第四章：網絡層

一、網絡層服務

（一）網絡層需要實現兩項重要功能：轉發(fā)、路由選擇和連接建立。

1. 轉發(fā)：將分組從路由器的輸入端口轉移到合適的輸出端口。

2. 路由選擇：確定分組從源到目的地所經過的路徑算法被稱為路由算法

二、數據報網絡與虛電路網絡

都是分組交換

（一）數據報網絡（無連接服務）

源主機每要發(fā)送一個分組，就為該分組加上目的主機地址，然后將該分組推進網絡。每個路由器使用分組的目的主機地址轉發(fā)分組。

數據報網絡按照目的主機地址進行路由選擇的網絡稱為數據報網絡，提供無連接服務。網絡設備依據分組的目的地址進行轉發(fā)。

（二）虛電路網絡（面向連接）

虛電路（VCID）：源主機到目的主機的一條路徑上建立的一條網絡層邏輯連接。

虛電路網絡：在網絡層提供面向連接的分組交換服務。雙方通信前先虛電路建立連接，通信結束后在拆除連接。

應用：虛電路網絡在網絡層提供面向連接的分組交換服務，一條從源主機到目的主機的路徑。

構成：一條虛電路（VCID）由3個要素構成：
（1）從源主機到目的主機之間的一條路徑。
（2）該路徑上的每條鏈路各有一個虛電路標識（VCID），網絡設備依據該VCID轉發(fā)分組。
（3）該路徑上每臺分組交換機的轉發(fā)表中記錄虛電路標識的接續(xù)關系。

（三）虛電路分組交換的類型

永久型虛電路（PVC）：是一種提前建立、長期使用的虛電路，虛電路的建立時間開銷基本上可以忽略。

交換型虛電路（SVC）：是根據通信需要而臨時建立的虛電路，通信結束后立即拆除，虛電路的建立和拆除時間開銷有時相對影響較大。

（四）虛電路交換與數據報交換比較如何判斷哪種交換更適合？是將順序控制、差錯控制和流量控制等功能交由網絡來完成，還是由端系統(tǒng)來完成。

1. 虛電路網絡通常由網絡完成這些功能，向端系統(tǒng)提供無差錯數據傳送服務，而端系統(tǒng)則可以很簡單。

2. 數據報網絡實現的功能很簡單，如基本的路由轉發(fā)，順序控制、差錯控制和流量控制等功能則由端系統(tǒng)來完成。

3. 在建立VCID（虛電路）時需要路由選擇，之后所有分組都沿此路由轉發(fā)；數據報對每個分組獨立選擇。

4. 虛電路的分組順序：按序發(fā)送，按序接收；數據報的分組順序：按序發(fā)送，不一定按序接收。

三、網絡互連與網絡互連設備

（一）異構網絡主要是指兩個網絡的通信技術和運行協議不同，實現異構網絡互連的基本策略主要包括協議轉換（采用一類支持異構網絡之間協議轉換的網絡中間設備，來實現異構網絡之間數據分組的轉換與轉發(fā)）和構建虛擬互聯網絡。而實現同構網絡互連的典型技術則是隧道技術。

數據鏈路層：交換機? ? 網絡層：路由器? ?物理層：集線器、中繼器

（二）路由器是最典型的網絡層設備，從功能體系結構的角度，可將路由器分為輸入端口、交換結構、輸出端口與路由處理器。

1. 輸入端口：負責從物理接口接收信號；還原數據鏈路層幀；提取IP數據報，根據lP數據報的目的lP地址檢索路由表；決策需要將該IP數據報交換到哪個輸出端口。

2. 交換結構：實現將輸入端口的IP數據報交換到指定的輸出端口，主要基于三種交換結構：基于內存交換（性能最低也最便宜）、基于總線交換和基于網絡交換（性能最好也最貴）。

3. 輸出端口：提供緩存排隊功能，對將要發(fā)送的分組進行相應的封裝，并通過物理端口發(fā)送出去。

4. 路由處理器：即路由器的CPU，負責執(zhí)行路由器的各種指令。路由協議運行，路由計算以及路由表的更新和維護。

四、網絡層擁塞控制

（一）網絡擁塞

用戶對網絡資源的總需求超過網絡固有的容量。

擁塞控制定義：擁塞控制就是端系統(tǒng)或網絡結點，通過采取某種措施來避免擁塞的發(fā)生，或者對已發(fā)生的擁塞做出反應，以便盡快消除擁塞。

發(fā)生擁塞的原因主要有以下4種：
（1）緩沖區(qū)容量有限。
（2）傳輸路線的帶寬有限。
（3）網絡結點的處理能力有限。
（4）網絡中某些部分發(fā)生了故障。

