计算机网络原理梳理丨网络层
目录
- 网络层的服务
- 数据报网络与虚电路网络
- 网络互连与网络互联设备
- 网络层拥塞控制
- Internet 网络层
- 路由算法与路由协议
网络层的服务
网路层的主要作用是将网络层数据报从源主机送达到目的主机
主要功能有：
- 转发：分组从输入接口转移到输出接口
- 路由选择：决定分组经过的路由或路径
数据报网络与虚电路网络
网络技术总体上可以分为两种，即：数据报网络与虚电路网络，本质均属于分组交换技术，但都有各自的特点与区别
数据报网络
按照目的主机地址，进行路由选择的网络，如互联网，高效但不可靠
特点：
1.无连接
2.每个分组作为独立数据报进行传送，路径也可能不同
3.分组可能出现乱序和丢失
虚电路网络
在网络层提供面向连接的分组交换服务，如异构网络，可靠但需要占用较多资源
特点：
1.建立一条网络逻辑连接
2.不需要为每条虚电路分配独享资源
3.根据虚电路好沿着虚电路路径按序发送
网络互连与网络互联设备
异构网络互连
异构网络互联是指两个网络的通信技术和运行的协议不同
异构网络互连的基本策略为：
1.协议转换
2.构建虚拟互联网络（如：使用IP协议构建的互联网）
路由器
交换结构：
1.基于内存交换
2.基于总线的交换
3.基于网络交换
路由处理器：
执行路由器的各种指令，包括路由协议的运行、路由的计算以及路由表的更新维护等
网络层拥塞控制
拥塞：指持续过载的网络状态，用户对网络资源的总需求超过了网络固有的容量
原因：
1.缓冲区容量有限
2.传输线路的带宽有限
3.网络节点的处理能力有限
4.网络中某些部分发生了故障
流量感知路由
根据网络的负载情况动态调整，将网络流量引导到不同的链路上，均衡网络负载，从而延缓或者避免拥塞的发生
准入控制
广泛的应用于虚电路网络的拥塞预防技术
对新建蓄电网路进行审核，如果新建虚电路会导致网络变得拥塞，那么网络拒绝建立该新虚电路
流量调节
- 感知拥塞
- 处理拥塞
2.1 抑制分组：给拥塞数据报的源主机返回一个抑制分组
2.2 背压：让抑制分组在从拥塞节点到源节点的路径上的每一跳，都发挥抑制作用
负载脱落
路由器主动丢弃某些数据报
1.丢弃新的分组：如GBN
2.丢弃老的分组如实时视频流
Internet 网络层（IPv4 协议）
IP数据报格式
版本号：区分IPv4或IPv6
首部长度：控制可变部分长度
区分服务：对不同服务区别服务
总长度：IP包总长度
标志：IP包是否被分割
片偏移：分割后的序号
生存时间：IP包被转发出错时，留存时长
协议：标识数据部分属于哪个协议
首部检验和：避免首部出现错误
源地址：数据发送主机的IP地址
目的地址：数据接收主机的IP地址
注意：IP首部固定部分为20字节
IP数据报分片
标识：判断分片是否属于同一个IP数据报
标志：判断是否为最后一个分片
片偏移：判断各分片的先后顺序
IPv4地址长度
32位二进制，点分十进制标记法
子网划分
子网划分：将一个较大的子网划分为多个较小子网的过程
超网：将具有较长前缀的相对较小的子网合并为一个具有稍短前缀的的相对较大的子网
较大子网具有较短的网络前缀，较小子网具有稍长的前缀
子网掩码：用来定义一个子网的网络前缀
动态主机配置协议（DHCP）
为网络内的主机提供动态IP地址分配服务，步骤分为：
1.DHCP服务器发现
2.DHCP服务器提供
3.DHCP服务器请求
4.DHCP确认
网络地址转换（NAT）
使私有地址（保留地址）的主机可以访问互联网
替换内容：
1.从内网进入互联网数据报：
将其原IP地址替换为NAT服务器拥有合法的公共IP地址，同事替换源端口号，并将替换关系记录到NAT转换表中
- 从互联网返回的IP数据报：
依据其目标IP地址与目的端口号检索NAT转换表，得到内部似有的IP地址与端口号，替换目的IP地址和目标端口号，然后将IP数据报转发到内部内部网络
互联网控制报文协议（ICMP）
在主机或路由器间，实现差错信息报告
-
差错报告报文：终点不可达、源点抑制、时间超市、参数问题、路由重定向
-
询问报文：回声（echo）请求/应答、时间戳、请求/应答
IPv6
- 解决 IPv4 地址耗尽问题
- IPv6 报文首部长度固定40字节
- IPv6 地址长度128位
- IPv4 到 IPv6 迁移
迁移技术：
1.双协议栈
2.隧道
路由算法与路由协议
链路状态路由选择算法
链路状态路由选择算法是一种全局式路由选择算法，每个路由器通过从其他路由器获得的六链路状态信息构建出整个网络的拓扑图。
计算最短路径：Dijkstra算法
距离向量路由选择算法
每个节点基于其余邻居节点的直接链路距离，以及邻居节点交换过来的距离向量，计算并更新其到达每个目的节点最短的距离，然后将新的距离向量在通告给其所有邻居，直到距离向量不变
层次化路由选择算法
实现大规模网络路由选择最有效的、可行的解决方案
Internet 路由选择协议
-
内部网关协议
1.1 RIP：基于距离向量选择算法，跳数作为距离度量，最大距离不超过15跳，没30秒交换一次距离向量。适合小规模网络。
1.2 OSPF：基于链路状态路由选择算法。适合大规模网络 -
外部网关协议
2.1 BGP
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