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网络层知识点总结——谢希仁《计算机网络

发布时间:2019-06-24 20:27 来源:未知 编辑:admin

  无连接:数据报服务 (计算机网络的端系统是智能的计算机,计算机有很强的差错处理能力,这点和传统的电话机有本质上的差别。)

  3.因特网采用的设计思路:网络层向上提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。(网络的造价大大降低,运行方式灵活,能够适应多种应用。因特网能够发展到今日的规模,充分证明当初采用这种设计思路的正确性)

  1.将网络互连要使用一些中间设备。根据中间设备所在的层次,有四种不同的设备:

  4)在网络层以上使用的是网关(由于历史原因,许多有关TCP/IP的文献将路由器称为网关)

  2.TCP/IP体系在网络互连上采用的做法是在网络层(IP层)采用了标准化协议,但相互连接的网络则可是异构的。IP协议使这些性能各异的网络在网络层看起来好像是一个统一的网络,因此称使用IP协议的虚拟互联网为IP网。

  互联网可以由多种异构网络互连组成。(以太网、卫星链路、无线局域网)。IP地址到硬件地址的转换交由ARP协议自动完成。

  1.IP地址就是给因特网上德尔每一个主机(或路由器)的每一个接口分配一个在全世界范围唯一的32位标识符。

  由于近年来已经广泛使用无分类IP地址进行路由选择,分类地址已经成为历史。

  1)IP地址分为网络号和主机号,是分等级的地址结构。有两个好处:第一,IP地址管理机构只分配网络号;第二,路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组

  2)IP地址时标志一个主机(或路由器)和一条链路的接口。一个路由器至少应当连接两个网络,因此至少有两个不同的IP地址

  3)因特网指出,一个网络是具有相同网络号的主机集合,因此用转发器、网桥(交换机)连接的若干个局域网仍为一个网络。不同网络号的局域网必须使用路由器互联。

  4)在IP地址中,所有分配到的网络号的网络,都是平等的。所谓平等,是指因特网同等对待每一个IP地址。

  1)在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报。经过路由器R1和R2时,IP数据报的源地址和目的地址始终分别是IP1和IP2.

  3)在局域网的链路层,只能看见MAC帧。MAC帧在不同网络上传送时,其MAC帧首部的源地址和目的地址要发生变化。

  4)尽管连在一起的网络的硬件地址体系各不相同,但IP层抽象的互联网却屏蔽了下层这些复杂的细节。(“屏蔽”概念是一个很有用、很普遍的基本概念)

  1.问题:已经知道一个机器(主机或路由器)的IP地址,需要找出其相应的硬件地址。ARP协议

  2.由于传送ARP分组使用的是IP协议,因此把ARP协议划分网络层。(DHCP协议取代了RARP协议,因为其包含了RARP协议)

  3.网络层使用的是IP地址,但在实际网络的链路上传送数据帧时,必须使用该网络的硬件地址。

  此外,网络上经常有新的主机加入进来,或撤走一些主机,或更换网卡也会改变主机的硬件地址。

  ARP解决的方法是:在主机ARP高速缓存中应存放一个从IP地址到硬件地址的映射表,并且这个映射表还经常动态更新(新增或超时删除)

  4.每一个主机都设有一个ARP高速缓存,里面有本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。

  step1.当A要向本局域网的B发送IP数据报,就现在其ARP高速缓存中查看有无B的IP地址。若有,则发到IP对于的硬件地址

  1)ARP进程在本局域网上广播一个ARP请求分组。内容是“我的IP是xx,硬件地址是xx。我想知道IP地址xx的主机的硬件地址是多少”

  3)主机B的IP与请求分组里面的IP一致,收下并向A发送ARP响应分组(单播);其他主机则不理睬;并且B将A的IP地址到硬件地址的映射写入自己的ARP高速缓存

  4)主机A收到B的ARP响应分组后,就在其ARP高速缓存写入B的IP到硬件地址的映射

  6.ARP解决的是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。不同局域网,需要先转发到路由器,路由器再查表进行转发。

