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网络层

郑振宁2024年4月11日大约 10 分钟网络原理理论基础

网络层 **

网络层基本服务

网络层基本服务
网络层基本服务

实现分组在各个网络之间传输：

  • 转发：将分组从路由器的输入端口转移到输出端口。
  • 路由选择：通过路由算法来确定分组从源到目的地址的路径。

二者关系：分组经由路由选择，再转发到指定主机上。

【提示】internet使用TCP/IP协议栈，是目前用户数量最多的互联网。TCP/IP协议栈的网络层使用的是IP协议。

2个分组交换网络 100° **

面向连接的虚电路服务与面向无连接的数据报服务。

分组交换网*
分组交换网*

面向无连接的数据报服务

核心思想：可靠通信由用户主机保证。

实际应用：Internet。

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【解释】无连接的数据报服务（网络）是不需要建立连接。

【错题】

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面向连接的虚电路服务

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二者区别 100°

这是一个考点，二者最本质的区别是：顺序控制、流量控制、差错控制由谁（是主机还是网络）来维护。虚电路网络的可靠通信主要由网络保证，而数据报网络的可靠通信主要由主机保证。对于虚电路网络，顺序控制、流量控制、差错控制均由网络自身保证；对于数据报网络，仅实现路由与转发。

网络层拥塞控制

拥塞控制即用户主机或网络结点通过采取措施避免拥塞发生，或对已发生的拥塞进行处理。

网络层拥塞控制
网络层拥塞控制

拥塞原因

发生拥塞的原因有4：* 缓宽结障。

  1. （缓存）缓冲区的容量有限
  2. （带宽）传输线路的带宽有限
  3. （结点）网络结点处理能力有限
  4. （故障）出现网络故障

拥塞控制措施：

准入控制：广泛应用于虚电路网络的拥塞**预防**技术。若新建立的虚电路会导致网络拥塞，则拒绝建立。

流量调节：网络拥塞时，通过调整发方发送数据的速率来消除拥塞。

负载脱落：选择性地放弃数据报，减轻网络负载。

【*】准入控制是所有拥塞控制措施中唯一一个拥塞预防技术。

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IPV4 100° * **

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因特网（Internet）是目前世界上最大、最重要的计网，因特网（Internet）的网络层包含2个协议：IP、ICMP、路由协议

IP4是为主机（或路由）分配一个全球唯一的32bit的标识符。为了便于阅读，采用点分十进制来表示IP地址，如10.240.15.170

在做和IP地址相关的计算题时，记住8位2进制的每个位的权值，对快速解题有帮助：

2726252423222120
1286432168421

IPv4数据报 100° *

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固定部分（20字节）

版本

占4比特，表示IP协议的版本。

首部长度 100° *

占4比特，表示IP数据报首部的长度，该字段的取值**以4字节为单位**。

最小十进制取值为5，表示IP数据报首部只有20字节固定部分。

最大十进制取值为15，表示IP数据报首部包含20字节固定部分和最大40字节可变部分。

区分服务
总长度

战16比特，表示IP数据报的总长度（=首部+数据载荷），最大取值为十进制的65535，以字节为单位。

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标识、标志、片偏移 100° *

这三个字段用于IP数据报分片。

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生存时间
协议

占8比特，表示指明IPV4数据报的数据部分是何种协议数据单元。

常用的一些协议和相应协议字段值：

协议名称ICMPIGMPTCPUDPIPV6OSPF
协议字段值126174189
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首部校验和
源IP地址、目的IP地址

各占32比特，源IP地址发送数据，目的IP地址接收数据。

可变部分（40字节）

可选字段
填充

用于确保**首部长度**为4字节的整数倍，使用==全0==进行填充。

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IPv4分类编址*

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网络号范围及默认子网掩码需记熟：

A类B类 *C类 *D类E类
网络号范围0~127128~191192~223224~239240~255
默认子网掩码255.255.0.0255.255.255.0--

IPv4子网划分

IPv4子网划分
IPv4子网划分

32比特的分类IP地址，通过子网掩码求得其所在子网的网络地址：

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【例】已知某个网络的地址为218.75.230.0，使用子网掩码255.255.255.128对其进行子网划分，请给出划分细节：

【思路】看到IPv4分类地址，需要确定2个东西：

  1. 确定其属于哪一类（ABCDE?）
  2. 确定其默认子网掩码是什么？
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【例】已知某个网络的地址为218.75.230.0，使用子网掩码255.255.255.192对其进行子网划分，请给出划分细节：

【思路】看到IPv4分类地址，需要确定2个东西：

  1. 确定其属于哪一类（ABCDE？）
  2. 确定其默认子网掩码是什么？
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为什么以及怎么样进行子网划分？

  1. 子网划分可以提高IP地址利用率；
  2. 子网划分的策略有两种：子网划分、超网化。
  3. 子网的划分与主机号相关。

如何知道一个子网的规模有多大？

知道一个子网的规模，前提需知道:

  1. 子网地址

  2. 子网的网络前缀或子网的子网掩码，

才可以通过计算得出该子网的规模大小。

比如：213.111.0.0/24是一个C类网络地址； 213.111.0.0/23是一个超网，包括了213.111.0.0/24和213.111.1.0/23。

