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计算机网络谢希仁版网络层知识点总结

网络层

一、网络层提供的两种服务

虚电路服务可靠通信应当由网络来保证

数据报服务可靠通信应当由用户主机来保证

网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

二、网际协议IP

1、与IP 协议配套使用的还有三个协议:

地址解析协议ARP

网际控制报文协议ICMP

网际组管理协议IGMP

2、网络互相连接起来要使用一些中间设备

中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。

物理层中继系统:转发器(repeater)。

数据链路层中继系统:网桥或桥接器(bridge)。

网络层中继系统:路由器(router)。

网桥和路由器的混合物:桥路器(brouter)。

网络层以上的中继系统:网关(gateway)

3、互联网可以由许多异构网络互联组成

4、分类的IP 地址

IP 地址定义:就是给每个连接在因特网上的主机(或路由器)分配一个在全世界范围是唯

一的32 位的标识符。

5、IP 地址的编址方法

分类的IP 地址,子网的划分,构成超网。

两级的IP 地址:IP 地址::= { <网络号>, <主机号>}

分类的IP 地址:A类,B类,C类地址都是单播地址

D类地址用于多播,E类地址保留

实际上IP 地址是标志一个主机(或路由器)和一条链路的接口。

Ip地址不仅可以指明一个主机,还指明了主机所连接到的网络

点分十进制记法:192.168.1.1

一些特殊的ip地址:保留地址0.0.0.0 本地软件环回测试地址127.0.0.1

不指派地址128.0.0.0 192.0.0.0

6、ip地址与硬件地址的区别:IP地址放在IP数据报首部,硬件地址放在MAC帧首部,在网络层及网络层以上使用IP地址,在链路层及以下使用硬件地址

7、解析协议ARP

每一个主机都设有一个ARP 高速缓存(ARP cache),里面有所在的局域网上的各主机和路由

器的IP 地址到硬件地址的映射表,这个映射表还经常动态更新。

ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP 地址和硬件地址的映射问题。

8、如何知道同一个局域网内其他主机的mac地址?

A在局域网内广播arp请求分组,其他主机接收分组,IP地址与报文中一致的主机收下分组,

并在自己的arp缓存中写入主机A的IP地址到mac地址的映射,并发送arp响应报文,A 收到响应报文后在自己的arp缓存中写入主机B的IP地址到mac地址的映射。

9、生存时间,一般为10-20分钟

10、若主机不在同一个局域网内,arp映射表怎样建立?交给连接不同网络的路由器

11、使用ARP 的四种典型情况

发送方是主机,要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机。这时用ARP 找到目的主机的硬件地址。

发送方是主机,要把IP 数据报发送到另一个网络上的一个主机。这时用ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。

发送方是路由器,要把IP 数据报转发到本网络上的一个主机。这时用ARP 找到目的主机的硬件地址。

发送方是路由器,要把IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时用ARP 找到本网络上另一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。

12为什么不直接使用mac地址通信,要加上ip地址

为了完成异构网络之间的通讯,mac地址比较复杂,ip方便用户操作,提高CPU的效率,这样在网络传输中就可以由网卡来识别mac地址,不用再上传到CPU识别

13、IP数据包格式

一个IP 数据报由首部和数据两部分组成。

首部的前一部分是固定长度,共20 字节,是所有IP 数据报必须具有的。

在首部的固定部分的后面是一些可选字段,其长度是可变的。

14、首部长度——占 4 位,可表示的最大数值是15 个单位(一个单位为 4 字节)

因此IP 的首部长度的最大值是60 字节。固定长度为20字节

15、总长度——占16 位,指首部和数据之和的长度,单位为字节,因此数据报的最大长度

为65535 字节。总长度必须不超过最大传送单元MTU

16、标志(flag):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。

17、片偏移(13 位)指出:较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。片偏移以8 个字节为偏移单位。

18、生存时间(8 位)记为TTL (Time To Live)数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。

单位为跳数。数据报能在英特网中传输的最大跳数为255个路由器

19、协议(8 位)字段指出此数据报携带的数据使用何种协议,以便目的主机的IP 层将数据部分上交给哪个处理过程

20、首部检验和(16 位)字段只检验数据报的首部,不检验数据部分。采用累加法,以16位字为单位加

21、IP层分组转发的流程:分组转发算法

(1) 从数据报的首部提取目的主机的IP 地址D, 得出目的网络地址为N。

(2) 若网络N 与此路由器直接相连,则把数据报直接交付目的主机D;否则是间接交付,执行(3)。

(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由,则把数据报传送给路由表中所指明的下

一跳路由器;否则,执行(4)。

(4) 若路由表中有到达网络N 的路由,则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器;否则,执行(5)。