  1.标识字段。该标识不是序号,因为IP是无连接服务,数据报不存在按序接收的问题。当数据报超过网络的MTU而必须分片时,这个标识字段的值就被复制到所有的数据报片的标识字段中。相同的标识字段的值使分片后的各数据报片最后能正确地重装成为原来的数据报。

  2.标志。MF = 1,表示后面“还有分片”;MF = 0,表示这是若干数据报片的最后一个。

  3.片偏移。指出较长分组在分片后,某片在原分组中的相对位置。片偏移以8字节为偏移单位。每个分片的长度一定是8字节的整数倍。

  4.生存时间。现在的意义改为“跳数限制”,指明数据报在因特网中至多可经过多少个路由器。

  2.既然IP数据报中没有下一跳路由器的IP地址,那么待转发的数据报又怎样能够找到下一跳路由器

  step1.当路由器收到一个待转发的数据报,从路由表中得出下一跳路由器的IP地址

  step2.将IP地址交由数据链路层的网络接口软件,网络接口软件将IP地址转换成硬件地址(ARP)

  step3.将此硬件地址放在链路层的MAC帧首部,然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器

  step2.若N就是与此路由器直接相连的某个网络地址,则进行直接交付。(将D转换为硬件地址)

  step3.若路由表中有目的地址D的特定主机路由,则将数据报交给路由表中所指明的下一跳路由器

  step4.若路由表中有到达网络N的路由,则将其交给路由表指明的下一跳路由器

  2)给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大,因为使网络性能变坏

  3)两级IP地址不够灵活(需要新开网络,但是在申请到新的IP地址之前,是不可能连接到因特网)

  在IP地址增加一个“子网号字段”,使IP地址变成三级。这种做法叫作“划分子网”。

  1)一个拥有多个物理网络的单位,可将所属的物理网络划分为若干个子网。这个单位对外仍然表现为一个网络。

  step2.路由器按照目的网络号和子网号找到目的子网,把IP数据报交付目的主机

  step1.从网络145.13.0.0外面看,这就是一个普通的B类网络,其子网掩码为16个1+16个0

  step2.进入到这个网络后,里面还有很多子网,网络地址为145.13.x.0(假设子网占有8位),这些网络的子网掩码是24个1+8个0

  step2.先判断是否直接交付。对路由器直接相连的网络逐个进行检查:用各网络的子网掩码和D逐位相与,看结果是否和相应的网络地址相同。若相同,则直接交付。

  step4.对路由表中的每一行(目的网络地址,子网掩码,下一跳地址),用其中的子网掩码和D相与,其结果为N,若N等于改行的目的网络地址,则把数据报传送给改行指明的下一跳路由器

  1. 子网划分面临的问题:因特网主干网上的路由表中的项目数急剧增长;整个IPv4的地址空间将全部耗尽。

  解决方法:前面的问题用无分类编址的方法来解决;后面的问题采用IPv6来解决。

  1)CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念。CIDR把32位的IP地址划分为两个部分。

  IP地址 ::= 网络前缀,主机号;网络前缀用来指明网络,后面的部分用来指明主机

  分到一个单位的CIDR地址块,仍然可以在本单位内根据需要划分出一些子网。这些子网只有一个网络前缀和一个主机号字段,但子网的网络前缀比整个单位的网络前缀要长些。

  路由表中利用CIDR地址块来查找网络,这种地址的聚合常称为路由聚合。它使得路由表中的一个项目可以表示原来的传统分类地址的很多个路由。路由聚合也称为构成超网。

  3)例子:假定大学下属的四系希望ISP把转发给四系的数据报直接发到四系而不要经过大学的路由器。因此在ISP的路由器中,至少有两个条目:206.0.68.0/22(大学)和206.0.71.128/25(四系)

