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盘算机网络知识总结(四)网络层(上)

本文摘要:1、网络层提供两种服务网络层向上只提供简朴灵活的、无毗连的、尽最大努力交付的数据报服务。网络层不提供服务质量的答应。虚电路服务借助于电信网的乐成履历,让网络卖力可靠交付。用面向毗连的通信方式,当两个盘算机举行通信时,应当向建设毗连(在分组交流中建设一条虚电路VC(Virtual Circuit)),以保证双方通信所需的一切网络资源,然后双方沿着已建设的虚电路发送分组。

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1、网络层提供两种服务网络层向上只提供简朴灵活的、无毗连的、尽最大努力交付的数据报服务。网络层不提供服务质量的答应。虚电路服务借助于电信网的乐成履历,让网络卖力可靠交付。用面向毗连的通信方式,当两个盘算机举行通信时,应当向建设毗连(在分组交流中建设一条虚电路VC(Virtual Circuit)),以保证双方通信所需的一切网络资源,然后双方沿着已建设的虚电路发送分组。

这样的分组的首部不需要填写完整的目的主机地址,而只需要填写这条虚电路的编号(一个不大的整数),因而淘汰了分组的开销。这种通信方式如果再使用可靠传输的网络协议,就可使所发的分组无差错按序到达终点,也不丢失、不重复。

在通信竣事后要释放建设的虚电路,图1(a)是网络提供虚电路服务的示意图,主机H1和H2之间交流的分组都必须在事先建设的虚电路上传送。数据报服务思量到盘算机网络的端系统是有智能的盘算机,盘算机有很强的差错处置惩罚能力(不像电信网的终端(电话机)很是简朴,无智能和差错处置惩罚能力),因此因特网在设计上就接纳了和电信网完全差别的思路。网络层向上只提供简朴灵活的、无毗连的、尽最大努力交付的数据报服务。

网络在发送分组时不需要先建设毗连,每一个分组(也就是IP数据报)独立发送,与其前后的分组无关(不编号)。网络层不提供服务质量的答应。所传送的分组可能堕落、丢失、重复和失序,也不保证分组交付的时限。

由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务,这样的利益是路由器做得比力简朴而且价钱低廉,大大降低了网络的造价,运行方式灵活,能够适应多种应用。图1(b)是网络提供数据报服务的示意图,主机H1向H2发送的分组各自独立地选择路由,而且传送的历程中还可能丢失。

2、网际协议IP与IP协议配套使用的另有三个协议地址剖析协议 ARP网际控制报文协议ICMP网际组治理协议IGMP虚拟互连网络由于用户的需求是多种多样的,没有一种单一的网络能够适应所有用户的需求,所以市场上有许多种差别性能、差别网络协议的网络。面临差别的寻址方案、差别的最大分组长度、差别的网络接入机制、差别的超时控制、差别的差错恢复方法等等,网络的互连变得庞大。将网络相互毗连起来要使用一些中间设备在物理层使用的中间设备叫转发器。目的是增强信号强度的在数据链路层使用的中间设备叫网桥。

在数据链路层使用的中间设备叫网桥。网络层使用的是路由器。

卖力路由选择,功效简朴地说就是存储转发网络层使用的是路由器。卖力路由选择,功效简朴地说就是存储转发网络层以上使用的中间设备叫网关(gateway)网络层以上使用的中间设备叫网关(gateway)互联网可以由多种异构网络互连组成。H1 - R1 - R2 - R3 - R4 - R5 - H2分类的IP地址1. IP地址及其表现方法IP地址就是给因特网上的每一个主机(或路由器)的每一个接口分配一个在全世界规模是唯一的32位的标识符。

IP地址 ::= {<网络号>, <主机号>}A类、B类和C类地址都是单播地址2. 常用的三种种别的IP地址说明:特殊的几个IP地址:127.0.0.1:当地环回测试,网络号为127的都是;169.254.0.0:动态获取IP失败,零时用的;下面几个是保留的私网地址:【互联网上的路由器找不到的】10.0.0.0:保留给一些政府单元或者学校用;172.16.0.0 — 172.31.0.0192.168.0.0 — 192.168.255.03.IP地址的一些重要特点每一个IP地址都是由网络号和主机号两部门组成。路由器仅凭据目的主机所毗连的网络号来转发分组(而不思量目的主机号),这样就可以使路由表中的项目数大幅度淘汰,从而减小了路由表所占的存储空间以及查找路由表的时间;实际上IP地址是标志一台主机(或路由器)和一条链路的接口。当一台主机同时毗连到两个网络上时,该主机就必须具有两个相同的IP地址,必须是网络号差别的。所以,路由器是用来毗连差别网络的,所以一个路由器应当至少有2个IP地址。