(5) 若路由表中有一个默认路由,则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器;否则,

执行(6)。

(6) 报告转发分组出错。

三、划分子网

1、三级IP:IP地址::= {<网络号>, <子网号>, <主机号>}

2、划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。

3、从主机号借用若干个位作为子网号subnet-id,而主机号host-id 也就相应减少了若干个位。

4、子网掩码:使用子网掩码(subnet mask)可以找出IP 地址中的子网部分。

5、默认子网掩码:原来两级IP时A、B、C类地址使用的网络号

6、路由器的路由表中的每一个项目,除了要给出目的网络地址外,还必须同时给出该网络

的子网掩码

7、不同的子网掩码得出相同的网络地址,但不同的掩码的效果是不同的

8、在划分子网的情况下路由器转发分组的算法

(1) 从收到的分组的首部提取目的IP 地址D。

(2) 先用各网络的子网掩码和 D 逐位相“与”,看是否和相应的网络地址匹配。若匹配,则将分组直接交付。否则就是间接交付,执行(3)。

(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由,则将分组传送给指明的下一跳路由器;

否则,执行(4)。

(4) 对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐位相“与”,若其结果与该行的目的网络地址匹配,则将分组传送给该行指明的下一跳路由器;否则,执行(5)。

(5) 若路由表中有一个默认路由,则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器;否则,执

行(6)。

(6) 报告转发分组出错。

9、无分类编址CIDR

CIDR使用各种长度的“网络前缀”(network-prefix)来代替分类地址中的网络号和子网号。IP 地址从三级编址(使用子网掩码)又回到了两级编址。

IP地址::= {<网络前缀>, <主机号>} 128.14.32.0/20

四、网际控制报文协议ICMP:为了提高IP 数据报交付成功的机会

1、ICMP 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。

2、作用:用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否

可达、路由是否可用等网络本身的消息

3、ICMP 不是高层协议,而是IP 层的协议。

4、ICMP 报文作为IP 层数据报的数据,加上数据报的首部,组成IP 数据报发送出去。

5、ICMP 报文的格式:类型:1字节,代码:1字节,检验和:2字节;接下去四个字节与

类型有关,数据部分(差错报文):ip首部+ip数据报前8个字节

6、ICMP 报文的种类有两种,即ICMP 差错报告报文和ICMP 询问报文。

7、ICMP 差错报告报文共有 5 种:终点不可达、源点抑制、时间超过、参数问题、改

变路由(重定向)

8、不应发送ICMP 差错报告报文的几种情况

(1)对ICMP 差错报告报文不再发送ICMP 差错报告报文。

(2)对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP 差错报告报文。

(3)对具有多播地址的数据报都不发送ICMP 差错报告报文。

(4)对具有特殊地址(如127.0.0.0 或0.0.0.0)的数据报不发送ICMP 差错报告报文。

9、ICMP 询问报文有两种:回送请求和回答报文、时间戳请求和回答报文

10、ping报文就是icmp报文

五、因特网的路由选择协议

1、路由选择协议的核心就是理想的路由算法

2、从路由算法的自适应性分类

静态路由选择策略——即非自适应路由选择

动态路由选择策略——即自适应路由选择

3、因特网采用分层次的路由选择协议。

4、自治系统AS 的定义:在单一的技术管理下的一组路由器,而这些路由器使用一种AS 内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS 内的路由,同时还使用一种AS 之间的路由选择协议用以确定分组在AS之间的路由

5、因特网有两大类路由选择协议

内部网关协议IGP (Interior Gateway Protocol) 即在一个自治系统内部使用的路由选择协

议,常用的有RIP,OSPF

外部网关协议EGP (External Gateway Protocol) 不在一个自治系统内部使用的路由选择协议,

常用的有BGP

6、自治系统之间的路由选择也叫做,域间路由选择(interdomain routing),在自治系统内部的路由选择叫做,域内路由选择(intradomain routing)

7、内部网关协议RIP(路由信息协议):RIP 是一种分布式的基于距离向量的路由选择协

议。基于UDP的应用层协议

RIP 协议中的“距离”也称为“跳数”(hop count),因为每经过一个路由器,跳数就

加1。

RIP 允许一条路径最多只能包含15 个路由器。

“距离”的最大值为16 时即相当于不可达。可见RIP只适用于小型互联网。

RIP 不能在两个网络之间同时使用多条路由。RIP 选择一个具有最少路由器的路由

(即最短路由),哪怕还存在另一条高速(低时延)但路由器较多的路由。

8、RIP 协议的三个要点

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。

按固定的时间间隔交换路由信息,例如,每隔30 秒。

9、距离向量算法

收到相邻路由器(其地址为X)的一个RIP 报文:

