） 主要任务：

将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。（其传输的传输单位是数据报）

ps.数据报是比较长的数据，而分组就是将其切割划分出的片段。

功能1：路由的选择和分组的转发（寻找最佳路由路径） 功能2：异构网络的互联（依靠路由器相互连接） 功能3：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拥塞。

WAY1 to solve 开环控制（静，预先）　　WAY2 to solve 闭环控制（动，运行）

 

4.1——数据交换方式（电路交换、报文交换、分组交换） 为什么要数据交换：

为了避免链路的过多链接，设计出交换设备进行中转（避免两两链接产生的复杂网络）=>设计出交换网络，通过多台交换设备进行链接组成交换网络。

电路交换：

eg.电话网络（1.拨号（预备链接）2.正式建立链接 3.进行数据传输 4.链接释放 ）

电路交换阶段：

1. 建立链接（固定路径）——多路复用【独占资源】
2. 通信
3. 释放链接（拆除电路）

优点：　　　　　　　　　　缺点：

1. 通信时延小　　                 1：建立链接时间长
2. 有序传输                            2：线路独占（使用效率低）
3. 没有冲突                            3：灵活性差
4. 实时性强                            4：无差错控制能力（不会对数据检错纠错）

报文交换：

报文：源应用发送的信息整体。

在报文交换中交换设备的作用是：存储转发（比电路交换中的交换设备多一个存储的功能）

优点：                                         缺点：

1. 无需建立链接                         1.有存储转发时延（【本质串行】）
2. 存储转发、动态分配线路       2.报文大小不定，需要网络结点有较大的缓存空间
3. 可靠性高
4. 利用率高
5. 多目标服务（一个报文可同时发向多个目的地址）

分组交换：

分组：把大的数据块分割成小的数据块。（切割后分成小单元后进行传输ps.类似于并行的概念）

优点：                                         缺点：

1. 无需建立链接                         1.有存储转发时延（但是比分组交换时延小很多【本质并行】）
2. 存储转发、动态分配线路       2.需要传输额外的信息量
3. 可靠性搞                                3.乱序到目的主机时，要对分组排序重组
4. 利用率搞
5. 相对于报文交换，存储管理更容易（没有太多的缓存需求）

ps.计算题中注意事项：1：考虑单位换算（b/B,Mbps,kbps...）2：是否要加上传播延迟  3：时间至少是多少（选择最少跳数）4:起始时间（从发送开始到接收完毕为止）5：是否有分组头部大小的开销  6：报文交换时延更长分组交换时延很可能不是整数。

 

三种数据交换方式比较图解：

 

1：报文交换和分组交换都采用存储转发

2：传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换（电路交换传输时延最小）

3：从信道利用率来看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换时延更小。

 

 

4.2——数据报方式&虚电路方式 概念简述：

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）eg.手机一个字一个字发信息（可能失序）

虚电路方式：为网络层提供连接服务。（链接服务：首先为分组的传输确定传输路径（建立链接），然后沿着路径传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除该链接）eg.打电话

传输单元名词辨析：

报文->报文段->分组（IP数据报）[进行了IP地址封装（分组就是数据报的切割）]->帧（加头加尾）->比特流

(应用层)->(传输层)  ->                       （网络层）                                                   -> （数据链路层）->（物理层）

 

数据报： 特性：

• 无连接
• 每个分组携带源和目的地址
• 路由器根据分组的目的地址转发分组（基于路由器协议/算法构建转发表；检索转发表；每个分组独立选择路径）

 虚电路：

虚电路将数据报方式和电路交换方式结合，以发挥两者优点

虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑链接），路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立（维持一张虚电路表，每一项都记录了一个打开虚电路的信息）

通信过程：

• 建立链接（虚电路建立）【每个分组携带虚电路号，而非目的地址。源主机发送”呼叫请求“分组并受到”呼叫应答“分组后才算建立链接】
• 数据传输（全双工通信）
• 释放链接（虚电路释放）【源主机发送”释放请求“分组以拆除虚电路】

 

4.3 IP数据报格式 TCP/IP协议栈

 

 

 IP数据报格式

（基本可以认为数据报与分组相同）

 

（区分服务：期望获得哪种类型的服务【基本不使用】）

（总长度：首部+数据）

 （生存时间（TTL）:IP分组的保质期，每经过一个路由器就-1，防止无法交付的数据报无限兜圈子）

（协议：表示运输层传过来的报文段是什么协议【如 TCP为：6，UDP为：17......】）【记忆方法，TCP面向链接很6，UDP不面向链接容易被17】（谐音梗扣钱）

 （首部检验和：只检验首部，不检验数据部分）

源IP地址和目的IP地址：32位

可选字段：用来排错、测量...

 

 

 （首部部分可以分为固定部分【20字节（20*8bit），必要的】＋可变部分【长度不固定，非必要】）

 

 

 

 

IP数据报分片 最大传送单元（MTU）：

链路层数据帧可封装数据的上限。（例如以太网的MTU是1500字节）

如果数据长度超过了某条链路的MTU，那么就只有两个结果：

1. 分片（同意分片）
2. 返回差错报文（不同意分片）

分片：（看上图）

标识：同一个数据报的分片使用同一个标识(3位，最高位保留，中间位DF检测是否可以分片（DF=0可以分、DF=1不能分），最低位MF（MF=1后面还有分片，MF=0最后一片/没有分片）【DF=0时MF才有意义】)

片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。（以8字节为单位=>得出除了最后一个分片每个分片的长度一定是8B的整数倍的结论）

　　计算 片偏移 的时候第一个被切割的偏移量为0，第二个被切割的偏移量=（第一个的数据部分/8B）......

