计算机网络4-网络层

网络层的几个重要概念

网络层提供的两种服务

网络层的两个层面

数据层/控制层

• 数据层面：路由器根据本路由器生成的转发表，把收到的分组从查找到的对应接口转发出去。

• 控制层面：根据路由选择协议所用的路由算法计算路由，创建出本路由器的路由表。

软件定义网络 SDN 中的数据层面和控制层面

网际协议IP

与 IP 协议配套使用的还有三个协议：

• 地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）

• 网际控制报文协议 ICMP（Internet Control Message Protocol）

• 网际组管理协议 IGMP（Internet Group Management Protocol）

虚拟互联网络

使用中间设备进行互连

使用转发器或网桥不称为网络互联，仅仅是把一个网络扩大了，仍然是一个网络。

IP 网的意义

• 使用 IP 协议，可以把异构的物理网络连接起来，使得在网络层看起来好像是一个统一的网络。

• 如果在这种覆盖全球的 IP 网的上层使用 TCP 协议，那么就是现在的互联网 (Internet)。

IP地址

IP 地址的编址方式经历了三个历史阶段：

• 分类

• 子网划分

• 无分类

IP地址及其表达方式

IP 地址：32 位二进制代码，分为每 8 位为一组

IP地址采用二级结构

IP 地址 ::= {<net-id>, <host-id>}

分类的IP地址

各类 IP 地址的指派范围

• 指派时要扣除全 0 和全 1 的主机号。

无分类编址CIDR

CIDR (Classless Inter-Domain Routing) ：无分类域间路由选择。

无分类编址 CIDR 消除了传统 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，使用网络前缀和主机号来对 IP 地址进行编码，网络前缀的长度可以根据需要变化。

IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}

• 网络前缀：前缀的位数 n 不固定，可以在 0 ~ 32 之间选取任意值

CIDR 记法：斜线记法 (slash notation)a.b.c.d / n：二进制 IP 地址的前 n 位是网络前缀。

例如128.14.35.7/20：前 20 位是网络前缀。

• 地址块：CIDR 把网络前缀都相同的所有连续的 IP 地址组成一个 CIDR 地址块。

• 地址掩码：又称为子网掩码 ，由一连串 1 和接着的一连串 0 组成，而 1 的个数就是网络前缀的长度。

/20 地址块的地址掩码：11111111 11111111 11110000 00000000

例题

13. (单选题, 2分)某网络的IP地址空间为192.168.5.0/24，采用定长子网划分，子网掩码为255.255.255.248，则该网络中的最大子网个数、每个子网内的最大可分配地址个数分别是

• A. 32，8

• B. 32，6

• C. 8，32

• D. 8，30

我的答案:B:32，6;正确答案:B:32，6;

网络地址 = (二进制的 IP 地址) AND (地址掩码)

把这种通过使用网络前缀来减少路由表项的方式称为路由聚合，也称为 构成超网 。

在路由表中的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成，在查找时可能会得到不止一个匹配结果，应当采用最长前缀匹配来确定应该匹配哪一个。