典型的擁塞控制方法有：流量感知路由、準入控制、流量調節(jié)和負載脫落。

（1）流量感知路由：將網絡流量引導到不同的鏈路上，均衡網絡負載，從而避免擁塞發(fā)生。

（2）準入控制：是一種廣泛應用于虛電路網絡的擁塞預防技術。 審核新建虛電路，如果新虛電路會導致網絡擁塞，那么網絡拒絕建立該新虛電路。

（3）流量調節(jié)：在網絡發(fā)生擁塞時，可以通過調整發(fā)送方向網絡發(fā)送數據的速率來消除擁塞。具體有抑制分組、背壓 。

（4）負載脫落：通過有選擇地主動丟棄一些數據報，來減輕網絡負載，從而緩解或消除擁塞。

抑制分組：感知到用時的路由器選擇一個被擁塞的數據報，給該數據報的源主機返回一個抑制分組。

背壓：一只分組在從擁塞結點到源結點的路徑上的每一跳，都發(fā)揮抑制作用。

五、Internet網絡層

（一）IPv4協議

Internet網絡層最核心的協議

定義了如何封裝上層協議(如UDP/TCP的報文段)

定義了Internet網絡層尋址以及如何轉發(fā)IP數據報等內容

Internet是目前世界上最大、最重要的計算機網絡，Internet網絡層主要包括網際協議（IP）、路由協議以及互聯網控制報文協議（lCMP）。

IP目前有兩個版本：lPv4和lPv6，目前Internet以IPv4為主。lP是Internet網絡層最核心的協議。

（二）lP數據報格式

版本號：4位。IP的版本號

首部長度：4位。IP數據報的首部長度20B-60B

區(qū)分服務：8位。在舊標準中成為服務類型字段，用來指示期望獲得哪種類型的服務

數據長度：16位。IP數據報的總字節(jié)數

生存時間：8位。Time-To-Live，TTL。表示IP數據報在網絡中可以通過的路由器數

上層協議：8位指示該IP數據報封裝的是哪個上層協議。

• TCP：6

• UDP：17

首部校驗和：16位，利用校驗和實現對IP數據報首部的差錯控制

源IP地址：32位

目的IP地址：32位

選項：長度可變

數據：存放IP數據報所封裝的傳輸層數據報

標識：16位。表示一個IP數據報。每生產一個IP數據報，IP協議的計數器加1。

該字段的重要用途：在IP數據報分片和重組過程中用于表示屬于同一IP數據報。該字段不可唯一標識一個IP數據報

標志：3位。

• DF：0||1 禁止分片

• MF：0||1更多分片 0未被分片或分片的最后一片；1：是分片且不是最后一個

片偏移量：以8B位單位。表示一個IP數據報分片與原IP數據報的相對偏移量。

當該字段位0時，且MF=1，表示這個IP分片，且是第一個分片

（三）數據報分片

最大傳輸單元（Maximum Transmission Unit，MTU）：數據鏈路層幀能承載的最大數據量。

（1）其中最高位保留，而當DF=0則表示允許路由器將該IP數據報分片；當DF=1則表示禁止路由器將該IP數據報分片，此時若IP數據報的總長度超過路由器的最大傳輸單元，則路由器會丟棄該數據報。

（2）而當MF=1則表示這是IP數據報的一個分片且不是最后一個分片；當MF=0則表示IP數據報未被分片或是最后一個分片。

（四）lPv4編址

長度為32位，共有2^32個不同的IP地址約43億個

lPv4地址長度為32位，常用3種常用的標記法：二進制標記法、點分十進制標記法、十六進制標記法。

IP地址分配：

前綴：即網絡部分，用于描述主機所屬的網絡。

分類地址：定長前綴（A、B、C、D、E類）。

無類地址：前綴長度可變。

后綴：即主機部分，用于表示主機在網絡中的唯一地址。

概念：為緩解或應對lPv4地址空間不足的問題，提出無類地址。

網絡地址形式為a.b.c.d/x，其中，a.b.c.d為點分十進制形式lP地址，x為網絡前綴長度?？梢允?-32的任意值。

子網劃分：

現實中，IP地址不夠用，所以為了提高IP地址空間利用率，采用兩種策略：子網劃分和超網化。

應用：
（1）超網化：將多個小的有類網絡合并為一個大的超網。
假設有4個地址連續(xù)的C類網絡，203.0.0.0，203.0.1.0，203.0.2.0，203.0.3.0，將其化為二進制為

