云课堂入门整理---计算机网络-网络层（上）

网络层服务

从发送主机向接收主机传送数据段（segment ） 
发送主机：将数据段封装到数据报（datagram ）中

接收主机：向传输层交付数据段（segment ）

每个主机和路由器都运行网络层协议

路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域

• 决策如何处理IP数据报

网络层核心功能-转发与路由

转发:将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口 
路由:确定分组从源到目的经过的路径

路由算法(协议)确定通过网络的端到端路径 
转发表确定在本路由器如何转发分组

网络层核心功能-连接建立

某些网络的重要功能

• ATM,帧中继,X.25 
  数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接

• 网络设备(如路由器)参与连接的建立

网络层连接与传输层连接的对比

• 网络层连接: 两个主机之前(路径上的路由器等网络设备参与其中)
• 传输层连接: 两个应用进程之间(对中间网络设备透明)

网络层服务模型

无连接服务(connection-less service):

• 不事先为系列分组的传输确定传输路径
• 每个分组独立确定传输路径
• 不同分组可能传输路径不同
• 数据报网络(datagram network )

连接服务(connection service):

• 首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径(建立连接)
• 然后沿该路径（连接）传输系列分组
• 系列分组传输路径相同
• 传输结束后拆除连接
• 虚电路网络(virtual-circuit network )

数据报与虚电路网络

虚电路网络

数据报(datagram)网络与虚电路(virtual-circuit)网络是典型两类分组交换网络

数据报网络提供网络层无连接服务

虚电路网络提供网络层连接服务

类似于传输层的无连接服务（UDP）和面向连接 
服务（TCP ），但是网络层服务：

• 主机到主机服务
• 网络核心实现

虚电路: 一条从源主机到目的地的主机,类似于电路的路径(逻辑连接)

• 分组交换
• 每个分组的传输利用链路的全部带宽
• 源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能

通信过程：

• 呼叫建立(call setup)→数据传输→拆除呼叫 
  每个分组携带虚电路标识(VCID)， 而不是目的主机地址 
  虚电路经过的每个网络设备(如路由器),维护每条经过它的虚电路连接状态 
  链路、 网络设备资源(如带宽、 缓存等)可以面向VC进行预分配
• 预分配资源=可预期服务性能
• 如ATM的电路仿真(CBR)

VC具体实现

每条虚电路包括: 
1. 从源主机到目的主机的一条路径 
2. 虚电路号（ VCID） ， 沿路每段链路一个编号 
3. 沿路每个网络层设备（如路由器）， 利用转发表记录 
经过的每条虚电路

沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址

同一条VC ，在每段链路上的VCID通常不同

路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号

转发表

输入接口	输入VC	输出接口	输出VC
1	12	3	22
2	63	1	18
3	7	2	17
1	97	3	87

VC路径上每个路由器都需要维护VC连接的状态

VC进入路由器后,路由器将VC头替换,然后转发出去

数据报网络

网络层无连接 
* 每个分组携带目的地址 
* 路由器根据分组的目的地址转发分组 
* 基于路由协议/算法构建转发表 
* 检索转发表 
* 每个分组独立选路

路由器转发表

目的地址	输出链路
地址范围1	3
地址范围2	2
地址范围3	2
地址范围4	1

最长前缀匹配优先: 
在检索转发表时，优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口(entry).

IP协议

主机、路由器网络层主要功能:

• 路径选择 
  
  • RIP
  • OSPF
  • BGP
• IP协议 
  
  • 寻址规约
  • 数据报(分组)格式
  • 分组处理规约
• ICMP协议 
  
  • 差错报告
  • 路由器命令

IP数据报格式

首部	描述
版本号(4bit)	描述IP协议的版本号,目前主要有V4和V6两个版本
首部长度(4bit)	以四字节为单位例如: 5 -> IP首部长度为20(5 * 4)字节,不这么计算的话,长度描述根本不够
服务类型(8bit)	指示期望获得哪种类型的服务 1 .只有在网络提供区分服务(DiffServ)时使用  2.一般情况下不使用，通常IP分组的该字段(第2字节)的值为00H
总长度(16bit)	IP分组的总字节数(首部 + 数据) 1. 最大IP分组的总长度: 65535B  2.最小的IP分组首部: 20B 3. IP分组可以封装的最大数据:65535 - 20 = 65515B
生存时间TTL(8bit)	IP分组在网络中可以通过的路由器数(或跳步数) 1.路由器转发一次分组， TTL减1 2.如果TTL=0，路由器则丢弃该IP分组
协议(8bit)	指示IP分组封装的是哪个协议的数据包,实现复用/分解
首部校验和(16位)	实现对IP分组首部的差错检测 1.计算校验和时，该字段置全0 2.采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段 3.逐跳计算、逐跳校验
源IP地址、目的IP地址字段(各占32bit)	分别标识发送分组的源主机/路由器(网络接口)和接收分组的目的主机/路由器（网络接口）的IP地址
选项字段(长度可变，范围在1~40B之间)	携带安全、源选路径、时间戳和路由记录等内容(实际上很少被使用)
填充(长度可变，范围在0~3B之间)	目的是补齐整个首部，符合32位对齐，即保证首部长度是4字节的倍数
标识字段(16bit)	标识一个IP分组,IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识
标志位(3bit)	1. DF (Don’t Fragment) 2. MF (More Fragment) DF =1：禁止分片； DF =0：允许分片 MF =1：非最后一片； MF =0：最后一片(或未分片)
片偏移(13bit)	一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量 片偏移字段以8字节为单位

IP分片

网络链路存在MTU (最大传输单元)—链路层数据帧可封装数据的上限不同链路的MTU不同

大IP分组向较小MTU链路转发时， 可以被“分片” (fragmented)

• 1个IP分组分为多片IP分组
• IP分片到达目的主机后进行“重组”(reassembled)

IP首部的相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序

• 总长度、标识、标志位和片偏移

假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M 
若L>M，且DF=0，则可以/需要分片 
分片时每个分片的标识复制原IP分组的标识 
通常分片时，除最后一个分片，其他分片均分为MTU允许的最大分片 
一个最大分片可封装的数据应该是8的倍数， 因此， 一个 
最大分片可封装的数据为: 

⌊M−208⌋∗8

需要的总片数为: 

⌈L−20d⌉

每片片偏移字段取值为 

Fi=d8∗(i−1),1≤i≤n

每片的总长度字段为 

Li={d+20L−(n−1)d1<ni=n

每片MF标志位为: 

MFi={101≤i<ni=n

IP编址

接口(interface): 主机/路由器与物理链路的连接

• 实现网络层功能
• 路由器通常有多个接口
• 主机通常只有一个或两个接口(e.g.，有线的以太网接口，无线的802.11接口)

IP地址: 32比特(IPv4)编号标识主机、路由器的接口

IP地址与每个接口关联

IP地址:

• 网络号(NetID) – 高位比特
• 主机号(HostID) – 低位比特

IP子网

• IP地址具有相同网络号的设备接口
• 不跨越路由器（第三及以上层网络设备）可以彼此物理联通的接口

IP子网划分与子网掩码

“有类”编码 
如图: 

特殊IP地址 
 
私有IP地址 

子网划分

IP地址:

• 网络号(NetID) – 高位比特
• 子网号(SubID) – 原网络主机号部分比特
• 主机号(HostID) – 低位比特

如何确定是否划分了子网？利用多少位划分子网？

• 子网掩码

形如IP地址:

• 32位
• 点分十进制形式

取值：

• NetID、 SubID位
• HostID位全取0

将IP分组的目的IP地址与子网掩码按位与运算，提取子网地址

无类域间路由(CIDR: Classless InterDomain Routing)

• 消除传统的 A 类、 B 类和 C 类地址界限
• NetID+SubID→Network Prefix (Prefix)可以任意长度
• 融合子网地址与子网掩码，方便子网划分
• 无类地址格式： a.b.c.d/x，其中x为前缀长度

子网201.2.3.64， 255.255.255.192→201.2.3.64/26

无类域间路由(CIDR: Classless InterDomain Routing)

• 提高IPv4 地址空间分配效率
• 提高路由效率
• 将多个子网聚合为一个较大的子网
• 构造超网（ supernetting）

当一个子网无法聚合所有的子网时,需要零碎出去的”子网片”利用最长前缀匹配原则向路由器通告,以便正确收发消息.