三个特殊的CIDR地址块

IP地址的特点

• 每个 IP 地址都由网络前缀和主机号两部分组成。

• IP 地址是标志一台主机（或路由器）和一条链路的接口。

• 转发器或交换机连接起来的若干个局域网仍为一个网络。

• 在 IP 地址中，所有分配到网络前缀的网络都是平等的。

同一个局域网上的主机或路由器的IP 地址中的网络号必须一样。

路由器的每一个接口都有一个不同网络号的 IP 地址。

IP地址与MAC地址

• IP地址：虚拟地址、软件地址、逻辑地址。网络层和以上各层使用。放在 IP 数据报的首部。

• MAC地址：固化在网卡上的 ROM 中。硬件地址、物理地址。数据链路层使用。放在 MAC 帧的首部。

从协议栈的层次上看 IP 地址和 MAC 地址

地址解析协议APR

问题：已经知道了一个机器（主机或路由器）的 IP 地址，如何找出其相应的 MAC 地址？

ARP (Address Resolution Protocol ) 作用：从 IP 地址解析出 MAC 地址。

• APR高速缓存

• 存放 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

• 映射表动态更新（新增或超时删除）：超过生存时间的项目都从高速缓存中删除，以适应网络适配器变化

• APR工作

• ARP 查找 IP 地址对应的 MAC地址

• 在局域网上广播发送 ARP 请求（路由器不转发 ARP 请求）。

• ARP 请求分组：包含发送方硬件地址 / 发送方 IP 地址 / 目标方硬件地址(未知时填 0) / 目标方 IP 地址。

• 单播 ARP 响应分组：包含发送方硬件地址 / 发送方 IP地址 / 目标方硬件地址 / 目标方 IP 地址。

• ARP 分组封装在以太网帧中传输。

如果两台主机不在同一个局域网上：

通信的路径：A → 经过 R1 转发 → B。因此主机 A 必须知道路由器 R1 的 IP 地址，解析出其 MAC 地址。然后把 IP 数据报传送到路由器 R1。

16. (单选题, 2分)位于不同子网中的主机之间相互通信时，下列说法中正确的是

A. 路由器在转发IP数据报时，重新封装源硬件地址和目的硬件地址

数据包到达路由器：
1. 检查目的IP地址，确定下一跳
2. 查询ARP表获取下一跳的MAC地址
3. 重新封装链路层帧头：
   源MAC地址 = 路由器出接口的MAC地址
   目的MAC地址 = 下一跳设备的MAC地址

为什么要使用两种地址：IP地址和MAC地址

MAC地址之间的转换非常复杂。IP编址把这个复杂问题解决了，连接到互联网的主机只需各自拥有一个唯一的 IP 地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，即使必须多次调用 ARP 来找到 MAC 地址，但这个过程都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见的。因此，在虚拟的 IP 网络上用 IP 地址进行通信非常方便。

IP数据报的格式

• 版本：有4（IPv4）和6（IPv6）两个值；

• 首部长度：占4位，因此最大值为15。值为1表示的是1个32位字的长度，也就是4字节。因为固定部分长度为20字节，因此该值最小为5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充。

• 区分服务：用来获得更好的服务，一般情况下不使用

• 总长度：包括首部长度和数据部分长度

• 生存时间：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当TTL为0时就丢弃数据报。 ；

• 协议：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如ICMP、TCP、UDP等

• 首部检验和：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算校验和，因此校验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。

• 标识：占 3 位，目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF=1 表示后面还有分片，MF=0 表示最后一个分片。标志字段中间的一位是 DF (Don't Fragment) 。只有当 DF=0 时才允许分片。

• 片偏移：和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为8字节。

IP层转发分组的过程

基于终点的转发

• 分组在互联网中是逐跳转发的。

• 基于终点的转发：基于分组首部中的目的地址传送和转发。

为了压缩转发表的大小，转发表中最主要的路由是（目的网络地址，下一跳地址） ，而不是（目的地址，下一跳地址）。查找转发表的过程就是逐行寻找前缀匹配。

最长前缀匹配

• 使用 CIDR 时，在查找转发表时可能会得到不止一个匹配结果。

• 最长前缀匹配 (longest-prefix matching) 原则：选择前缀最长的一个作为匹配的前缀。

转发表中两种特殊的路由

• 主机路由：

• 是对特定目的主机的 IP 地址专门指明的一个路由。

• 网络前缀就是 a.b.c.d/32放在转发表的最前面。

• 默认路由

• 不管分组的最终目的网络在哪里都由指定的路由器 R 来处理

• 用特殊前缀 0.0.0.0/0 表示。

路由分组转发算法

使用二叉线索查找转发表

网际控制报文协议ICMP

ICMP (Internet Control Message Protocol) 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP 是互联网的标准协议。但 ICMP 不是高层协议，而是 IP 层的协议。

ICMP报文的种类

• 差错查询报文

• 询问报文

ICMP的应用举例

ping

Ping 是 ICMP 的一个重要应用，主要用来测试两台主机之间的连通性。

Ping 的原理是通过向目的主机发送 ICMP Echo 请求报文，目的主机收到之后会发送 Echo 回答报文。Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率。