C類網絡的前綴為24位（虛線前24位），若我們將前緩向前移動2位（如實線所示），會發(fā)現這4個網絡的前22位完全相同，即我們可以將這4個網路合并為一個前綴為22位的超網。
（2）子網劃分：將較大的子網劃分為多個較小子網的過程。
①子網掩碼：定義一個子網的網絡前綴長度。
子網掩碼的二進制表示原則是前綴位置的教值均為1，非前綴位置的數值均為0。例：前綴為24位的C類網絡，它的子網掩碼的二進制表示為11111111 11111111 11111111 00000000，轉化為十進制為255.255.255.0。
②描述一個子網地址時，只根據子網地址是無法判斷出該子網的規(guī)模的，描述時應注明其前綴位數。
例：24位前緩的C類網絡213.111.0.0，應描述為“子網地址213.111.0.0/24” 或“子網地址213.111.0.0，子網掩碼為255.255.255.0”。提示：/24即子網掩碼為255.255.255.0；/26即子網掩碼為255.255.255.192。
③子網地址：根據lP地址和子網掩碼可得出對應的子網地址。
④直接廣播地址：可由子網地址求得，求解原則是保持子網地址前綴位置上的數值不變，但是非前緩位置上的數值全取1。也可理解為該子網地址范圍內的最大IP地址。
⑤子網IP地址總數：203.123.1.128/26的非前綴位置為6位，所以該子網的IP地址總數為$2^6=64$個。
⑥子網可分配的lP地址數：203.123.1.128/26中子網雖然共有64個lP地址，但自己本身占用一個（203.123.1.10000000），還要分配一個給直接廣播地址（203.123.1.10111111），故能真正分配出去的只有64-2=62個lP地址。
⑦可分配的IP地址范圍：即除子網地址和直接廣播地址在內的所有l(wèi)P地址范圍，也可理解為子網地址加一位，到直接廣播地址減一位。
要注意，兩個前綴相同的地址連續(xù)子網不是單純地指網絡序號上的連續(xù)，而是子網號的連續(xù)，比如203.123.1.64/26和203.123.1.128/26是地址連續(xù)的子網，但和203.123.1.63/26不是地址連續(xù)的子網。

路由聚合

（1）在路由器轉發(fā)模塊中，將接收到的目的lP地址與路由表中的每個子網掩碼進行運算，求出對應的子網地址；
（2）若該子網地址與路由表中的某個網絡地址對應，則將該目的lP地址從該網絡地址對應的接口發(fā)送出去；
（3）若目的lP地址經運算后能對應多個網絡地址，則與前綴最長的網絡地址相匹配；若不對應任何一個網絡地址，則從默認接口發(fā)送該目的IP地址。

一個路由表中的網絡地址是可以進行合并的（即上述”子網劃分”中的“超網化”），但是它們所對應的子網掩碼和接口必須相同，如圖4.19所示可將R2路由表中的前三個網絡地址合并為一個（合并后要留意前級也就是子網掩碼的變化）。

（五）動態(tài)主機配置協議

靜態(tài)分配：手動配置

動態(tài)分配：動態(tài)主機配置協議來分配

• DHCP服務器端口：67

• DHCP客戶端口號：68

DHCP工作過程：

1. DHCP服務器發(fā)現：廣播方式

2. DHCP服務器提供：廣播方式

3. DHCP請求：廣播方式

4. DHCP確認

（六）網絡地址轉換

使私有地址在公共Internet上正常通信

NAT的概念：私有地址只能在私有的內網使用，不能在公網上使用，解決使用私有地址上網的技術是NAT（網絡地址轉換）。

NAT的工作原理：

（1）對于從內網出去，進入公共互聯網的IP數據報，將其源lP地址替換為NAT服務器擁有的合法的公共lP地址，同時替換源端口號，并將替換關系記錄到NAT轉換表中；

（2）對于從公共互聯網返回的lP數據報，依據其目的lP地址和目的端口號檢索NAT轉換表，并利用檢索到的內部私有IP地址與對應的端口號替換目的lP地址和目的端口號，然后將IP數據報轉發(fā)到內部網絡。

