计算机网络——网络层要点概览

是羽十八ya 发表于 2022/05/15 12:45:41 2022/05/15
【摘要】  “ 本文总结了计算机网络中网络层的相关知识,适合学习过计算机网络的人群快速复习,查找相关知识点并巩固。”


 “ 本文总结了计算机网络中网络层的相关知识,适合学习过计算机网络的人群快速复习,查找相关知识点并巩固。”


思维导图 

基本概念

  1. 传输层:应用进程之间端到端的通信(路径设备透明)
  2. 网络层:host之间的逻辑连接(虚拟:例如.路由路径)(路径设备参与)
  3. 网络层:每个路由器和host都与运行此协议
  4. 网络层主要协议事件:路由协议、IP协议、ICMP协议
  5. 网络层核心:转发(in and out)路由+路径算法

网络层服务模型

  • 数据报网络(无连接服务)+虚电路网络(连接服务)

虚电路网络

  • 连接服务,一条路径:源主机-路由器-目的主机(逻辑连接)
  • 分组携带虚电路标识VCID,而不是目的地址,由路由转发表确认路径(每个router都有自己的表)
  • 每个分组利用链路全部带宽
  • 应用:ATM、电话机等

数据报网络

  • 无连接服务处
  • 每个分组携带目的地址,由路由算法+转发表确认路径
  • 最长前缀优先匹配原则

  • 应用:计算机

IP协议

IP数据报

  • 首部长度:4Bytes为单位,最小首部5,5×4=20B
  • 总长度:占16位,max=65535,data_max=65535-20=65515B
  • 协议字段:6-TCP;17-UDP

IP分片 

  • data上限取决于链路层MTU(不同链路MTU不同),多MTU取min
  • 片偏移:8Bytes为单位
    • 偏移量=偏移数据➗8,因为8字节为单位,例如:封装1480B数据,偏移量为185

编辑

  • 设分组总长为L,MTU=M
    • 一个分片最大可封装数据d——8的倍数:(M-20)对8向下取整
    • 需要的总分片数:(L-20)除以d向上取整

IP编址

  • 接口:主机/路由与物理链路之间的连接,例如:有线以太网、无线802.11接口
  • IPv4地址:点分十进制,8×4=32bits,例如:192.168.2.255
  • Ipv6地址:冒号分十六进制,16×8=128bites,
  • IP地址和每个接口关联——同多接口路由器可能有多个IP地址

IPv4二分法有类编址

  • A类地址:0.0.0.0-127.0.0.0        8位网络号+24位主机号
  • B类地址:128.0.0.0-191.255.255.255        16位网络号+16位主机号
  • C类地址:192.0.0.0-223.255.255.255        24位网络号+8位主机号
  • D类地址:224.0.0.0-239.255.255.255        32位网络号
  • E类地址:240.0.0.0-255.255.255.255        32位网络号
  • 二分法划分(A类第一位0,B类第一位要1,因为第一位0的已经属于A,第二位设0,以此类推):
  • A类,8位网络号,首位0,max:01111111.11111111.1111111.11111111=127.255.255.255
  • B类,16位网络号,前两位10,max:10111111.11111111.1111111.11111111=191.255.255.255
  • C类,前三位110
  • D类,前四位1110
  • E类,前四位1111
  • 特殊IP:

  • 私有IP 

IP子网 

  • IP地址中:高比特位(左):网络号,低比特位(右):主机号
  • IP子网:网络号相同,即为同一个子网内的主机
  • 子网间设备不跨越router可通过物理接口直接通信,例如:192.168.2.3,192.168.2.4

IP子网掩码

  • IP子网划分:区分同一个网络号下有多少子网
  • 子网号:主机号的高比特位

  • 子网掩码:确定网络是否划分了子网,利用多少为位划分子网
  • 子网掩码取值:网络号+子网号全取1,主机号全取0
    • 例如B类网络(16位网络号+16位数主机号),子网掩码:255.255.0.0
    • 借助3比特划分子网的B类网络,11111111.11111111.11100000.00000000=255.255.224.0
  • 子网掩码的应用:提取子网地址
    • 掩码为255.255.254,表示主机号只有1+8=9位数
    • 所以地址范围是:172.32.0.0-172.32.1.255
    • 可分配地址:512-2个=510个,主机号全0(掩码)+主机号全1(广播地址)