Traceroute

Traceroute 是 ICMP 的另一个应用，用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。

Traceroute 发送的 IP 数据报封装的是无法交付的 UDP 用户数据报，并由目的主机发送终点不可达差错报告报文。它利用 IP 数据报中的 TTL 字段、ICMP 时间超过差错报告报文和ICMP 终点不可达差错报告报文实现对从源点到终点的路径的跟踪。

• 源主机向目的主机发送一连串的 IP 数据报。第一个数据报 P1 的生存时间 TTL 设置为 1，当 P1 到达路径上的第一个路由器 R1 时，R1 收下它并把 TTL 减 1，此时 TTL 等于 0，R1 就把 P1 丢弃，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报告报文；

• 源主机接着发送第二个数据报 P2，并把 TTL 设置为 2。P2 先到达 R1，R1 收下后把 TTL 减 1 再转发给 R2，R2 收下后也把 TTL 减 1，由于此时 TTL 等于 0，R2 就丢弃 P2，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报文。

• 不断执行这样的步骤，直到最后一个数据报刚刚到达目的主机，主机不转发数据报，也不把 TTL 值减 1。但是因为数据报封装的是无法交付的 UDP，因此目的主机要向源主机发送 ICMP 终点不可达差错报告报文。

• 之后源主机知道了到达目的主机所经过的路由器 IP 地址以及到达每个路由器的往返时间。

IPv6

IPv4 地址耗尽问题促使了具有更大地址空间的新版本IP的出现。、

IPv6的基本首部

IPv6 仍支持无连接的传送。将协议数据单元 PDU 称为分组 (packet) 。

主要变化有：

• 更大的地址空间。 将地址从 IPv4 的 32 位 增大到了 128 位。

• 扩展的地址层次结构。可以划分为更多的层次。

• 灵活的首部格式。定义了许多可选的扩展首部。

• 改进的选项。允许数据报包含有选项的控制信息，其选项放在有效载荷中

• 允许协议继续扩充。更好地适应新的应用。

• 支持即插即用（即自动配置）。不需要使用 DHCP。支持资源的预分配。

• 支持实时视像等要求保证一定的带宽和时延的应用。

• IPv6 首部改为 8 字节对齐。首部长度必须是 8 字节的整数倍。

IPv6数据报的一般形式

两大部分：基本首部/有效载荷：

有效载荷也称为净负荷。有效载荷允许有零个或多个扩展首部 (extension header)，再后面是数据部分。

• 版本：对 IPv6 该字段总是 6。

• 通信量类： 8 位。这是为了区分不同的 IPv6 数据报的类别或优先级。目前正在进行不同的通信量类性能的实验。

• 流标号：20 位。 “流”是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报， “流”所经过的路径上的路由器都保证指明的服务质量。所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标号。

• 有效载荷长度(payload length)：16 位。它指明 IPv6 数据报除基本首部以外的字节数（所有扩展首部都算在有效载荷之内），其最大值是 64 KB。

• 下一个首部：8 位。相当于 IPv4 的协议字段或可选字段。

• 跳数限制： 8 位。源站在数据报发出时即设定跳数限制。路由器在转发数据报时将跳数限制字段中的值减 1。当跳数限制的值为零时，就要将此数据报丢弃。

• 源地址：128 位。是数据报的发送站的 IP 地址。

• 目的地址： 128 位。是数据报的接收站的 IP 地址。

IPv6的地址

三种基本类型：

• 单播 (unicast)：传统的点对点通信。

• 多播 (multicast)：一点对多点的通信。

• 任播 (anycast)：IPv6 增加的一种类型。任播的终点是一组计算机，但数据报在交付时只交付其中的一个。通常是按照路由算法得出的距离最近的一个。

冒号十六进制记法：在 IPv6 中，每个地址占 128 位，16 位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。

