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  • 王道 第四章网络层

    作者：进击攻城狮
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    首发时间：2022年9月18日星期日
    订阅专栏：计算机网络
    如果文章有错误，欢迎在评论区指正。

    文章目录

    • 前言
    • 第四章网络层
      • 4.1.1网络层功能概述
            • 网络层
      • 4.1.2电路交换、报文交换与分组交换
            • 网络的掌中宝
            • 为什么要数据交换
            • 数据交换方式
            • 电路交换
            • 报文交换
            • 分组交换
            • 报文交换对比分组交换
      • 4.1.3数据报与虚电路
            • 数据报方式、虚电路方式
            • 几种传输单元名词辨析
            • 数据报
            • 虚电路
      • 4.3.1IP数据报格式
            • TCP/IP协议栈
            • IP数据报格式
      • 4.3.2数据报分片
            • 最大传送单元MTU
            • IP数据报分片例题
      • 4.3.3IPv4地址
            • IP地址
            • IP编址的历史阶段
            • 互联网中的IP地址
            • 分类的IP地址
            • 特殊IP地址
            • 私有IP地址
            • 分类的IP地址
      • 4.3.4网络地址转换NAT
            • 私有IP地址
            • 网络地址转换NAT
      • 4.3.5子网划分与子网掩码
            • 子网划分
            • 子网掩码习题
            • 使用子网时分组的转发
      • 4.3.6无分类编址CIDR
            • 无分类编址CIDR
            • 构成超网
            • 最长前缀匹配
      • 4.3.7ARP协议
            • 发送数据的过程
            • ART协议
      • 4.3.8DHCP协议
      • 4.3.9ICMP协议
            • TCP/IP协议栈
            • 网际控制报文协议ICMP
      • 4.4IPv6
            • 为什么有IPv6?
            • IPv6数据报格式
            • IPv6和IPv4
            • IPv6地址表示形式
            • IPv6基本地址类型
      • 4.5.1RIP协议与距离向量算法
            • 路由选择协议分类回顾
            • RIP协议和谁交换？多久交换一次？交换什么？
            • 距离向量算法
            • 距离向量算法练习
            • 4.5.2OSPF协议与链路状态算法
            • 路由选择协议分类回顾
            • OSPF协议
            • 链路状态路由算法
            • OSPF的区域
            • OSPF分组
            • OSPF其他特点
      • 4.5.3BGP协议
            • 路由选择协议分类回顾
            • BGP协议
            • BGP协议交换信息的过程
            • BGP协议交换信息的过程
            • BGP协议交换信息的过程
            • BGP协议报文格式
            • BGP-4的四种报文
      • 4.6组播
            • IP数据报的三种传输方式
      • 4.7移动IP
            • 移动IP相关术语
            • 移动IP通信过程
      • 4.8网络层设备
            • 路由器
      • 4.9第四章总结

    前言

    第四章网络层

    4.1.1网络层功能概述

    网络层

    主要任务是把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。

    网络层传输单位是数据报

    功能一：路由选择与分组转发

    功能二：异构网络互联

    功能三：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，缓解这种拥塞

    开环控制 静

    闭环控制 动

    4.1.2电路交换、报文交换与分组交换

    网络的掌中宝

    在这里插入图片描述

    为什么要数据交换

    在这里插入图片描述

    数据交换方式

    电路交换

    报文交换

    分组交换：数据报方式，虚电路方式

    电路交换

    报文交换

    报文：源应用发送的信息整体

    在这里插入图片描述

    优点：

    • 无需建立连接
    • 存储转发，动态分配线路
    • 线路可靠性较高
    • 线路利用率较高
    • 多目标服务

    缺点：

    • 有存储转发时延
    • 报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间
    分组交换

    分组：把大的数据块分割成小的数据块

    在这里插入图片描述

    优点：

    1. 无需建立连接
    2. 存储转发，动态分配线路
    3. 线路可靠性较高
    4. 线路利用率较高
    5. 相对于报文交换，存储管理更容易

    缺点：

    • 有存储转发时延
    • 需要传输额外的信息量
    • 乱序到目的主机时，要对分组排序重组
    报文交换对比分组交换

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    三种数据交换方式比较总结

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    4.1.3数据报与虚电路

    数据报方式、虚电路方式

    数据报方式为网络层提供无连接服务

    虚电路方式为网络层提供连接服务

    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

    连接服务：首先为分组的传输确定传输路径，然后沿该路径传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接

    几种传输单元名词辨析

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    数据报

    无连接

    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

    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：基于路由协议/算法构建转发表：检索转发表；每个分组独立选路

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    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，路径上所有结点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，每一项记录了一个打开的虚电路的信息。

    通信过程：

    建立连接–》数据传输–》释放连接

    每个分组携带虚号电路，而非目的地址

    源主机发送呼叫请求，分组收到呼叫应答分组后，才算建立连接

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    4.3.1IP数据报格式

    TCP/IP协议栈

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    IP数据报格式

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    4.3.2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

