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计算机网络四网络层一、概述和功能TCP/IP协议栈IP数据报格式IP数据报分片二、ipv4网络地址转换NAT子网划分子网掩码ARP协议地址解析协议DHCP协议ICMP协议二、ipv6ipv4和ipv6的区别IPv6基本地址类型IPv6向IPv4过渡的策略三、路由算法及路由协议内部网关协议IGPRIP距离向量路由算法RIP特点距离向量算法OSPF协议特点链路状态路由算法OSPF的区域外部网关协议EGPBGP协议BGP协议报文格式BGP协议特点BGP-4的四种报文三种路由协议比较四、IP组播IP组播地址硬件组播IGMP协议组播路由选择协议一、概述和功能
主要任务是把分组从源端传到目的端为分组交换网上的不同主机提供通信服务。 网络层传输单位是数据报
功能一路由选择与分组转发 功能二异构网络互联 功能三拥塞控制方法一开环控制 方法二闭环控制
TCP/IP协议栈 IP数据报格式 版本指IP的版本 首部长度占4位以32位为单位最大60B常用首部20B 总长度占16位指首部和数据之和的长度单位1B 标识占16位,它是一个计数器每产生一个数据包1并赋值给标识字段。当数据报的长度超过网络的MTU时必须分片。 标志占3位标志字段最低位位MFMF1标识后面还有分片MF0标识最后一个分片。 片偏移占13位指较长的分组分片后某片在分组的位置 首部检验和占16位IP数据报的首部检验和分组中的首部 生存周期TTL占8位数据报在网络中通过的路由器数的最大值确保分组不会永远在网络中循环 协议占8位指出此分组携带的哪种协议。 源地址字段占4B发送方的ip地址 目的地址字段4B接收方的ip地址
IP数据报分片
以太网的MTU是1500字节。超过需要进行分片。
二、ipv4
IP地址全世界唯一的32位/4字节标识符标识路由器主机的接口。 IP地址{网络号,主机号} 特殊IP地址:
私有IP地址:
分类的IP地址 网络地址转换NAT
网络地址转换NATNetwork Address Translation在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器它至少有一个有效的外部全球IP地址。
子网划分
分类的IP地址的弱点 1.IP地址空间的利用率有时很低。 2.两级IP地址不够灵活 子网掩码 已知IP地址是141.14.72.24子网掩码是255.255.192.0求网络地址。如果子网掩码是255.255.224.0求网络地址 77的二进制01001011 子网掩码11111100 广播要全为1选C
路由器转发分组的算法 1)从收到的分组的首部提取目的IP地址记为D. 2)先判断是否为直接交付。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匹配。若匹配则将分组直接交付否 则间接交付执行步骤3)。 3)若路由表中有目的地址为D的特定主机路由则将分组传送给路由表中所指明的下一-跳 路由器;否则执行4)。 4)对路由表中的每一行(目的网络地址、子网掩码、下一跳地址)中的子网掩码和D逐位 相“与”其结果为N。若N与该行的目的网络地址匹配则将分组传送给该行指明的下 跳路由器; 否则执行步骤5)。 5)若路由表中有一个默认路由则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器:否则执 行步骤6)。 6)报告转发分组出错。
ARP协议地址解析协议
由于在实际网络的链路上传送数据帧时最终必须使用MAC地址。
ARP协议使用过程 检查ARP高速缓存有对应表项则写入MAC帧没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组同一局域网中所有主机都能收到该请求。目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP响应分组源主机收到后将此映射写入ARP缓存10-20min更新一次。
ARP协议4种典型情况 1.主机A发给本网络上的主机B用ARP找到主机B的硬件地址 2.主机A发给另一网络上的主机B用ARP找到本网络上一个路由器网关的硬件地址 3.路由器发给本网络的主机A用ARP找到主机A的硬件地址 4.路由器发给另一网络的主机B用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。
DHCP协议
动态主机配置协议DHCP是应用层协议使用客户/服务器方式客户端和服务端通过广播方式进行交互基于UDP。
DHCP提供即插即用联网的机制主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址允许地址重用支持移动用户加入网络支持在用地址续租。
1.主机广播DHCP发现报文 2.DHCP服务器广播DHCP提供报文 3.主机广播DHCP请求报文 4.DHCP服务器广播DHCP确认报文
ICMP协议
ICMP差错报告报文5种 1.终点不可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可达报文。 2.源点抑制当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时就向源点发送源点抑制报文使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。 3.时间超过当路由器收到生存时间TTL0的数据报时除丢弃该数据报外还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时就把已收到的数据报片都丢弃并向源点发送时间超过报文。 4.参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丢弃该数据报并向源点发送参数问题报文。 5.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可通过更好的路由。