零压缩，点分十进制记法的后缀

从IPv4向Ipv6过渡

两种过渡策略：使用双协议栈和隧道技术

ICMPv6

IPv6 也需要使用 ICMP 来反馈一些差错信息。新的版本称为 ICMPv6

互联网的路由选择协议

路由选择协议都是自适应的，能随着网络通信量和拓扑结构的变化而自适应地进行调整。

互联网可以划分为许多较小的自治系统 AS，一个 AS 可以使用一种和别的 AS 不同的路由选择协议。

可以把路由选择协议划分为两大类：

• 自治系统内部的路由选择(域内路由选择IGP）：RIP(距离向量) 和 OSPF(链路状态)

• 自治系统间的路由选择(域间路由选择EGP)：BGP(路径向量)

内部网关协议RIP

路由信息协议 RIP (Routing Information Protocol) 是一种分布式的、基于距离向量的路由选择协议。

跳数(hop count)：每经过一个路由器，跳数就加 1。

特点：

• 仅和相邻路由器交换信息。

• 交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。

• 按固定时间间隔交换路由信息

路由表主要信息：目的网络 距离（最短） 下一跳地址

路由表更新原则：使用距离向量算法找出到达每个目的网络的最短距离。

距离向量算法

对每个相邻路由器（假设其地址为 X）发送过来的 RIP 报文，路由器：

(1) 修改 RIP 报文中的所有项目（即路由）：把“下一跳”字段中的地址都改为 X，并把所有的“距离”字段的值加 1。

(2) 对修改后的 RIP 报文中的每一个项目，重复以下步骤：

若路由表中没有目的网络N，则把该项目添加到路由表中。否则

若路由表中网络 N 的下一跳路由器为 X，则用收到的项目替换原路由表中的项目。否则

若收到项目中的距离小于路由表中的距离，则用收到项目更新原路由表中的项目。否则

什么也不做。

(3) 若 3 分钟还未收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由器记为不可达路由器，即将距离置为 16（表示不可达）。

(4) 返回。

例：

RIP 协议实现简单，开销小。但是 RIP 能使用的最大距离为 15，限制了网络的规模。并且当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此消息传送到所有路由器。

内部网关协议OSPF

开放最短路径优先 OSPF (Open Shortest Path First)是为了克服 RIP 的缺点而开发出来的。使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF，采用分布式的链路状态协议 (link state protocol)。 现在使用 OSPFv2。

OSPF 具有以下特点：

• 向本自治系统中的所有路由器发送信息，这种方法是洪泛法。

• 发送的信息就是与相邻路由器的链路状态，链路状态包括与哪些路由器相连以及链路的度量，度量用费用、距离、时延、带宽等来表示。

• 只有当链路状态发生变化时，路由器才会发送信息。

所有路由器都具有全网的拓扑结构图，并且是一致的。相比于 RIP，OSPF 的更新过程收敛的很快。

工作过程

• 确定邻站可达。相邻路由器每隔 10 秒钟要交换一次问候分组。若有 40 秒钟没有收到某个相邻路由器发来的问候分组，则可认为该相邻路由器是不可达的

• 同步链路状态数据库。

• 同步：指不同路由器的链路状态数据库的内容是一样的。

• 两个同步的路由器叫做完全邻接的 (fully adjacent) 路由器

• 更新链路状态:只要链路状态发生变化，路由器就使用链路状态更新分组，采用可靠的洪泛法向全网更新链路状态。

路由器角色

内部路由器（IR）：所有接口都在同一区域
区域边界路由器（ABR）：连接多个区域，汇总路由
骨干路由器（BR）：至少一个接口在Area 0
自治系统边界路由器（ASBR）：连接其他AS，引入外部路由

外部网关协议BGP

BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。

AS 之间的路由选择很困难，主要是由于：

• 互联网规模很大；

• 各个 AS 内部使用不同的路由选择协议，无法准确定义路径的度量；

• AS 之间的路由选择必须考虑有关的策略，比如有些 AS 不愿意让其它 AS 经过。

BGP 只能寻找一条比较好的路由，而不是最佳路由。采用了路径向量 (path vector) 路由选择协议。

每个 AS 都必须配置 BGP 发言人，通过在两个相邻 BGP 发言人之间建立 TCP 连接来交换路由信息。

BGP 路由 = [ 前缀, BGP属性 ] = [ 前缀, AS-PATH, NEXT-HOP ]

