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期末复习——网络层

来源：博客园

网络层

最后一遍复习的时候再回头整理细节

关注如何将数据包一路发送到接收方，主机之间的逻辑通信。中间可能要经过许多跳hop中间路由器。网络层是处理端到端通信的最底层。so网络层需要知道网络拓扑结构（所有路由器和链路的集合），然后

  1. 选择适合的路径；
  2. 选择合适的路由器！(避免某些通信线路和路由器负载过重，而有的空闲-->更加雨露均沾嘛)；；and收发双方在不同网络时，也会出现新的问题，网络层也要解决。

可以抽象将网络层分成：①数据层面(转发层面)：转发②控制层面：路由选择数据链路层只是把帧的从线路一边传到另外一边，只是小范围的事情。不像网络层稍显宏大。


(资料图)

功能

异构网络互联

把不同的网络相互连接起来，构成更大的网络系统。网络互联：把多个计算机按一定的方法、通过中继系统连接-->构成更大的网络系统。

  • 中继系统：物理层or数据链路层扩大网络；
    • 物理层：转发器、集线器
    • 数据链路层：网桥or交换机——直接交换、存储转发交换
    • 网络层：路由器 router (一台专用计算机)
    • 网络层以上：网关

网络层，仍处于同一个网络，用路由器进行网络互联and路由选择。这种成为实际互联网络。虚拟互联网络(IP网络、互联网)：通过IP协议使得这些网络在网络层看上去像是一个统一的网络。

路由与转发 main主要功能

路由器负责：

  1. 路由选择 ：根据路由选择协议构造路由表，持续更新维护路由表。
  2. 分组转发：处理路由器数据流——转发表查询、转发、相关队列管理、任务调度。

注意：路由器互联多个网络，so有多个IP地址、多个MAC地址。

SDN 软件定义网络

拥塞控制

  • 拥塞：通信子网中(网络层、数据链路层、网络层) 出现过量分组-->网络性能下降。可以通过观察吞吐量--网络负载的关系。轻度拥塞、拥塞、死锁。
  • 拥塞控制 or 流量控制：
    • 流量控制：发送端、接收端之间点对点通信量的控制。抑制发送方发送速率，使接收方来得及接收。
    • 拥塞控制：保证通信子网能够传送待传送的数据，全局性，涉及网络中所有主机、路由器等等。
  • 拥塞控制两种方法
    • 开环控制：事先，静态。系统启动后不再修改
    • 闭环控制：反馈环路，动态。事先，而是及时检测调整解决。

路由算法

两个最短路径算法bellman-Ford算法：距离矢量路由算法的别称。单源最短路径算法Dijkstra算法：用于链路状态层次路由算法中

静态路由 自适应算法

网络管理员手工配置小型网络

动态路由 非自适应算法

根据一定算法优化出来，不断更新适应。

  • 距离-向量路由算法

    距离矢量路由算法 distance vector routingRIP算法、最初ARPANET使用的路由算法。迭代计算

    每个路由器维护一张路由选择表(一个矢量)，定期传送给所有与自己直接相邻的结点。路由选择表：包括①每条路径的目的地(另一结点) ② 路径距离(代价 e.g.RIP算法-->跳数hop)

    所有结点都要参与距离向量交换，保证路由有效且一致。有新路由or有更加路由时更新路由选择表。面临无穷计算问题

  • 链路状态路由算法

    典型链路算法：OSPF算法 开放最短路径优先每个结点都具有完整的网络拓扑信息，1对all一个结点①主动测试所有邻接结点状态 在链路状态发生变化时②将链路状态传播给其他所有结点。(这里用到了泛洪算法)链路状态报文到达时，路由节点更新，然后利用Dijkstra最短路径算法SPFshortest path first 重新计算路由。(从单一源出发到所有结点的最短路径)

    泛洪算法：路由器通过所有端口 向 所有相邻路由器发送信息，每个相邻的路由器又发送给自己所有相邻路由器(不包括刚刚发给它的那一个)。

    运用广泛，用于大型网络and Internet，代替了距离-向量路由算法

  • 层次路由

    因特网将互联网划分成 许多较小的自制系统(一个自制系统包含多个局域网LAN)，每个自制系统有权自主决定系统内使用的路由协议。so两个自制系统之间的通信需要屏蔽掉协议之间的差异，选择协议就分成了IGP 内部网关协议——RIP、OSPFEGP 外部网关协议——BGP边界网关协议最优层数：对于一个包含N个路由器的网络，最优的层数是ln(N)，每个路由器所需的路由器表项 = e ln(N) 个

    • IGP 内部网关协议

    • EGP 外部网关协议

      域间路由选择

广播路由？？

拥塞控制算法

拥塞产生原因多个输入对应一个输出慢处理器，难以完成必要的维护低带宽线路处理拥塞增加资源流量感知路由：绕开拥塞路段，but可能出现摇摆问题准入控制：拒绝新的连接的建立，除非能够带来流量而不变得拥塞。流量调节：拥塞迫在眉睫时，返一个抑制包给源端从而抑制流量。抑制包对经过的每一个路由器都产生作用。负载脱落：以上都无法解决时，路由器还未处理数据包而数据包已经被淹没，直接将数据包丢弃。策略文件传输：wine策略，优先丢弃新数据包。多媒体服务：milk策略，优先丢弃旧数据包。

服务质量 QoS

流：从一个源到一个目标的数据包流流的需求特征：可靠性、延迟、抖动、带宽——决定一个流要求的QoS服务质量。流量整型漏桶算法令牌桶算法md记不住的我不搞了包调度：数据包调度算法，在同一个流的数据包之间and竞争流之间 分配路由器资源的算法。不同数据流可预约的3种潜在资源：1. 带宽 2. 缓冲区 3. CPU周期...不管了不管了什么准入控制

