四．网络层（上）

目录

4.1网络层功能概述

4.2 SDN基本概念

4.3 路由算法与路由协议

4.3.1什么是路由协议？

4.3.2什么是路由算法？

4.3.3路由算法分类

(1)静态路由算法

(2)动态路由算法

①全局性

OSPF协议与链路状态算法

②分散性

RIP协议与距离向量算法

4.3.4分层次的路由选择协议

AS

路由选择协议

内部网关协议IGP

外部网关协议BGP

4.4 IP数据报格式

4.5 IP数据报分片

4.6 IPv4地址

互联网中的IP地址

分类的IP地址

特殊IP地址

私有IP地址

4.7网络地址转换NAT

IP地址的概念

公网地址和私网地址

公网地址

私网地址

公网地址和私网地址的区别

私网地址的分类

NAT技术

总结

4.8子网划分和子网掩码

子网网络地址的求取

使用子网时的分组转发

例题

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4.1网络层功能概述

主要任务是把分组从源端传送到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。

网络层传输单位是数据报。

1.路由选择与分组转发【最佳路径】

2.异构网络互联

3.拥塞控制

若所有节点都来不及接收分组，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，缓解这种拥塞。

4.2 SDN基本概念

4.3 路由算法与路由协议

4.3.1什么是路由协议？

4.3.2什么是路由算法？

我们知道，网络层的一个主要设备就是路由器，而路由器的主要功能就是进行分组转发和路由选择。为了完成这些功能，路由器就需要进行维护自身的一张路由表。

而维护这张路由表的方法就是路由算法。

提一个概念：

最佳路由：“最佳”只能是相对于某一个特定情况下的出的较为合理的选择而已。

4.3.3路由算法分类

(1)静态路由算法

也叫非自适应路由算法，需要管理员手动配置路由信息。

其优点是：简单，可靠，在负荷稳定，拓扑结构变化不大的网络中运行的效果很好，广泛用于高度安全的军事网络和较小的商业网络。

缺点是：路由更新慢，不适用于大型网络。

(2)动态路由算法

也叫自适应路由算法：路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。

其优点是：路由更新快，适用大型网络，及时响应链路费用或网络拓扑变化。

缺点是：算法复杂，增加网络负担。

①全局性

链路状态路由算法OSPF

所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息。

OSPF协议与链路状态算法

②分散性

距离向量路由算法RIP

路由器只掌握物理相连的邻居及链路费用。

RIP协议与距离向量算法

4.3.4分层次的路由选择协议

由于：

因特网规模很大；

许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还是想连入因特网。

就诞生了分层次的路由选择协议。

AS

自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器都在本自治系统内都必须连通。

路由选择协议

内部网关协议IGP

一个AS内使用的RIP,OSPF

外部网关协议BGP

AS之间使用的BGP

4.4 IP数据报格式

IP数据报分为首部和数据部分，数据部分就是运输层的传输单元，其中有TCP段和UDP段。

版本：表示该数据报的版本是IPv4还是IPv6？

首部长度：单位是4B，最小为5（数据报的首部是强迫症，必须是4B的整数倍）

填充：全0，用来将数据报补成4B的整数倍。

区分服务：指期望获得哪种类型的服务。

总长度：首部加上数据，单位是1B。

生存时间（TTL）：IP分组的保质期。经过一个路由器就会减一，变为零就会被丢弃。

协议：数据部分的协议。

首部检验和：只检验首部。

源地址和目的地址：IP地址为32位。

可选字段：0~40B，用来支持排错，测量以及安全等措施。

标识：同一数据报的分片使用同一标识。

标志：只有2位有意义x _ _

中间位DF（Don’t Fragment）:

 DF=1;禁止分片

 DF=0;允许分片

最低位MF（More Fragment）：

 MF=1，后面还有分片

 MF=0，代表最后一片/没分片

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8B为单位。

除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B的整数倍。

单位长度总结：

4.5 IP数据报分片

先提及一个概念：最大传送单元MTU，其为链路层数据帧可封装数据的上限。(例如:以太网的MTU是1500Byte)。

       如图中一个IP数据报作为一个链路层数据帧的数据部分，假设其超过了这个链路层的最大传送单元呢？

    所以有一个策略就是把该IP数据报进行分片。

    如果某IP数据报不支持分片，那么其将无法在链路上传输下去，因此就会返回一个ICMP的差错报文。

根据链路层的MTU进行分片，除去每一片开头都要加上的首部，身下的就是每一片数据部分的长度。

4.6 IPv4地址

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址。

同身份证号码表示的信息一样，IP地址就是表示一个主机抑或是主机的某个接口，在哪个网络下的地址信息。

IP地址:全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。

IP地址::={<网络号>,<主机号>}

互联网中的IP地址

分类的IP地址

A类地址最大可用网络数要减去全零的还有一个127的环回地址，每个网络中的最大主机数都要减去全零和全一的。

 