这就好比一个修建正利益在北京路和上海路的交织口上,那么这个修建就可以拥有两个门牌号,例如:北京路4号和上海路37号;用转发器或网桥毗连起来的若干个局域网仍为一个网络,因为它们的网络号相同。具有差别网络号的局域网必须使用路由器举行互联;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,就是指互联网同等看待每一个IP地址。IP地址与硬件地址物理地址(MAC地址)是数据链路层和物理层使用的地址,而IP地址是网络层和以上各层使用的地址,是一种逻辑地址。在发送数据时,数据从高层下到低层,然后才到通信链路上传输。使用IP地址的IP数据报一旦交给了数据链路层,就被封装成了MAC帧了。

MAC在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址,这两个硬件地址都写在了MAC帧的首部了。总之:IP地址放在IP数据报的首部,而硬件地址放在MAC帧的首部。

在网络层和网络层以上使用IP地址,而在数据链路层及以下使用硬件地址。当IP数据报放入数据链路层的MAC帧后,整个的IP数据报都成为了MAC帧的数据,因而在数据链路层是看不见数据报的IP地址的。交流机基于数据帧的MAC地址转发数据帧,路由器基于数据包的IP地址转发数据包;数据包在传输历程中稳定,过网络设备时,数据帧要用新的物理层地址重新封装;—— 即MAC地址变化MAC地址决议了数据帧下一跳哪个设备吸收,而IP地址决议了数据包的起点和终点。

地址剖析协议ARPARP协议作用:将网络层使用的IP地址剖析出数据链路层使用的硬件地址(即:MAC地址)。RARP协议作用:也叫逆向ARP,它的作用是使只知道自己硬件地址的主性能够通过RARP协议找出其IP地址。可是现在的DHCP协议已经包罗了RARP协议的功效了。

每一台主机都设有一个ARP高速缓存,内里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。那么主机是怎样知道这些地址的呢?看下面主机A向主机B发送一个数据包的历程:当主机A向本局域网中的主机B发送IP数据报时,就先在其ARP高速缓存中检察有无主机B的IP地址。如果有,就在ARP高速缓存中查出其对应的硬件地址,再把这个硬件地址写入MAC帧,然后再通过局域网把该MAC帧发往此硬件地址。

如果在ARP高速缓存中没有查到主机B的IP地址,那么主机A就自动运行ARP,再根据下面的步骤找出主机B的硬件地址:(1)主机A的ARP历程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组,内容包罗自己的IP地址和MAC地址以及要找的主机IP地址;(2)在本局域网上的所有主机上运行的ARP历程都收到ARP请求分组;(3)主机B的IP地址与ARP请求分组中要查询的IP地址一致,就收下这个ARP请求分组,并向主机A发送ARP响应分组,同时将这个ARP相应分组中写入自己的硬件地址,同时也会将主机A的IP到硬件地址的映射写入自己的ARP高速缓存。(4)主机A收到主机B的ARP响应分组后,就在其ARP高速缓存中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射。

说明:为了防止硬件地址的变换而导致通信故障,ARP对生存在高速缓存中的每一个映射地址项目都设置生存时间,凡凌驾生存时间的项目就从高速缓存中删掉。IP数据报的花样一个IP数据报由首部和数据两部门组成。首部的前一部门是牢固长度,共20个字节,是所有IP数据报必须具有的。

在首部的牢固部门的后面是一些可选字段,其长度是可变的。首部各字段的意义如下所示:版本:占4位,指IP协议的版本,是4还是6;首部长度:占4位,5~15;区分服务:实时性要求高不高决议要不要用;总长度:指首部和数据之和的长度,单元为字节。