　　数据部分切割后要加上首部

IPV4地址（*）

分类的IP地址　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　特殊IP地址

    

 

 

主机数：　　　　　　　　　　　　　　　　    最大可用网络数：

 

A类网络：最大主机个数：2^24-2　　　　　　　最大可用网络数：2^7-2

 

B类网络：最大主机个数：2^16-2　　　　　　　最大可用网络数：2^14-1　

 

C类网络：最大主机个数：2^8-2　　　　　  　　最大可用网络数：2^21-1

 

 (各类网络中主机的全0、全1都不能用)

 

网络地址转换（NAT）（用于私有IP地址于外网建立通信）：

概念：在专用网链接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

 

子网划分： 子网划分：

2级IP地址：网络号+主机号  =>  3级IP地址：网络号+子网号+主机号  （ps.自己划分了子网后，对外仍然表现为一个网络，单位外的网络看不见你的内部划分。ps.主机号不可以全0全1，子网号是否可以全0全1看题目给的）

子网掩码：

2级IP地址：网络号：全1，主机号：全0  =>  3级IP地址：网络号：全1，子网号：全1，主机号：全0。

子网掩码子网号和IP地址逐位相与，得到子网网络地址

广播分组的目的地址主机号是全1，即255

 

eg1.IP地址为141.14.72.24,子网掩码为255.255.192.0求网络地址。

解：72:01001000,192:11000000

　　子网掩码的子网号为：11，主机号为：000000 00000000

　　=> 01 && 11为 01

　　=> 即此位为 01000000（64，前两位子网与的结果，后面为主机号）；

　　解得网络地址为141.14.64.0

 

eg2.IP地址为180.80.77.55,子网掩码为255.255.252.0。若主机向其所在子网发送广播分组，目的地址为？

解：由于发送为广播分组得主机号为全1；

　　77:01001101

　　252：11111100 =>子网掩码子网号为111111 主机号为00 00000000

　　=>111111 &&  010011

　　=>此位为：01001111（79，前6位为子网与的结果，后面为主机号）

　　=>目的地址为：180.80.79.255

 

ARP协议 发送数据的过程：

应用层：文件发送

传输层：划分为报文段（传输单元）

网络层：为报文段加上IP地址，加上源主机地址和目的主机的地址（形成了分组）

同网段：

　　数据链路层：封装加头加尾（*加头*加上源mac地址和目的主机的mac地址（ARP高速缓存协议——内存了IP地址和MAC地址的映射））

　　ps.ARP请求分组：已经携带了IP1和IP3的信息，也存入了MAC1的信息向其他地方广播请求返回IP3对应的MAC3（只有主机3会相应，其他的不鸟它，且返回“单播”的响应分组）

　　物理层：形成数字信号传播（比特流）

不同网段（通过路由器相连）：

　　数据链路层：封装加头加尾（*加头*加上源mac地址和下一个路由器的mac地址（ARP高速缓存协议——内存了IP地址和MAC地址的映射））

　　物理层：形成数字信号传播（比特流）

　　数据链路层：解封装，源MAC地址变为路由器输出端口的MAC地址和下一个路由器/目的地址（如果能一步跳到目的地址）的MAC地址[ex.IP地址自始至终都不变]

　　物理层：形成数字信号传播（比特流）

　　......

 

DHCP协议 基础知识

IP地址的的分配分为两种：静态分配，动态分配。

其中动态分配IP地址的协议叫DHCP协议

DHCP是应用层的协议，使用客户/服务器的方式，客户端和服务端通过广播方式进行交互基于UDP。

（提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器东药获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址，允许地址重用（并不是同时有多个地址被使用，只是一个地址被赋予一个主机后在主机离开后可以给新的主机使用），支持移动用户加入网络，支持在用地址续租）

 

工作流程

1. 主机广播DHCP发现报文　　                                     “问询有没有DHCP服务器可以提供IP地址”
2. DHCP服务器广播DHCP提供报文                              “返回第一个提供的IP地址”
3. 主机广播DHCP请求报文                                            “反复确认是不是要使用”
4. DHCP服务器广播DHCP确认报文                              “允许你用了”

（用广播的好处是可以告诉其他DHCP服务器是否收回自己发出的IP地址）

 

ICMP协议 作用：

支持主机/路由器实现：1.差错（异常）报告；2.网络探询   =》发送特定的ICMP报文

两个类型： 1：差错报告报文（4（5）种）

 

　　有以下几种情况不发送差错报文：

1. 对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文（禁止套娃）
2. 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文
3. 对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文
4. 对具有特殊地址的数据报（127.0.0.0/0.0.0.0）不发送ICMP差错报告报文

2：询问报文

 

 

 

ICMP的应用：

PING应用:测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文

Traceroute应用：跟踪一个分组从远点到终点的路径，使用ICMP时间超过差错报告报文。

 

4.4 IPV6（不常考） IPV6数据报格式：

 

 IPV6与IPV4的区别

 

 

 

IPV6地址表示形式

一般形式：冒号十六进制记法

压缩形式：连续0只需要写一个（甚至可以全删去）

IPV6的基本地址类型

单播：一对一通信（可源地址、可目的地址）

多播：一对多通信（可目的地址）

任播：一对多的一个通信（可作目的地址）

IPV6向IPV4过渡策略

双栈协议：一台设备上同时启用IPV4协议栈和IPV6协议栈（这样就可以让它拥有同时处理IPV4和IPV6的功能）

隧道技术：将其他协议的数据帧或包进行重新封装然后通过隧道发送。