计算机网络-网络层

网络层服务

网络层

• 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(forwarding):将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口

路由(routing): 确定分组从源到目的经过的路径，路由算法（routingalgorithms）

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: 两个主机之间 (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
  • 传输接 结束后拆除连接
  • 虚电路络 网络(virtual-circuit network )

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(Virtual circuits)

虚电路：一条从源主机到目的主机，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 的具体实现

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

虚电路信令协议(signaling protocols)

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

数据报转发表

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 ）。

数据报网络 or VC 网络

IP 协议-IP 数据报

Internet 网络层

IP 数据报( 分组)

• 版本号字段占4位：IP协议的版本号
  • E.g. 4→IPv4，6 → IPv6
• 首部 长度字段占4位：IP分组首部长度
  • 以4字节为单位
  • E.g. 5→IP首部长度为20(5×4)字节
• 服务类型(TOS)字段占8位：指示期望获得哪种类型的服务
  • 1998 年这个字段改名为区分服务
  • 只有在网络提供区分服务(DiffServ)时使用
  • 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
• 总长度字段占16位：IP分组的总字节数(首部+数据)
  • 最大IP分组的总长度：65535B
  • 最小的IP分组首部：20B
  • IP分组可以封装的最大数据：65535-20=65515B
• 生存时间（TTL ）字段占8位：IP分组在网络中可以通过的路由器数（或跳步数）
  • 路由器转发一次分组，TTL减1
  • 如果TTL=0，路由器则丢弃该IP分组
• 协议字段占8位：指示IP分组封装的是哪个协议的数据包
  • 实现复用/分解
  • E.g. 6为TCP，表示封装的为TCP段；17为UDP，表示封装的是UDP数据报
• 首部校验和字段占16位：实现对IP分组首部的差错检测
  • 计算校验和时，该字段置全0
  • 采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段
  • 逐跳计算、逐跳校验
• 源 源IP 地址、目的IP 地址字段各占32位：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
• 选项字段占长度可变，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
• 填充字段占长度可变，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

IP 协议-IP 分片

最大传输 单元(MTU)

IP分片与重组

• 标识字段占16位：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
  
• 片偏移字段占13位：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 过程

• 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：

• 需要的总片数为：
  
  
  

IP 协议-IP编址

• IP分组：
  • 源地址(SA)-从哪儿来
  • 目的地址(DA)-到哪儿去
• 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 协议- 有类IP 地址

特殊IP 地址

私有（Private ）IP 地址

IP 协议-IP 子网划分 与码 子网掩码

如何区分一个IP 子网更小范围网络（子网）?---- 子网划分

路由器如何确定应该将IP分组转发到哪个子网？

子网掩码的应用

一个C 类网络划分子网举例