网络层功能

  • 管理数据通信
  • 在 数据链路层 的支持下，将 报文分组 从 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 到 目的节点 之间的 数据传输

网络地址

  • 是 主机 或 节点 的标示
  • 是 结构化地址，由 网络号 和 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 的 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. 当 数据包 到达 节点 时
    将数据包的 源地址 视为 转发表 的 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 较 小
  • 缺点：
      收敛速度 慢，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