总长度字段为16位,因此数据报的最大长度为:2^16 - 1 = 65535字节。可是IP层下面的数据链路层中的一个数据帧中的数据字段最大传输单元MTU为1500,所以,如果数据报的长度凌驾了MTU,需要举行分片处置惩罚;标识:占16位,用于标识分片后的数据报,最后能组装成原来的数据报;标志:MF=1,后面另有分片;MF=0,后面没有分片了;DF:不能分片。(MF:More Fragment DF:DonotFragment)片偏移:占13位,相对于用户数据起点,该片从那边开始。

片偏移以8字节位偏移单元,看后面的图片示例;生存时间:占8位,TTL(Time To Live),单元为跳数。路由器没转发数据报之前就把TTL值减1,最大数值为255;协议:占8位,标志上层需要使用哪个协议举行处置惩罚,常用的协议字段如下图所示;首部磨练和:占16位,只磨练数据报的首部,不包罗数据部门;源地址:占32位,4字节;目的地址:占32位,4字节。可变部门:用来支持排错、丈量以及宁静等措施,很少被使用。

分片数据报首部磨练和IP层转发分组的流程在互联网上转发分组的时候,是从一个路由器转发到下一个路由器。说明:(1)从上图可以看出来,与路由器R2直连的网络不需要路由表,可以之间交付。可是没有直连的网络则需要路由表来指明目的主机所在的网络以及下一跳的地址;(2)图中每一个路由器都毗连两个网络,则每一个路由器都有两个差别的IP地址。

分组转发算法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N。若N就是与此路由器直接相连的某个网络地址,则举行直接交付,不需要再经由其他的路由器,直接把数据报交付给目的主机(把目的主机地址D转换为详细的硬件地址,把数据报封装为MAC帧,再发送此帧);否则就是间接交付,执行下一步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讲明的下一跳路由器;否则,执行下一步。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中所指明的下一跳路由器;否则,执行下一步.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,执行下一步。

陈诉转发分组堕落。3、子网的划分划分子网从两级IP地址到三级IP地址:网络号、子网号、主机号,可以用下面的记法来表现子网的IP形式:三级IP地址可以表现为:IP地址 ::= {<网络号>, <子网号>, <主机号>}划分子网基本思路(1)划分完子网后,本单元以外的网络是看不见这个子网的,对于它们来说这个单元仍然体现为一个网络;(2)三级IP地址可以表现为:IP地址 ::= {<网络号>, <子网号>, <主机号>};(3)通常从其他网络发送给本单元某台主机的IP数据报,仍然凭据数据报的目的网络号找到毗连到本单元网络上的路由器。

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但此路由器在收到IP数据报后,再按目的网络号和子网号找到目的子网,将数据报交给目的主机。子网掩码一个网络中的路由器怎么找到子网,将数据报发送给它呢?从IP数据报的首部是无法看出源主机或者目的主机是否举行了子网划分,这个时候就需要使用子网掩码了。子网掩码的特点:网络号部门都为1,主机部门都为0。

所以都是255.255.,形式(以B类地址为例)。使用子网掩码的利益:不管网络有没有划分过子网,只要把子网掩码和IP地址举行逐位的“与”(AND)运算,就可以立刻得出网络地址。子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。

RFC950中划定:路由器在和相邻路由器交流路由信息时,就必须把自己所在网络或者子网的子网掩码告诉相邻的路由器。在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。划分子网增加了灵活性,但却淘汰了能够毗连在网络上的主机总数。(每个子网的第一个和最后一个IP都没法用)使用子网时分组的转发路由表必须包罗以下三项内容:目的网络地址,子网掩码和下一跳地址。

由器转发分组的算法(流程)如下:从收到的数据报首部提取目的IP地址D先判断是否为直接交付。对路由器直接相连的网络举行逐个检查:用各网络的子网掩码和D逐位相与,看效果是否和相对应的网络地址匹配。

若匹配,则把分组举行直接交付,转发任务竣事。否则就是间接交付,执行(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:否则执行(4)。对路由表的每一行,用其中的子网掩码和D逐位相与,其效果为N。

若N与该行的目的网络地址匹配,则把数据报传送给该行指明的下一跳路由器;否则执行(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)。

陈诉转发分组堕落。无分类编址CIDR(结构超网)1.网络前缀无分类编址的正式名字为:无分类域间路由选择CIDR(Classless Inter-Domain Routing,CIDR读作“sider”)。CIDR主要的两个特点:(1)CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址以及子网的观点。CIDR将32位的IP地址划分为前后两个部门。