协议

IPv4

IP Internet Protocol，网络之间互联的协议。IP是无连接服务IPv4 header头部字段版本号4b：IPv4.version=4、IPv6.version=6头部长度4b：单位4B-->实际长度 *= 4B(32b)；常用20B的IPv4 header；取值范围( 5 - 15) * 4B总长度 16b：header+data总长度 <= MTU！！最大(216- 1)B = 65535B标识16b：计数器，以便分片后恢复成原数据报。(大于MTU就要分片标志3b：X``DF``MFDon‘t Fragment； More Fragment；DF = 0：允许分片MF = 1后面还有分片；MF = 0最后一个分片片偏移13b：以8B为偏移单位(so除了最后一片，前几个片都是8B倍数TTL生存时间：确保分组不会一直在网络中循环，表示可经过路由器数量最大值路由器分组转发前TTL--；TTL为0时丢弃分组。header checksum 16b：只校验IP header源IP地址4B；目的IP地址4B总长度在第2-3B，跳过前8B是TTL网络层转发分组过程<目的网络，下一跳地址>得到下一跳路由器的IP地址后，是将这个IP地址转换成MAC地址(通过ARP)，把MAC地址放在MAC帧首部，根据MAC地址找到下一跳路由器。**不同网络中MAC帧源地址and目的地址会变，网桥转发帧不改变源地址。)解决IP地址耗尽：1. 采用CIDP无类别编址 2. NAT节省全球IP地址 3. 采用IPv6更大的地址空间

  • IP数据报分片

    分片：在目的地网络层重新组装。e.g. IP数据报=4000B，IP header = 20B、MTU=1500B，分片？有效载荷偏移值单位8Bso先判断1500B-20B = 1480B -->1480B%8B == 0√OK！！data = 4000B-20B = 3980B片0：20B+1480B = 1500B、偏移=0、剩2500B data片1：20B+1480B = 1500B、偏移=1480/8=185、剩1020B data片2：20B+1020B = 1040B、偏移=2*185=370、data 传输完成

    MTU 最大传送单元：MTU严格限制IP数据报长度。要求IP数据报总长度不能超过下面数据链路层的MTU。e.g.以太网帧最大传送单元1500B；不同协议MTU不同。

  • IPv4地址

    32bits xxx.xxx.xxx.xxx，<网络号><主机号>网络号在因特网范围内唯一；主机号在指明的网络范围内唯一；so一个IP地址在因特网范围内唯一。198.16.16.0/21表示网络部分长度为21的一段地址，前21位为网络号。若剩余host部分全1则表示broadcast广播地址。主机号全0：网络本身主机号全1：本网络的广播地址五类A类：0网络号.主.机.号B类：10网络.号.主机.号C类：110网.络.号.主机号D类：多播地址1110多播地址E类：1111xxxx...保留

  • NAT 网络地址转换

    只发生在NAT路由器中，普通路由器转发IP数据报不改变IP地址。NAT路由器看到了端口-->工作在传输层节省IPv4地址的消耗。例一个全球IP可供宿舍4人一起用。专用网络地址-->公用地址，对外隐藏内部管理的IP地址。私有IP(可重用地址)只用于LAN，网关利用NAT将私有IP-->公有IP。

    NAT路由器需要查看and转换传输层端口号。普通路由器只工作在网络层。

  • CIDR 无类别域间路由选择

    缓解IPv4地址紧张问题，消除A/B/C类地址的规定，进行子网划分。前缀长度更加灵活。e.g. 198.16.16.0/21表示网络部分长度为21的一段地址，前21位为网络号。若剩余host部分全1则表示broadcast广播地址。

    使用CIDR时，路由表每一项（网络前缀+下一跳）so查表不止一个结果，就进行最长前缀匹配，匹配**具有最长前缀的路由 **最长前缀匹配(最佳匹配)：e.g. 11100000 0xxx through 11100000 1xxx -->Prefix Matching = 11100000/8

IPv6

更长了 16B的地址。解决IPv4地址短缺/安全问题/允许协议扩充/ 等等等等不想看了

在IPv4里是 2级，IPv6中 是3级

ARP 地址解析协议

完成IP地址-->MAC地址的映射。在网络层工作。因为一台主机发送数据包时最终都必须用到MAC硬件地址，来确定目的接口。每台主机都有ARP高速缓存，存放本地LAN各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表：ARP表。工作原理：A主机想发IP数据报给B主机，查看A的ARP高速缓存中有无B主机IP地址有，查出对应MAC硬件地址，写入MAC帧，发送；无，使用目的MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF封装，广播ARP请求，B收到ARP请求分组后。单播给A主机ARP响应分组，其中包含B主机的IP与MAC地址映射关系。A收到后写入ARP高速缓存中

DHCP 动态主机配置协议

采用C/S 客户端/服务器模型的 基于UDP 的应用层协议允许服务器动态分配IP地址and配置信息给客户端。(IP地址、子网掩码、默认网关

该计算机在自己的网络上广播一个DHCP DISCOVER包。当DHCP服务器收到请求，它就为该主机分配一个空闲的IP地址，并通过DHCP OFFER包返回给主机

ICMP 网际控制报文协议

IP层协议(可以理解成网络层协议两种类型报文：ICMP差错报告报文、ICMP询问报文。ICMP报文作为数据部分+IP头部发出去。应用：ping测试两台主机连通性tracert跟踪分组经过的路由功能：发生意外时，通过ICMP报告差错、错误异常

关键词： 路由选择 拥塞控制 最短路径