不应发送ICMP差错报文的情况 1.对ICMP差错报告报文不再发送ICMP差错报告报文。 2.对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP差错报告报文。 3.对具有组播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文。 4.对具有特殊地址如127.0.0.0或0.0.0.0的数据报不发送ICMP差错报告报文。
ICMP询问报文 1.回送请求和回答报文主机或路由器向特定目的主机发出的询问收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。测试目的站是否可达以及了解其相关状态。
2.时间戳请求和回答报文请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。用来进行时钟同步和测量时间。
二、ipv6 ipv4和ipv6的区别
1.IPv6将地址从32位4B扩大到128位16B更大的地址空间。 2.IPv6将IPv4的校验和字段彻底移除以减少每跳的处理时间。 3.IPv6将IPv4的可选字段移出首部变成了扩展首部成为灵活的首部格式路由器通常不对扩展首部进行检查 大大提高了路由器的处理效率。 4.IPv6支持即插即用即自动配置不需要DHCP协议。 5.IPv6首部长度必须是8B的整数倍IPv4首部是4B的整数倍。 6.IPv6只能在主机处分片IPv4可以在路由器和主机处分片。 7.ICMPv6附加报文类型“分组过大”。 8. IPv6支持资源的预分配 支持实时视像等要求保证一定的带宽和时延的应用。 9.IPv6取消了协议字段改成下一个首部字段。 10.IPv6取消了总长度字段改用有效载荷长度字段。 11.IPv6取消了服务类型字段
IPv6基本地址类型
单播一对一通信可做源地址目的地址 多播一对多通信可做目的地址 任播一对多的一个通信可做目的地址
IPv6向IPv4过渡的策略
双栈协议双协议栈技术就是指在一台设备上同时启用IPv4协议栈和IPv6协议栈。这样的话这台设备既能和IPv4网络通信又能和IPv6网络通信。如果这台设备是一个路由器那么这台路由器的不同接口上分别配置了IPv4地址和IPv6地址并很可能分别连接了IPv4网络和IPv6网络。如果这台设备是一个计算机那么它将同时拥有IPv4地址和IPv6地址并具备同时处理这两个协议地址的功能。
隧道技术 通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式。使用隧道传递的数据或负载可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将其它协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送。
三、路由算法及路由协议
内部网关协议IGP
路由器间彼此交换信息按照路由算法优化出路由表项 路由更新快适用大型网络及时响应链路费用或网络拓扑变化。算法复杂增加网络负担。
RIP距离向量路由算法
RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议是因特网的协议标准最大优点是简单。 RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离记录即一组距离。 距离通常为“跳数”即从源端口到目的端口所经过的路由器个数经过一个路由器跳数1。特别的从一路由器到直接连接的网络距离为1。RIP允许一条路由最多只能包含15个路由器因此距离为16表示网络不可达。 RIP特点
1.仅和相邻路由器交换信息 2.路由器交换的信息是自己的路由表 3.每30秒交换一次路由信息然后路由器根据新信息更新路由表。若超过180s没收到邻居路由器的通告则判定邻居没了并更新自己路由表
距离向量算法
对于每个相邻路由器发过来的RIP报文具体步骤 1.修改相邻路由器发来的RIP报文中所有表项对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文修改此报文中的所有项目把“下一跳”字段中的地址改为X并把所有的“距离”字段1。
2.对修改后的RIP报文中的每一个项目进行以下步骤
1R1路由表中若没有Net3则把该项目填入R1路由表2R1路由表中若有Net3则查看下一跳路由器地址
若下一跳是X则用收到的项目替换源路由表中的项目 若下一跳不是X 原来距离比从X走的距离远则更新否则不作处理。
3.若180s还没收到相邻路由器X的更新路由表则把X记为不可达的路由器即把距离设置为16。 4.返回
例题
已知路由器R6的路由表现收到相邻路由器R4发来的路由更新信息试更新路由器R1的路由表 RIP协议是好消息传得快坏消息穿得慢 假设网1发生故障R1路由器更新路由表 1 16 _ 表示网1不可到达R2要发消息给网1R1接收到了R2发来得RIP报文修改R2得RIP报文 1 3 R2,与自己的1 16 _比较发现可以通过R2到达网1实际上不能的最后双方不断发RIP报文更新到16不可达。
OSPF协议
特点
1.使用洪泛法向自治系统内所有路由器发送信息即路由器通过输出端口向所有相邻的路由器发送信息而每一个相邻路由器又再次将此信息发往其所有的相邻路由器 2.发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态 3.只有当链路状态发生变化时路由器才向所有路由器洪泛发送此信息。 最后所有路由器都能建立一个链路状态数据库即全网拓扑图。
