王道考研 计算机网络笔记 第四章：网络层

本文基于2019 王道考研 计算机网络: 2019 王道考研 计算机网络
个人笔记总结
第一章：王道考研 计算机网络笔记 第一章：概述&计算机网络体系结构
第二章：王道考研 计算机网络笔记 第二章：物理层

第三章：王道考研 计算机网络笔记 第三章：数据链路层
后续章节将陆续更新…

第四章

  • 一、网络层功能
    • 1. 路由选择和分组转发
    • 2. 实现异构网互联
    • 3. 拥塞控制
  • 二、数据交换方式
    • 1. 电路交换
    • 2. 报文交换
    • 3. 分组交换
      • 数据报方式
      • 虚电路方式
    • 三种方式对比
  • 三、路由算法和路由协议
    • 1. 路由算法
    • 2. 路由选择协议
      • 1. RIP协议及距离向量算法
        • 1. RIP协议（应用层协议）
        • 2. RIP协议报文格式
        • 3. RIP协议特点
        • 4. 距离向量算法
      • 2. OSPF与链路状态算法
        • 1. OSPF协议
        • 2. 链路状态路由算法
        • 3. OSPF的区域
        • 4. OSPF分组
        • 5. 特点
      • 3. BGP协议
        • 1. BGP协议（应用层协议）
        • 2. BGP协议交换信息的过程
        • 3. BGP协议报文格式
        • 4. 特点
        • 5. BGP-4四种报文
      • 三种协议对比
  • 四、IP数据报
    • 1. 格式（首部）
    • 2. IP数据报分片
  • 五、IPv4地址
    • 1. 分类IP地址(网络地址转换NAT)
    • 2. 子网的划分
    • 3. 构成超网（无分类编址CIDR）
  • 六、重要协议
    • 1. ARP协议
      • 1. 发送数据的过程
      • 2. ARP协议
    • 2. DHCP协议（应用层协议）
    • 3. ICMP协议
      • 1. ICMP差错报文
      • 2. ICMP询问报文
      • 3. ICMP应用
    • 4. IGMP协议与组播路由协议
      • 1. IP数据报的三种传输方式
      • 2. IP组播地址
      • 3. 硬件组播
      • 4. IGMP协议与组播路由协议
        • 1. IGMP协议
        • 2. 组播路由选择协议
  • 七、IPv6
    • 1. 数据格式
    • 2. IPv6对比IPv4
    • 3. IPv6地址表示与类型
    • 4. IPv6过渡IPv4的策略
  • 八、移动IP
    • 1. 相关术语
    • 2. 通信过程
  • 九、网络层设备——路由器
    • 路由器
    • 三层设备的区别

第四章大纲：

一、网络层功能

网络层提供主机与主机之间的逻辑通信

1. 路由选择和分组转发

也就是网络层设备路由器本身的功能：

  • 路由选择
  • 分组转发

实现让数据在路由器之间走最佳的路径

2. 实现异构网互联

通过路由器可以把不同的网络连接起来形成一个大的互联网

3. 拥塞控制

拥塞控制要和流量控制区分开：

  • 拥塞控制是全局性的问题，涉及到网络当中所有主机、路由器，以及导致网络传输能力下降的所有因素
  • 流量控制解决就是因为发送方发送的太快，接收方来不及接收的问题

拥塞控制分为两种：

  • 开环控制：是静态的，在网络开始之前就先把所有能产生拥塞的因素考虑大，预先控制
  • 闭环控制：是动态的，预先不考虑，网络运行时自动调整实现拥塞控制

二、数据交换方式

数据交换的由来：

通过网络核心路由器可以实现远距离通信，将多种多样的异构网络互联；

那么如何使数据通过路由器从源主机到目的主机呢？具体的实现就需要数据交换技术

为什么需要数据交换？

  • 减少链路条数和长度
  • 减少单个交换设备的流量

为了解决以上问题，就利用交换设备互联形成交换网络，也是现在最常用的数据交换方式

1. 电路交换

特点：独占资源，只要建立了连接，就会占用那一部分链路资源

  • 比如A和B打电话，即使两个人不说话，资源也被会两个人占用

优点：

  1. 通信时延小：只要连接建立好，有数据就会通过交换设备发出去
  2. 有序传输：建立好连接后，数据按序发送，按序接收
  3. 没有冲突：因为独占连接，不会有第三方的接入
  4. 实时性强：通信双方的链路一旦建立成功，双方便可随时进行通信