前部门是”网络前缀“,用来指明网络,后面的部门用来指明主机。因此无分类的两级编址为:IP地址 :== {<网络前缀>, <主机部门>}(2)CIDR将网络前缀都相同的一连的IP地址组成一个”CIDR地址块“。知道CIDR地址块中的任何一个地址,就可以知道这个地址块的最小地址和最大地址,以及地址块中的地址数。

如下图所示案例:这两个特殊的主机号是全0和全1的地址,一般不使用。路由聚合:由于一个CIDR块地址块中有许多地址,所以在路由表中就使用CIDR地址块来查找目的网络。这种地址的聚合称为路由聚合。

路由聚合也称为结构超网。2. 最长前缀匹配CIDR中的IP地址用网络前缀和主机两部门表现。因而,路由表中的每个项目由”路由前缀“和”下一跳地址“组成,可是在查找路由表时可能会获得不止一个匹配效果,应当从匹配效果中选择具有最长网络前缀的路由。

这叫做最长前缀匹配,因为网络的前缀越长,地址块就越小,因而路由就越详细。故又称为最佳匹配。3. 使用二叉线索查找路由表为了越发有效地查询,通常是把无分类地址的路由表存放在一种条理的数据结构中,然后自上而下地按条理举行查找。

这里最常用的就是二叉索引(binary trie),它是一种特殊结构的树。IP地址中从左到右的比特值决议了从根节点逐层向下层延伸的路径,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。

说明:图中小圆圈代表中间节点、小方框代表叶子节点(每个叶节点代表唯一前缀)从二叉线索的根节点自顶向下的深度最多32层,每一层对应IP地址中的一位。一个IP地址存入二叉索引的规则也很简朴。先检查IP地址左边的第一位,如果为0,则第一层的节点就在根节点的左下方,如果为1,则在右下方。

然后再检查地址的第二位,结构出第二层的结点,以此类推,直至唯一前缀的最后一位。图中加粗的就是前缀0101在这个二叉线索中的路径。

这里需要说明: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,还要和子网掩码举行一次逻辑与运算。为了提高二叉线索的查找速度,广泛使用种种压缩技术。如果前四位是一样的,直接从第五位开始比力。

4、网络控制报文协议ICMP为了更有效地转发IP数据报和提高交付乐成的时机,在网际层使用了网际控制报文协议ICMP(Internet Control Message Protocol)。ICMP允许主机或路由器陈诉差错情况和提供有关异常情况的陈诉。

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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。ICMP报文的种类ICMP报文有两种:ICMP差错陈诉报文和ICMP询问报文。

几种常用的ICMP报文类型如下表所示:ICMP差错陈诉报文共有四种:终点不行达。当路由器或主机不能交付数据报时就向源点发送终点不行达报文。

时间凌驾。当路由器收到生存时间为零的数据报时,除抛弃该数据报之外,还要向源点发送时间凌驾报文参数问题。当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时,就抛弃该数据报,并向源点发送参数问题报文。

改变路由(重定向)。路由器把改变路由报文发送给主机,让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器。

常用的ICMP询问报文有两种:回送请求和回覆。ICMP回送请求报文是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问。收到此报文的主机必给源主机或路由器发送ICMP回送回覆报文。

这种询问报文用来测试目的站是否可达以及相识其有关状态。时间戳请求回覆。

ICMP时间戳请求报文是某台主机或路由器回覆当前的日期和时间。ICMP应用举例ICMP的一个重要的应用就是分组网间探测PING(Packet InterNet Groper),用来测试两台主机之间的连通性。PING使用了ICMP回送请求和回送回覆报文。PING是应用层直接使用网络层ICMP协议的一个例子。

它没有通过运输层的TCP或者UDP。详细应用:ping 目的主机名/IP : 检察网络通不通、往返时间等等信息tracert 目的主机IP:跟踪路由,检察从源主机到达目的主机所经由的路由器的IP地址,以及到达其中每一个路由器的往返时间;(说明:Linux下该下令为traceroute)pathping 目的主机IP:功效同tracert。文章内容泉源于网络,作者:赫凯。


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