  更有效地查找,通常是把无分类编址的路由表存放在一种层次的数据结构中,然后自上而下按层次查找。最常用的就是二叉线索(一种特殊结构的树)。

  二叉线索:IP地址中从左到右的比特值决定了从根节点逐层向下延伸的路径,而二叉线索中的各个路径就代表路由表中存放的各个地址。 先找出对应于每一个IP地址的唯一前缀。唯一前缀就是所在表的所有IP地址中,该前缀是唯一的。然后用唯一前缀来构造二叉线索。

  二叉线索只是提供了一种可以快速在路由表中找到匹配的叶节点的机制。但这是否和网络前缀匹配,还要和子网掩码进行一次逻辑与运算。

  为了提高二叉线索的查找速度,广泛使用各种压缩技术。如果前四位是一样的,直接从第五位开始比较。

  为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会,在网际层使用了ICMP协议。

  5)改变路由(重定向):出于效率考虑,主机不和连接在网络上的路由器定期交换路由信息。主机刚开始都发到默认路由,若默认路由发往某个地址的最佳路径时经过另一个R,则用该报文通知主机。该主机在其路由表中增加一项:到某目的地址应经过路由器R(而不是默认路由)。

  PING使用了ICMP回送请求和回送回答报文。(应用层直接使用网络层ICMP的一个例子)

  2.traceroute,跟踪一个分组从源点到终点的路径。从源主机向目的主机发送一连串IP数据报,数据报中封装的是无法交付的UDP用户数据报。

  第一个数据报P1的生存时间TTL设置为1。到达R1时,R1丢弃P1,并向源主机发送一个ICMP时间超过报文

  第二个数据报P2,TTL设置为2。P2先经过R1,再到R2,丢弃P2,并向源主机发送一个ICMP时间超过报文

  最后一个数据报到达目的主机时,TTL=1,不转发,因此不减1。但是无法交付,使用了非法的端口号。因此目的主机向源主机发送ICMP终点不可达报文。

  1)正确和完整的。“正确”的含义:沿着路由表所指引的路由,分组一定能够最终到达目的网络、主机

  4)稳定性。在通信量和网络拓扑相对稳定的情况下,路由算法应该收敛于一个可以接受的解

  2.自治系统——autonomous system。是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内部的路由(已经有使用多种内部路由选择协议和度量的AS);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。

  step1.对地址X的相邻路由器发来的RIP报文,先修改报文中的所有项目:下一跳改为X,距离加1.每个项目的三个关键数据:到目的网络N,距离d,下一跳路由器X

  4.一个问题:当网络出现故障时,要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有路由器。

  1)和哪些路由器交换信息?——洪泛法,向本自治系统的所有路由器发送信息。

  2)交换什么信息?——发送的信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态,也即链路的度量(表示费用、距离、时延、带宽等)

  step1.(找出哪些已经写入数据库)OSPF让每个路由器用数据库描述分组和相邻的路由器交换本数据库中已有的链路状态摘要信息

  step2.(请求缺少的)路由器(向相邻的)使用链路状态请求分组,请求所缺少的某些链路状态项目

  step3.(运行时,改变了即洪泛)只要发生改变,就使用链路状态更新分组向全网进行洪泛

  所有路由器最终都能建立一个链路状态数据库,这个数据库实际就是全网的拓扑结构图。

  每一个路由器使用链路状态数据库中的数据,基于Dijkstra的最短路径路由算法构造出自己的路由表。

  1.在不同自治系统AS之间的路由选择为什么不使用内部网管协议,如RIP或OSPF?