特殊IP地址

私有IP地址

4.7网络地址转换NAT

在计算机网络中，每个设备都需要一个唯一的地址来进行通信。这个地址称为IP地址，是Internet协议的基础。IP地址可以分为公网地址和私网地址两种类型。

IP地址的概念

IP地址是Internet协议的一部分，用于在计算机网络中唯一地标识主机。它由32位二进制数表示，通常写成四段用点号分隔的十进制数。例如，192.168.0.1就是一个IP地址。

IP地址可以分为两种类型：IPv4地址和IPv6地址。IPv4地址由32位二进制数组成，因此最多只能表示42亿个地址。而IPv6地址则由128位二进制数组成，可以表示更多的地址。

公网地址和私网地址

公网地址和私网地址是两种不同的IP地址类型，其区别在于它们所在的网络范围和使用方式。

公网地址

公网地址也称为全球唯一IP地址，是指可以直接在Internet上访问的IP地址。这些地址由互联网注册机构分配，具有全球唯一性和全球可达性。

公网地址通常用于互联网上的服务器、路由器和其他网络设备。它们可以直接访问Internet上的其他设备，可以通过Internet进行通信和数据传输。

私网地址

私网地址也称为局域网IP地址，是指在局域网内部使用的IP地址。它们不具有全球唯一性和全球可达性，只能在局域网内部使用。

私网地址通常用于组建局域网，例如家庭网络、企业内部网络、校园网络等。在局域网内部，可以通过私网地址进行设备间的通信和数据传输。但是，如果要访问Internet上的其他设备，必须通过路由器进行转发。

公网地址和私网地址的区别

公网地址和私网地址之间的区别主要体现在以下几个方面：

1. 分配方式不同：公网地址由互联网注册机构分配，而私网地址由局域网管理员自行分配。
2. 使用范围不同：公网地址用于Internet上的设备，私网地址用于局域网内部的设备。
3. 唯一性和可达性不同：公网地址具有全球唯一性和全球可达性，而私网地址只在局域网内部唯一，不具有全球可达性。
4. 转发方式不同：公网地址可以直接访问Internet上的其他设备，而私网地址需要通过路由器进行转发才能访问Internet上的其他设设备。

私网地址的分类

私网地址有三个类别，分别是A类、B类和C类地址。它们的范围如下：

• A类地址：10.0.0.0-10.255.255.255，其中10.0.0.0是网络地址，10.255.255.255是广播地址。
• B类地址：172.16.0.0-172.31.255.255，其中172.16.0.0是网络地址，172.31.255.255是广播地址。
• C类地址：192.168.0.0-192.168.255.255，其中192.168.0.0是网络地址，192.168.255.255是广播地址。

 

这些地址范围是私有地址，可以在局域网内部使用，但是不能在Internet上进行路由。

NAT技术

在局域网内部使用私网地址时，有时需要访问Internet上的其他设备。这时就需要使用NAT技术。

NAT技术可以将私网地址转换成公网地址，从而实现局域网内部设备访问Internet上的其他设备。NAT技术可以分为静态NAT和动态NAT两种。

静态NAT是指在NAT设备上预先配置好一个映射表，将私网地址映射成公网地址。这种方式比较简单，但是需要手动配置映射表，不太适合大规模部署。

动态NAT是指NAT设备在需要时动态地为私网地址分配公网地址。这种方式比较灵活，适合大规模部署，但是需要消耗一定的系统资源。

总结

公网地址和私网地址是IP地址的两种类型，它们分别用于Internet上的设备和局域网内部的设备。私网地址有A类、B类和C类地址，分别对应不同的IP地址范围。使用NAT技术可以实现私网地址访问Internet上的其他设备。理解公网地址和私网地址的区别和应用，对于计算机网络的学习和实际应用非常重要。

4.8子网划分和子网掩码

由于分类的IP地址存在以下弊端：

1. 1. IP地址空间利用率有时很低。
   2. 两级IP地址不够灵活。

故此我们要进行子网划分：

实际上就是将主机号中较高的几位拿出来当做子网号，剩下的部分再作为主机号。

【注意：子网是单位申请到网络号后自己内部划分的事情。】

且主机号不能全0全1，子网号能否全0全1看情况。

某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分。

子网网络地址的求取

 

 

使用子网时的分组转发

路由表中:

• 1.目的网络地址
• 2.目的网络子网掩码
• 3.下一跳地址

路由器转发分组的算法:

• 1.提取目的IP地址
• 2.是否直接交付
• 3.特定主机路由
• 4.检测路由表中有无路径
• 5.默认路由0.0.0.0
• 6.丢弃，报告转发分组出错

 

例题