前缀：指明到哪一个子网（用 CIDR 记法表示）。

BGP 属性：最重要的两个属性是

• 自治系统路径 AS-PATH

• 下一跳 NEXT-HOP。

在属性 AS-PATH 中，不允许出现相同的 AS 号。

BGP的路由选择

• 本地偏好 (local preference) 值最高的路由 （默认值=100）

• AS 跳数最小的路由

• 使用热土豆路由选择算法（分组在 AS 内的转发次数最少）

• 路由器 BGP ID 数值最小的路由。具有多个接口的路由器有多个 IP 地址，BGP ID 就使用该路由器的 IP 地址中数值最大的一个

25. (单选题, 2分)直接封装RIP、OSPF、BGP报文的协议分别是（ D ）。

• A. TCP、UDP、IP

• B. TCP、IP、UDP

• C. UDP、TCP、IP

• D. UDP、IP、TCP

路由器的构成

路由器工作在网络层，用于互连网络，用于转发分组。

常用交换方法有三种：通过存储器、通过总线、通过纵横交换结构

IP多播

一对多通信：一个源点发送到许多个终点。

在 IP 多播数据报的目的地址需要写入多播组的标识符。多播组的标识符就是 IP 地址中的 D 类地址（多播地址）。 地址范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255每一个 D 类地址标志一个多播组。

多播地址只能用于目的地址，不能用于源地址。

多播数据报

多播数据报和一般的 IP 数据报的区别：目的地址：使用 D 类 IP 地址。协议字段 = 2，表明使用网际组管理协议 IGMP。

尽最大努力交付，不保证一定能够交付多播组内的所有成员。

对多播数据报不产生 ICMP 差错报文。在 PING 命令后面键入多播地址，将永远不会收到响应

网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)使多播路由器知道多播组成员信息（有无成员）。

多播路由选择协议使多播路由器协同工作，把多播数据报用最小代价传送给多播组的所有成员。

多播路由选择：

转发多播数据报时使用三种方法：

• 洪泛与剪除

• 隧道技术 (tunneling)

• 基于核心的发现技术

虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

虚拟专用地址VPN

由于 IP 地址的紧缺，一个机构能申请到的 IP 地址数往往远小于本机构所拥有的主机数。并且一个机构并不需要把所有的主机接入到外部的互联网中，机构内的计算机可以使用仅在本机构有效的 IP 地址（专用地址）。

有三个专用地址块：

• 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255

• 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255

• 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

VPN 使用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。专用指机构内的主机只与本机构内的其它主机通信；虚拟指好像是，而实际上并不是，它有经过公用的互联网。

下图中，场所 A 和 B 的通信经过互联网，如果场所 A 的主机 X 要和另一个场所 B 的主机 Y 通信，IP 数据报的源地址是 10.1.0.1，目的地址是 10.2.0.3。数据报先发送到与互联网相连的路由器 R1，R1 对内部数据进行加密，然后重新加上数据报的首部，源地址是路由器 R1 的全球地址 125.1.2.3，目的地址是路由器 R2 的全球地址 194.4.5.6。路由器 R2 收到数据报后将数据部分进行解密，恢复原来的数据报，此时目的地址为 10.2.0.3，就交付给 Y。

网络地址转换NAT

专用网内部的主机使用本地 IP 地址又想和互联网上的主机通信时，可以使用 NAT 来将本地 IP 转换为全球 IP。

在以前，NAT 将本地 IP 和全球 IP 一一对应，这种方式下拥有 n 个全球 IP 地址的专用网内最多只可以同时有 n 台主机接入互联网。为了更有效地利用全球 IP 地址，现在常用的 NAT 转换表把传输层的端口号也用上了，使得多个专用网内部的主机共用一个全球 IP 地址。使用端口号的 NAT 也叫做网络地址与端口转换 NAPT。

多协议标记交换MPLS

软件定义网络SDN简介