  1)因特网规模太大,使得AS之间路由选择非常困难(路由表数据巨大,不适合用Dijstra;且度量的标准在各个AS不同)——比较合理的是在自治系统之间交换“可达性”信息

  2.BGP的目的是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由(不兜圈子),并非寻找一条最佳路由。

  BGP支持CIDR,因此BGP路由表包括(目的网络前缀、下一跳路由器、以及到达该网络索要经过的自治系统序列)

  3.BGP刚刚运行时,BGP的邻站是交换整个BGP路由表。但以后以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。

  路由器的功能:转发分组。从某个输入端口收到分组,按照分组要去的目的地,把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。

  1)路由选择部分:控制部分——核心是路由选择处理机。两个任务:第一,根据所选定的路由选择协议构造出路由表;第二,经常或定期和相邻的路由器交换路由信息而不断地更新和维护路由表。

  交换结构:根据转发表对分组进行处理,将某个输入端口进入的分组从一个合适的输出端口转发出去。

  1.为什么需要IP多播?——许多应用需要由一个源点发送到许多终点,即一对多通信

  IP多播的优势?——多播可以大大节约网络资源。例如向90个主机发送同样的视频,单播需要90个;多播只需要发送一次,路由器复制副本,到达局域网后,由于局域网具有硬件多播功能,因此不需要复制。

  2.在因特网中每一个主机必须有一个全球唯一的IP地址。如果某个主机想接收某个特定多播组的分组,怎样做?

  1.将IP多播地址(D类IP地址可供分配有28位)转换为以太网硬件多播地址,以太网硬件多播地址的最低23位来自于IP多播地址

  2.由于多播IP地址和以太网硬件地址的映射关系不唯一,因此收到多播数据报的主机还要在IP层利用软件进行过滤,把不是本主机要接收的数据报丢弃

  1)IGMP协议是让连接在本地局域网上的多播路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出某个多播组

  第一阶段:主机加入新的多播组。首先主机向多播组的多播地址发送一个IGMP报文;本地的多播路由器收到IGMP报文后,利用多播路由选择协议将组员关系发送给其他多播路由器

  第二阶段:组成员关系是动态。本地多播路由器要周期性探寻本地局域网山的主机,是否还是组成员。

  第一,主机和多播路由器之间的所有通信都使用IP多播。没有参加IP多播的主机不会收到IGMP报文

  第四,一个主机同时参加几个多播组,主机收到询问时,对每一个多播组选择不同的随机数时间进行发送

  第五,同一个组内的每一个主机都要监听相应,只要其他主机先发送即可不必发送

  1)连接在局域网上的多播路由器还必须和其他多播路由器协同工作,以便将多播数据报用最小的代价发送给所有组成员

  洪泛:采用反向路径广播RPB策略。(每一个路由器在收到一个多播数据报时,先检查数据报是否从源点经最短路径传送过来的。——检查方法:只要检查 从本路由器寻找到源点的最短路径的第一个路由器是否是刚才把多播数据报发送来的路由器即可,若是,继续转发,否则,丢弃)

  减除:在多播转发树的某个路由器发现它的下游树枝已没有改多播组的成员,就应该把它和下游树枝一起剪除。

  2)请求加入,R2把这个信息加入到它的路由中,并用隧道技术向R1转发每一个多播数据报的一个副本

  1.为什么要有专用网?——IP地址紧缺;因特网并不安全,一个机构也并不需要把所有主机接入到外部的因特网

  因此,在机构内部使用的计算机尽使用本地地址(三个专用地址:10.;172.16-72.31;192.168.)。采用这样的专用IP地址的互联网称为专用网。

  使用NAT——Network Address Translation网络地址转换协议。这种方法需要专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件(至少有一个有效的外部全球IP地址)。所有使用本地地址的主机在和外界通信时,都要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址,才能和因特网连接。

  五、因特网的路由选择协议 1.有关路由选择协议的几个基本概念 Ⅰ、理想的路由算法 路由表中的路由是怎样得出的呢?核心是路由算法。一个理想的路由算法要正确且完整、计算简单、能适应通信量和网络拓扑的变化、算法要有稳定性、公平、最佳(这里指相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选...

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