1.每隔30min要刷新一次数据库中的链路状态。 2.由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。 3.OSPF不存在坏消息传的慢的问题它的收敛速度很快。
链路状态路由算法
1.每个路由器发现它的邻居结点【HELLO问候分组】并了解邻居节点的网络地址。 2.设置到它的每个邻居的成本度量metric。 3.构造【DD数据库描述分组】向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息。 4.如果DD分组中的摘要自己都有则邻站不做处理如果有没有的或者是更新的则发送【LSR链路状态请求分组】 请求自己没有的和比自己更新的信息。 5.收到邻站的LSR分组后发送【LSU链路状态更新分组】进行更新。 6.更新完毕后邻站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认。 只要一个路由器的链路状态发生变化 5.泛洪发送【LSU链路状态更新分组】进行更新。 6.更新完毕后其他站返回一个【LSAck链路状态确认分组】进行确认。 7.使用Dijkstra根据自己的链路状态数据库构造到其他节点间的最短路径
OSPF的区域
为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围叫做区域。每一个区域都有一个 32 位的区域标识符用点分十进制表示。区域也不能太大在一个区域内的路由器最好不超过 200 个 外部网关协议EGP
BGP协议 BGP 所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列 AS。当 BGP 发言人互相交换了网络可达性的信息后各 BGP 发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各 AS 的较好路由。
BGP协议报文格式
一个 BGP 发言人与其他自治系统中的 BGP 发言人要交换路由信息就要先建立 TCP 连接即通过TCP传送然后在此连接上交换 BGP 报文以建立 BGP 会话(session)利用 BGP 会话交换路由信息。 BGP协议特点
BGP 支持 CIDR因此 BGP 的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。 在 BGP 刚刚运行时BGP 的邻站是交换整个的 BGP 路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销都有好处。
BGP-4的四种报文
1.OPEN打开报文用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系并认证发送方。 2.UPDATE更新报文通告新路径或撤销原路径。 3.KEEPALIVE保活报文在无UPDATE时周期性证实邻站的连通性也作为OPEN的确认。 4.NOTIFICATION通知报文报告先前报文的差错也被用于关闭连接。
三种路由协议比较
RIP是一种分布式的基于距离向量的内部网关路由选择协议通过广播UDP报文来交换路由信息。 OSPF是一个内部网关协议要交换的信息量较大应使报文的长度尽量短所以不使用传输层协议如UDP 或TCP而是直接采用IP。 BGP是一个外部网关协议在不同的自治系统之间交换路由信息由于网络环境复杂需要保证可靠传输所 以采用TCP。 四、IP组播
当网络中的某些用户需要特定数据时组播数据发送者仅发送一次数据借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树被传递的数据到达距离用户端尽可能近的节点后才开始复制和分发是一种点对多点传输方式。
IP组播地址
IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址一群共同需求主机的相同标识。 组播地址范围为224.0.0.0239.255.255.255D类地址一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。 1.组播数据报也是“尽最大努力交付”不提供可靠交付应用于UDP。 2.对组播数据报不产生ICMP差错报文。 3.并非所有D类地址都可以作为组播地址。
硬件组播
同单播地址一样组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到的
IGMP协议 1.某主机要加入组播组时该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文声明自己要称为该组的成员。本地组播路由器收到IGMP报文后要利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器 2.本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机以便知道这些主机是否还是组播组的成员。只要有一个主机对某个组响应那么组播路由器就认为这个组是活跃的如果经过几次探询后没有一个主机响应组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。
组播路由选择协议
组播路由协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。构造树可以避免在路由器之间兜圈子。对不同的多播组对应于不同的多播转发树同一个多播组对不同的源点也会有不同的多播转发树。