NAT穿透技術：在外網主機主動與內網主機發(fā)起通信之前，先在NAT轉換表中建立好內網到外網的映射，使內網運行的服務以NAT公網地址的“合法”身份“暴露”出去。

事先建立映射方法：靜態(tài)配置和動態(tài)配置。

（1）靜態(tài)配置：通過人工配置NAT轉換表，建立內網與外網的映射。

（2）動態(tài)配置：內網主機主動發(fā)現NAT，并請求NAT完成穿透配置。（比較典型的是基于UPnP協議實現NAT穿透配置）。

（七）ICMP

進行主機或路由器間的網絡層差錯報告與網絡探測。

例如：ping命令

互聯網控制報文協議（ICMP）的主要功能是進行主機或路由器間的網絡層差錯報告與網絡探測，ICMP發(fā)送的報文可分為差錯報告報文和詢問報文。

.ICMP報文分類：

1.差錯報告報文

重點不可達、源點抑制、時間超時、參數問題、路由重定向

2.詢問報文

回聲請求/應答、時間戳請求/應答

（八）lPv6

lPv6地址包括單播地址、組播地址和任播地址3種類型。
（1）單播地址：可作為lPv6數據報的源地址和目的地址。
（2）組播地址：只能用作lPv6數據報的目的地址。
（3）任播地址：也只能用作lPv6數據報的目的地址。

IPv6地址解決了IPv4地址空間不足等問題。

IPv6刪除了這些字段：

分片相關字段、首部校驗和、選項字段不是IPv6的基本首部字段。

IPv4到IPv6的遷移:

• 雙協議棧：網絡結點同事具備發(fā)送IPv4與IPv6數據報的能力。

• 隧道：很好地解決IPv6通信中經過IPv4路由器的問題，同事也不會出現信息丟失的問題。

六、路由算法與路由協議

（一）路由選擇可將路由選擇算法分為全局式路由選擇算法和分布式路由選擇算法。

全局式路由選擇算法：最具有代表性的全局式路由選擇算法是鏈路狀態(tài)路由選擇算法，簡稱LS算法；

分布式路由選擇算法：最具有代表性的分布式路由選擇算法是距離向量路由選擇算法，簡稱DV算；

靜態(tài)路由選擇算法，通常是指由人工進行網絡配置；上述的全局式路由選擇算法和分布式路由選擇算法都是動態(tài)路由選擇算法。

（二）鏈路狀態(tài)路由選擇算法

需要網絡的完整信息

全局式路由選擇算法

定義：利用Dijkstra算法計算出最短路徑的算法。這里的“最短”是指“費用”最少。

（三）距離向量路由選擇算法

不需要網絡的完整信息。

分布式路由選擇算法。

（DV算法）

定義：在距離向量路由選擇算法中，沒有任何一個結點掌握整個網絡的完整信息。每個結點可以測得與所有鄰居結點之間的直接鏈路代價，并將其到達每個目的結點的最短距離（可能是最短距離估計），以（目的，最短距離）的距離向量形式交換給所有的鄰居結點。

（四）層次化路由選擇

1.合理的網絡規(guī)模范圍內：LS算法和DV算法

2.大規(guī)模網絡

作用：層次化路由解決了大規(guī)模網絡路由選擇問題。

層次化路由將網絡路由選擇分為自治系統(tǒng)內路由選擇和自治系統(tǒng)間路由選擇兩個層，分別有自治系統(tǒng)內路由選擇協議和自治系統(tǒng)間路由選擇協議。

（五）Internet路由選擇協議

1.內部網關協議IGP：

Internet自治系統(tǒng)內路由選擇協議：

1. 路由信息協議RIP。

2. 開放最短路徑優(yōu)先協議OSPF。

2.外部網關協議EGP：

Internet自治系統(tǒng)間路由選擇協議。

• 邊界網關協議BGP。

應用
（1）RIP：是最早的自治系統(tǒng)內路由選擇協議之一，目前仍然被廣泛使用。該協議基于距離向量路由選擇算法，使用DV算法時，度量路徑時采用的是“跳”數，每跳的費用都為1。使用RIP協議的路由器可以利用從鄰近路由器收到的反饋（路由表）來更新自己的路由表。
（2）OSPF：基于鏈路狀態(tài)路由選擇算法，使用Dijkstra算法。
（3）RIP報文封裝到UDP報文段中傳輸；OSPF報文段封裝到IP數據報中傳輸；BGP報文封裝到TCP報文段中傳輸。