子网掩码

32比特的子网掩码可以表名分类IP地址的主机号部分被借用了几个比特作为子网号。

IPv4数据报分片

IPv4数据报分片
IPv4数据报分片

可以参考这篇。

最大传输单元MTU

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分片

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分片公式

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IPV4的应用规划

应用规划有两种方式（自考🙅）：

  1. 定长的子网掩码（FLSM）
  2. 变长的子网掩码（VLSM）

应试技巧 * *

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解题思路：

172.32.1.113 → 需要知道这个IP属于ABCDE中哪一类的地址。

首字节为172，属于B类网，B类网的子网掩码：255.255.0.0

因此，可得该IP的网络地址为：172.32.0.0。

该网络的IP地址范围为：172.32.0.1~172.32.0.255，其中可分配IP（减去广播地址和子网地址）

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可得：

（1）：172.32.0.0

（2）：IP地址范围：172.32.0.0~172.32.0.255

（3）：可分配IP地址范围：172.32.0.1~172.32.0.254

（4）：广播地址：172.32.1.255

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已知IP和子网掩码： *

  1. 按位与运算[^ ∧ ] IP ∧ 子网掩码 = 子网地址
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点分十进制 转 二进制，然后按位与运算，即可求得IP的子网地址。

  1. 按位或运算[^ ∨] IP ∨ 子网掩码的反码 = 广播地址
  2. 网络地址即主机号全为“0”

IPv6 *

IPv6
IPv6

IPv6 数据报

IPV6地址长度：128位（8组16位 8✖️16=128位）。此前的IPV4只有32位。

IPV6地址格式

  • 首选格式
  • 压缩格式
  • 内嵌IPv4的IPv6

首选格式：冒号十六进制表示法

fe80:0000:0001:0000:0440:44ff:1233:5678
5000:0000:00A1:0128:4500:0000:89CE:ABCD
8000:0000:0000:0000:4321:0501:AB96:45CD

压缩格式：存在连续的多个0000，可以用::代替，且==::有且仅当出现一次==。

// 首选格式
8000:0000:0000:0000:4321:0501:AB96:45CD
// 压缩格式
8000::4321:0501:AB96:45CD

内嵌IPv4的IPv6

0:0:0:0:0:0:192.168.12.1 OR ::192.168.12.1
0:0:0:0:0:FFFF:192.168.12.1 OR ::FFFF:192.168.12.1

IPV6地址包括：单播地址、组播地址、任播地址。

  • 单播地址：用来唯一标识主机、路由器接口，可作为源地址、目的地址
  • 组播地址：用来标识网络中一组主机，可作为目的地址
  • 任播地址：和组播一样。

组播与任播的区别：向组播发送数据报时，组播地址标识的多播组的每个成员都会收到数据报副本；向任播发送数据报时，仅有该任播地址标识的任播组的某个成员才能收到数据报。

【错题】

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【解】考查::的用法。

【错题】1904卷

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【解】考查::的用法。

ICMP *

ICMP（互联网控制报文协议）
ICMP（互联网控制报文协议）
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ICMP主要功能：用于差错报告（发差错报告报文）、网络探测（询问报文）。

分组网间探测（ping）

# ping www.baidu.com
yibudeMacBook-Pro:~ yibu ping www.baidu.com
PING www.a.shifen.com (39.156.66.18): 56 data bytes
64 bytes from 39.156.66.18: icmp_seq=0 ttl=48 time=40.216 ms
64 bytes from 39.156.66.18: icmp_seq=1 ttl=48 time=41.063 ms

路由跟踪（trace）：看IP数据报从源主机到目的主机途径的路由器

# traceroute www.baidu.com
yibudeMacBook-Pro:~ yibu traceroute www.baidu.com
traceroute: Warning: www.baidu.com has multiple addresses; using 39.156.66.14
traceroute to www.a.shifen.com (39.156.66.14), 64 hops max, 52 byte packets
 1  192.168.1.1 (192.168.1.1)  1.894 ms  1.552 ms  1.973 ms
 2  100.110.208.1 (100.110.208.1)  5.050 ms  5.410 ms  5.825 ms
 3  111.9.58.5 (111.9.58.5)  5.531 ms  7.129 ms  4.205 ms
 4  *

DHCP

DHCP（动态主机配置协议）
DHCP（动态主机配置协议）

NAT

NAT（网络地址转换）
NAT（网络地址转换）

参考这篇。

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20180317145204964
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公、私、内、外网

参考这篇。

DNAT、SNAT、VPN

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路由选择 **

路由选择**
路由选择**

路由选择算法

比对项静态路由选择动态路由选择==*==
配置方式人工自动
特点开销小，易实现。
不能及时适应网络（流量、拓扑）变化		开销大，较复杂。
能较好地适应网络变化
适用场景小规模网络大规模网络

以因特网为例：

截屏2020-10-04 14.44.21
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路由选择协议

常见的路由选择协议
常见的路由选择协议

路由器

有多个输入端口和输出端口的专用计算机，用来转发分组。

路由器
路由器

路由器：

截屏2020-09-24 21.51.23
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1：物理层；2：数据链路层；3：网络层

组成作用图例
输入端口接收信号、还原帧、提取IP数据报、检索路由表、决策输出端口截屏2020-09-24 22.01.13
交换结构将IP数据报从输入端口送到输出端口截屏2020-09-24 22.01.46
输出端口有一个队列；会对分组进一步封装截屏2020-09-24 22.01.59
路由选择处理器CPU，执行各种指令

应试

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【标准答案】

① 主机A将数据发送到交换机接口1，交换机监测数据，发现目的MAC地址是主机B。

② 交换机检索路由表，没有找到主机B的索引数据，开始洪泛。将数据发给除主机A以外的所有主机。

③ 主机B接收到数据后，对A进行回复；其他主机丢弃数据。

④ 交换机收到来自主机B的数据，把主机B的MAC地址和接口信息记录到路由表中

⑤ 交换机根据数据报中的目的源信息，将数据发送给主机A。

上次编辑于: 2024/12/14 08:56:19
贡献者: 一步
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