网络层功能

  • 管理数据通信
  • 数据链路层 的支持下,将 报文分组源节点 传输到 目的节点
      报文(message) 是网络中交换与传输的数据单元
      (报文包含了将要发送的完整的数据信息,长度不限且可变)
      分组 是在Internet中传送数据的单元

网络层与数据链路层的区别

  • 数据链路层:仅完成 相邻节点 之间的 数据传输
  • 网络层:完成 源节点目的节点 之间的 数据传输

网络地址

  • 主机节点 的标示
  • 结构化地址,由 网络号主机号 组成
      网络地址 = 网络号 + 主机号

网络层协议涉及的主要内容

  • 网络服务方式
  • 分组格式
  • 路由选择
  • 子网划分
  • 异构网络互联

路由选择

扩散法(洪泛法)

路由表一般结构:
目的节点 | 最短距离 | 最佳输出链路 | …… ~

动态路由算法

1. 热土豆算法

基本思想:

  • 当节点收到一个分组后,选择一条 输出队列 最短的 链路 尽快地将其 转发 出去,而 不管 目的节点 位于何方。
  • 优点:尽量 提高 链路利用率
  • 缺点:盲目性
  • 改进:与 固定式路由 算法混合使用
      首先根据固定路由算法选择可能的输出链路,并给这些链路赋上一定权值
      再根据链路队列长度,附上一定权值
      选择这两个权值之和最小的链路

2. 逆向自学习算法

  • 每个节点保存一张转发表(路由表),该表主要字段包括:
  • ……  |  目的地址  |  输出端口  |  时间  |  ……
  • 初始时转发表为空
  1. 数据包 到达 节点
    将数据包的 源地址 视为 转发表目的地址,输入端口视为转发表的输出端口;如果转发表存在该目的地址,则刷新该记录;如果转发表不存在该目的地址,则增加一条新记录
  2. 根据数据包的目的地址,查询转发表;如果找到,则从指定的输出端口转发;如果找不到,则广播。
  3. 定期扫描转发表,清除 过时的记录。

3. D-V算法

  • 距离向量路由算法
  • 基本思想:
      每个节点都保存一张动态路由表。与固定式路由选择不同的是:相邻节点 之间 定期交换路由信息(如每隔30秒),并根据最新路由信息,刷新路由表。
    路由表
      目的节点 + 最短距离 + 最佳输出链路
  • 初始化:
      当节点加入网络时,获取直接相连
  • 优点:
      仅 相邻节点 交换路由信息,所以 运算量 和交换的 信息量
  • 缺点:
      收敛速度 ,对网络变化需经若干周期才能做出反应。特别是对 好消息反应快,对 坏消息反应迟钝

4. L-S算法

  • 链路状态路由选择算法
  • 基本思想:
      所有 节点 相互 交换路由信息,并根据最新路由信息刷新路由表
  • L-S算法描述:
      发现邻居节点
        当一个 路由器 启动以后,通过向每个 端口 发送特殊的HELLO分组来 发现 邻居节点;收到HELLO
        分组的路由器应返回一个
      ???

路由协议

路由信息协议(RIP)

  • RIP采用D-V算法,用于小规模网络
  • 技术特点
      距离:下跳数,允许对下跳数加权
      路由信息交换周期:缺省值为30秒
      无穷计数问题:RIP选择16为∞

开放最短路由优先协议(OSPF)

  • OSPF采用 L-S算法,是目前Internet的主要 内部网关协议
  • 自治系统(AS)
  • OSPF技术特点
      距离:允许网络管理员选择多种“距离”度量,如延迟、数据率、通信费用、下跳数等。
      ???

边界网关协议(BGP)

  • 内部网关协议(IGP)与外部网关协议(EGP)的区别:
      IGP注重效率
      EGP注重策略
  • 作为Internet外部网关协议,用于不同AS之间的路由选择
  • 技术特点:
      BGP采用 路经向量路由 算法,路由表中记录到达目的地的 确切路由,而不是 最短距离,从而解决“无穷
      级数”问题。

IP协议

  • IP协议是Internet体系结构的核心协议,已成为连接异构网络的工业标准。
  • IP提供非面向连接的数据报服务,每个IP分组长度 <= 64K字节,传输效率高,但不能保证分组可靠的、按序到达。
  • IP协议需要路由协议,ICMP, ARP, RARP 等协议支持。
  • 服务类型
      告诉路由器该IP分组想获得何种服务,包括优先级、延迟、吞吐量和可靠性要求。该字段共有8位。 ß
      前3位:表示优先权
      中3位 (D, T, R):表示想获得的服务质量(延迟、吞吐量、可靠性)
      后2位:保留
      注:几乎所有路由器都 忽略 “服务类型”字段
  • 总长度:表示整个IP分组长度,包括报头和数据部分:该字段16位,所以IP分组最大长度 2^16 - 1 = 65535字节(大概 64KB)
  • 标识:16位,用来表示一个分组,统一分组的不同分段具有相同的标识。
  • 标志:3位
  1. 第一位:保留
  2. 第二位:DF位 (Don’t Fragment),若DF = 1,则IP分组在传输中不允许分段,如目的主机从远方引导启动机器的影响文件,目的主机无能力重组分组。若DF = 0, 则允许分段。
  3. 第三位:MF位 (More Fragment),若MF = 0,则该分段是原分组的最后一个分段。
  • 特殊的IP地址:
      32位全 “0” :表示本地地址,进党初始启动时使用,以后不再使用
      32位全 ”1“ :本地
      ???
  • 内部IP地址(私用地址)
      A类:10.0.0.0(1个网络)
      B类:172.16.0.0 - 172.31.0.0(16个网络)
      C类:192.168.0.0 - 192.168.255.0(256个网络)
    Internet的 路由器 不会转发 目的地址为 上述 地址的IP地址,即私用地址不能穿越内部网络边界
    路由器IP寻址
    路由器根据 目的网络号 而不是 目的IP地址 转发IP分组,以减少路由表的信息量。
    当一个 分组 到达时,路由器 获取它的 网络号。如果是本网,则该IP分组直接发送到指定主机;如果是其他网络,则根据 路由表 转发到下一个 路由器
    如果 路由表 找不到目的网络,则将该分组转发到 “缺省链路”
    IP协议用于分组传输,Internet还需要一些控制协议,包括 ICMP, ARP, RARP等
    ICMP协议
    用于报告IP协议运行过程中意外事件的发生,也用于 网络测试
    ICMP消息主要有12中,这些ICMP消息封装在IP分组中传输。因此,ICMP消息可视为 ”IP控制分组“
    主要ICMP消息:
    目的不可达:当目的路由器无法找到目的主机,或者DF为“1”的分组经过MTU较小的网络二无法传输时,返回该消息
    超时
    参数出错