CIDR

  • CIDR无类域间路由,消除A、B、C类的等级划分
  • 32bits划分=前缀+主机号
  • 格式:a.b.c.d/x,x为前缀长度
  • 192=128+64,2bits,所以前缀=8+8+8+2=26位

IPv6

  • 首部固定40Bytes,不允许分片,删除校验和 

  • 没有掩码概念

  • 冒号分16进制,::表示中间全是0,一个IP地址只能写一次::

  • 首部+负载(data+扩展首部),基于TCP

  • ICMP6

路由聚合

  • 最长前缀优先匹配
  • 简化路由表
  • 示例:
  • 目的子网:192.168.1.0           192.168.2.0
  • 聚合的目的子网192.168.0.0,子网掩码255.255.252.0
    • 目的子网分别为192.168.1.0和192.168.2.0,展开最后两位,写作8位2进制数,
    • 1 = 0000 0001,2 = 0000 0010,则
    • 192.168.0000 0001.0和192.168.0000 0010.0
    • 取最大相同位数192.168.0000 00,22位
    • 得到聚合的目的子网192.168.0.0
    • 补满0得到192.168.0000 0000.0 = 192.168.0.0
    • 子网掩码位数 = 8+8+6 = 22位,11111111.11111111.111111
    • 补满0得到 1111 1111.1111 1111.1111 1100.0000 0000 = 255.255.252.0
    • 得到聚合的目的子网掩码255.255.252.0
  • 理论上无CIDR也可以聚合

DHCP协议

  • 主机获取IP地址的方式:静态编码、动态分配(DHCP分配的IP会变)
  • 从服务器动态租用,释放后可重复利用
  • 过程:1.主机广播需要地址 2.DHCP服务器响应可提供 3.主机请求 4.服务器确认
  • 应用层协议,基于UDP

NAT(网关)

NAT网络地址转换

  • 路由器不同接口:连接不同子网
  • 本质:公网IP和主机IP的问题,NAT=修改IP信息
  • NAT:主机通过IP转换为公网IP在互联网上通信

编辑

  • NAT运作过程:替换——记录(转换表)——再替换,端口数16bits——并行65535个设备通信
  • 接收信息:NAT router为信息接收目的地址,通过转换表再替换

 NAT穿透

  • 静态配置NAT表
  • IGD互联网网关设备协议
    • host能学习NAT的IP地址
    • host有增删端口权限(增减连接设备)
    • 中继skype——通过NAT连接特定服务器(网络电话)

ICMP

  • ICMP(Internet Control MessageProtocol)互联网控制报文协议

  • 网络层协议,基于UDP,支持host+router

  • 封装在IP数据报中,在data部分

  • 功能:差错报告+网络探查


层次路由

  • AS(autonomous systems):自治系统,路由器层级

  • 热土豆路由:将分组发送给最近的网关路由器


RIP协议——AS内部路由协议

  • RIP(Routing Information Protocol):路由信息协议
  • 应用进程实现,基于UDP,完成网络层功能
  • 距离向量路由算法
    • IP形式通告
    • 30s一次通告,最多25个目的子网
    • 180s无接收通告则路径失效,洪范扩散开始
  • 相同成本路径——支持1条

OSPF协议——AS内部路由协议

  • OSPF (Open Shortest Path First)
  • 网络层协议,封装在IP数据报中
  • 链路状态路由算法
    • LS分组通告
    • 每个路由器都有AS完整拓朴图
    • Dijkstra算法计算路由
  • 相同成本路径——支持多条
  • 可实现AS中再分多ASs

BGP协议——AS之间路由协议

  • BGP (Border Gateway Protocol):边界网关协议
    • eBGP——AS之间传达信息
    • iBGP——AS内部传达信息
  • BGP会话——BG-BG之间,边界网关之间的对话
    • 前缀+路径向量(下一跳、先前路径)
    • 半永久TCP

参考资料:bilibili

💗 “每个人都有追求新鲜感的权利,也总有人在不断追求新鲜感,但大多数人总是忽略了一点:所谓新鲜感,有且仅有两种形式——和旧的人去做新的事、和新的人取做新的事。” 

                                                                      ——Created By 是羽十八ya

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