    以太网的MTU是1500字节

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    IP数据报分片例题

    需要分片为长度不超过1420B的数据报片

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    4.3.3IPv4地址

    IP地址

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    IP编址的历史阶段

    分类的IP地址

    子网的划分

    构成超网(无分类编址方法)

    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>}

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    互联网中的IP地址

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    分类的IP地址

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    特殊IP地址

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    私有IP地址

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    分类的IP地址

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    4.3.4网络地址转换NAT

    私有IP地址

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    路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发

    网络地址转换NAT

    网络地址转换NAT：在专用网连接到因特网的路由器上安转NAT软件，安转了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
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    4.3.5子网划分与子网掩码

    子网划分

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    两级IP地址： 网络号 主机号

    三级IP地址： 网络号 子网号 主机号

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    子网掩码习题

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    使用子网时分组的转发

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    4.3.6无分类编址CIDR

    无分类编址CIDR

    无分类域间路由选择CLDR：

    1.消除了传统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念

    2.融合子网地址与子网掩码，方便子网划分

    CLDR把网络前缀都相同的连续IP地址组成一个CLDR地址块

    128.14.35.7/20

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    构成超网

    将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合

    方法：将网络前缀缩短

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    最长前缀匹配

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    4.3.7ARP协议

    发送数据的过程

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    ART协议

    由于在实际网络的链路上出传输数据帧时，最终使用MAC的映射

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    4.3.8DHCP协议

    静态配置

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    动态配置

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    动态主机配置协议DHCP是应用层协议，使用客户/服务器方式，客户端和服务端通过广播方式进行交互，基于UDP。DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称和IP地址，允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租

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    • 主机广播DHCP发现报文
    • DHCP服务器广播DHCP提供报文
    • 主机广播DHCP请求报文
    • DHCP服务器广播DHCP确认报文

    4.3.9ICMP协议

    TCP/IP协议栈

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    网际控制报文协议ICMP

    ICMP协议支持主机或路由器:

    差错报告-------->发送特定ICMP报文

    网络探询

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    ICMP差错报告报文(5种)

    网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol），可以报告错误信息或者异常情况，ICMP报文封装在IP数据报当中。

    img

    ICMP协议的应用：

    • Ping应用：网络故障的排查；
    • Traceroute应用：可以探测IP数据报在网络中走过的路径。

    4.4IPv6

    为什么有IPv6?

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    IPv6数据报格式

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    IPv6和IPv4

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    IPv6地址表示形式

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    IPv6基本地址类型

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    4.5.1RIP协议与距离向量算法

    路由选择协议分类回顾

    RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单

    RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录

    在这里插入图片描述

    RIP协议和谁交换？多久交换一次？交换什么？

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    距离向量算法

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    距离向量算法练习

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    4.5.2OSPF协议与链路状态算法
    路由选择协议分类回顾

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    OSPF协议

    开放最短路径优先OSPF协议："开放"标明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的：最短路径优先是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF

    OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议

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    所有路由器都能建立一个链路状态数据库，即全网拓扑图

    链路状态路由算法

    1.每个路由器发现它的Hello问候分组，并了解邻居节点的网络地址

    2.设置到它的每个邻居的成本度量metric

    3.构造DD数据库描述分组，向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息

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    OSPF的区域

    为了使OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。

    每一个区域都有一个32位的区域标识符

    区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过200个。

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    OSPF分组

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    OSPF其他特点

    每隔30min，要刷新一次数据库的链路状态

    由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时，OSPF协议要比距离向量协议RIP好得多

    OSPF不存在坏消息传的慢的问题，它的收敛速度很快

    image-20210824203252103

    4.5.3BGP协议

    BGP（Border Gateway Protocol）边际网关协议【应用层】：是运行在AS之间的一种协议,寻找一条好路由：首次交换全部信息，以后只交换变化的部分,BGP封装进TCP报文段.

    路由选择协议分类回顾

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    BGP协议

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    BGP协议交换信息的过程

    BGP所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络1所要经过的一系列AS。当BGP发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达个AS的较好路由
    在这里插入图片描述

    BGP协议交换信息的过程

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    BGP协议交换信息的过程

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    BGP协议报文格式

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    BGP-4的四种报文
    • OPEN报文：用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，并认证发送方
    • UPDATE报文：通告新路径或撤销原路径
    • KEEPALIVE报文：在无UPDATE时，周期性证实邻站的连通性；也作为OPEN的确认
    • NOTIFICATION报文：报告先前报文的差错，也被用于关闭连接
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    4.6组播

    IP数据报的三种传输方式

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    4.7移动IP

    移动IP相关术语

    移动IP技术是移动结点以固定的网络IP地址，实现跨越不同网段的漫游功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变

    移动结点具有永久IP地址的移动设备

    归属代理 一个移动结点拥有的就"居所"称为归属网络，在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体叫做归属代理

    外部代理 在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体称为外部代理

    永久地址 移动站点在归属网络中的原始地址

    转交地址 移动站点在外部网络使用的临时地址

    移动IP通信过程

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    4.8网络层设备

    路由器

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    4.9第四章总结

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/yi_chen_c/article/details/126917687
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