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计算机网络 （1）网络层

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计算机网络 网络层

基本概念

  • 网络层功能
    • 屏蔽各种不同类型网络之间的差异，实现互联
    • 了解通信子网的拓扑结构，选择路由，实现报文的网络传输
  • 面向连接的服务将复杂功能放在网络层，无连接的服务将功能放在传输层
  • 路由选择
    • 路由表：对每个目的节点指出分组应该发向的下一个节点
    • 路由选择算法：
      • 随机路由选择
      • 洪泛式路由选择
      • 固定式路由选择：每个节点都有一个人工计算得到的固定路由表
      • 自适应路由选择
        • 孤立的自适应路由选择：孤立地依据本节点自身的当前运行状态（流量和排队）信息来决定路由
          • 最短排队等待法
          • 最短排队加偏法
        • 分布式自适应路由选择
          • 距离矢量算法
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            • 交换的路径信息量大，坏消息收敛速度慢
            • 水平分裂——防止路由器向邻居返回一个从该邻居获得的最佳路径；抑制算法——现与相邻节点不通时，不重新选路径，而是把它设成无穷大
          • 链路状态算法
            • 发现它的邻接节点，并得到其网络地址
            • 测量它到各邻接节点的延迟或开销
            • 组装一个包含所有信息的分组并发给所有其他路由器
            • 计算到每个其他路由器的最短路径
  • 流量控制
    • 只在一对给定的发送方和接收方之间，调节某发送点和接收点之间的通信量
    • 集中式
    • 分布式
  • 拥塞控制
    • 全局性过程，涉及到网络中所有主机、路由器的行为；必须使得通信子网能够传送所有待传送数据；流量控制限制进入网络的信息总量，一定程度上缓解网络拥塞
    • 开环控制：良好的设计来避免拥塞问题
    • 闭环控制：基于反馈的拥塞控制
    • 漏桶/令牌桶算法
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IP层协议

  • 网络互联

    • 转发器
    • 网桥/交换机
    • 路由器

  • 路由器：利用网络地址（即IP地址）来区别不同的网络，实现网络的互联和隔离，保持各个网络的独立性；路由器的每一个接口都有一个不同网络号的 IP 地址

  • 三层交换机：集成交换机和路由器的功能

    • 二层交换模块：负责MAC层的寻址和数据帧的传递
    • 三层交换模块：负责IP层的寻址
    • 源端A利用ARP协议获得目的端B的MAC地址
      • 同一子网内，发送ARP广播请求包，获得目的端的MAC地址
      • 不同子网内，向默认网关发送ARP包，获得目的端的MAC地址
    • 目的MAC地址封装帧，数据转发由二层交换模块处理
    • 仅第一个报文需要三层交换模块处理，后继报文，依据选定的路由，在第二层转发

  • IP协议
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    • 数据报服务
    • IP地址的编址方法
      • 分类的IP地址
        • A类地址：（0打头）8+24
        • B类地址：（10打头）16+16
        • C类地址：（110打头）24+8
        • D类地址：1110+多播地址
        • E类细致：1111开头，保留为以后使用
      • 划分子网
        • 子网掩码
        • 按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网
      • 无分类编址CIDR
      • 私有IP地址：保留给私有网络的IP地址，路由器对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发
        • A类：10.0.0.0 - 10.255.255.255
        • B类：172.16.0.0 - 172.31.255.255
        • C类：192.168.0.0 - 192.168.255.255
      • 特殊IP地址
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    • 转发流程
      • 首部提取目的主机的 IP 地址
      • 若目的网络与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机
      • 若路由表中有目的地址的特定主机路由，则交给指明的下一跳路由
      • 若路由表中有到达目的网络的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器
      • 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给默认路由器
      • 报告转发分组出错

  • 其他 IP 层协议

    • ICMP：PING，Traceroute
      • 差错报告
      • 询问
        • 时间戳请求和回复
        • 回送请求和回复
    • ARP：由IP地址查找MAC地址
      • 直接交付时，ARP解析的是目的主机IP地址与MAC地址的映射——ARP广播帧
      • 间接交付时，ARP解析的是下一跳路由器IP地址与MAC地址的映射
    • RARP：与ARP相反

  • VPN与NAT

  • 路由选择协议

    • 分层次的路由选择协议

    • 使用一种AS（自治系统）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，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

    • 域内路由选择IGP

      • RIP
        • 仅和相邻路由器交换信息
        • 按固定的时间间隔交换路由信息
        • 信息是自己的路由表
        • 距离向量算法
      • OSPF
        • 向本自治系统中所有路由器发送信息
        • 信息是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态：与哪些路由器相邻，以及该链路的度量
        • 只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器用洪泛法发送此消息
        • 分层管理：将一个AS分成若干个区域
        • OSPF 不用 UDP 而是直接用 IP 数据报传送

    • 域间路由选择EGP

      • BGP

        • 力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由，而并非要寻找一条最佳路由

        • 每一个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的“ BGP 发言人“

        • 发言人交换路由信息

        • 交换路由信息的结点数量级是自治系统数的量级

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