(1) 先修改此RIP 报文中的所有项目: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:若项目中的目的网络不在路由

表中,则把该项目加到路由表中。否则,若下一跳字段给出的路由器地址是同样的,则把

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

进行更新,否则,什么也不做。

(3) 若 3 分钟还没有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(距离为16表示不可达)。

(4) 返回。

10、RIP2 的报文由首部和路由部分组成

路由部分:地址族标识符,路由标记,网络地址、该网络的子网掩码、下一跳路由器地址以

及到此网络的距离组成

11、RIP 协议的特点:好消息传播的快,坏消息传播的慢

网络出故障的传播时间往往需要较长的时间(例如数分钟)

12、内部网关协议OSPF(开放最短路径优先)

(1)向本自治系统中所有路由器发送信息,这里使用的方法是洪泛法。

(2)发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态,但这只是路由器所知道的

部分信息。“链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻,以及该链路的“度量”(metric)。

(3)只有当链路状态发生变化时,路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。

13、OSPF 的区域(area):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,叫作区域。

14、每一个区域的路由器数量不超过200个,分成两种区域,即主干区域和其他区域

15、划分区域的好处就是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整

个的自治系统,这就减少了整个网络上的通信量。

在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑,而不知道其他区域的网络拓扑的情况。

OSPF 使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫作主干区域(backbone area)。主干区域的标识符规定为0.0.0.0。主干区域的作用是用来连通其他在下层的区域。

16、OSPF 不用UDP 而是直接用IP数据报传送。OSPF 构成的数据报很短。这样做可减

少路由信息的通信量,而

17、OSPF协议中如果到同一个目的网络有多条相同代价的路径,那么可以将通信量分配给

这几条路径。这叫作多路径间的负载平衡。

18、OSPF 的五种分组类型:问候(Hello)分组。数据库描述分组。链路状态请求分组。链路

状态更新分组,用洪泛法对全网更新链路状态。链路状态确认分组。

19、OSPF 还规定每隔一段时间,如30 分钟,要刷新一次数据库中的链路状态。当互联网

规模很大时,OSPF 协议要比距离向量协议RIP 好得多

20、外部网关协议BGP:BGP 是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。

六、IP 多播:可明显地减少网络中资源的消耗

1、多播使用组地址—— IP 使用 D 类地址支持多播。多播地址只能用于目的地址,而不能

用于源地址

2、因此TCP/IP 协议使用的以太网多播地址块的范围是:从00-00-5E-00-00-00 到00-00-5E-FF-FF-FF

3、IP多播需要两种协议:网际组管理协议、IGMP多播路由选择协议。

4、多播数据包和一般数据报的区别是其使用D类IP地址作为目的地址

5、IP多播的分类:在本局域网内进行硬件多播(IP地址到mac地址的转换看待)和在因特

网的范围进行多播

七、虚拟专用网VPN:利用公用的英特网作为本机构各专用网之间的通信载体。通过英特

网传送的数据要加密。

1、本地地址——仅在机构内部使用的IP 地址,可以由本机构自行分配,而不需要向因特

网的管理机构申请。

2、全球地址——全球唯一的IP地址,必须向因特网的管理机构申请。

专用地址:只能用于一个机构的内部通信,而不能用于和因特网上的主机通信,是本地地址

10.0.0.0 到10.255.255.255

172.16.0.0 到172.31.255.255

192.168.0.0 到192.168.255.255

3、内联网和外联网:看结果是否属于同一个机构

八、网络地址转换NAT

1、需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT 软件。装有NAT 软件的路由器叫做NA T路由器,它至少有一个有效的外部全球地址IP G。

2、在专用网络内使用专用IP地址,仅在连接到英特网上的路由器时使用全球IP地址。并

且一定要使用全球IP才能和英特网连接

3、通过NAT地址转换表可以把IP数据报上的旧目的IP地址转换为新的目的IP地址

4、使用端口号的NA T也叫网络地址与端口号转换NAPT

九、本章中出现的几个表

1、ARP缓存的映射表:主要内容是同一局域网内的主机路由器的IP地址与MAC地址

2、路由表:主要内容是目的网络,距离,下一跳的路由器

3、NA T转换表:主要内容是内部专用IP地址与公网全球IP地址

整理者:福州大学张毅

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