缺点：

  1. 建立连接时间长
  2. 线路独占，使用效率低
  3. 灵活性差；如果一个设备宕机，则该链路崩溃，无法进行通信
  4. 无差错控制能力；发送数据时，交换设备并不会对数据检错或者纠错，只是单纯的把数据转发出去

2. 报文交换

优点：

  1. 无需建立连接
  2. 存储转发，动态分配线路；不需要事先约定好一个路径，而是可以随机动态的分配线路，寻找一个最佳路径
  3. 线路的可靠性较高：如果其中一台交换设备出现了问题，可以从其他路径到目的主机
  4. 线路利用率很高：报文交换过程中，通信双方不是固定的占有一整条通信线路，而是在不同的时间一段一段的占用线路
  5. 多目标服务：一个报文可以同时发往多个目的地址

缺点：

  1. 有存储转发时延
  2. 报文大小不定，需要网络节点有较大缓存空间

3. 分组交换

优点：

  1. 无需建立连接

  2. 存储转发，动态分配电路

  3. 线路可靠性较高：分组较短，出错几率减小

  4. 线路利用率高：报文交换过程中，通信双方不是固定的占有一整条通信线路，而是在不同的时间一段一段的占用线路

  5. 相对于报文交换，存储管理更容易：对交换设备的缓存大小要求低，因为分组大小很小

  6. 相对于报文交换方式，总共传输时延小，因为分组交换是一种并行转发分组的过程，而报文交换串行转发分组的过程

缺点：

  1. 有存储转发时延：每个交换设备都得把分组存起来再转发出去
  2. 需要额外的信息量：每个报文进行分组后，分组需要附加一些额外的信息，主要包括源地址、目的地址、报文编号等信息，最后再接受端拼合起来
  3. 乱序到达主机，要对分组排序重组

分组交换分为两种：

数据报方式

虚电路方式

对比：

三种方式对比

三、路由算法和路由协议

1. 路由算法

路由算法的分类：

2. 路由选择协议

当今采用分层次的路由选择协议

原因：

  • 因特网规模很大
  • 许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网

因此将因特网分为很多小的团体：自治系统AS

  • 定义：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS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，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

  • 一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。

  • 自治系统内采用的协议对外界来说透明，而且可以使每个路由器的路由表不过与庞大

由此将路由选择协议分为了两种：

  1. 内部网关协议IGP：用于一个AS内使用的，例如：RIP、OSPF
  2. 外部网关协议EGP：用于AS之间使用，例如：BGP

1. RIP协议及距离向量算法

RIP协议是内部网关协议，用于一个自治系统AS内使用

1. RIP协议（应用层协议）

2. RIP协议报文格式

3. RIP协议特点

4. 距离向量算法

2. OSPF与链路状态算法

1. OSPF协议

2. 链路状态路由算法

3. OSPF的区域

4. OSPF分组

5. 特点

3. BGP协议

1. BGP协议（应用层协议）

2. BGP协议交换信息的过程

3. BGP协议报文格式

4. 特点

5. BGP-4四种报文

三种协议对比

四、IP数据报

1. 格式（首部）

IP数据包头部详细格式：

协议对应的字段值：

2. IP数据报分片

需要分片的原因：链路层有可封装的数据上限MTU，以太网的MTU是1500字节；如果所传送的数据报文长度超过某链路MTU的值，就需要分片

分片的方法需要结合IP数据报首部的标识、标志、片偏移三个字段来理解

例题：

五、IPv4地址

  • 路由器可以分割广播域：因此路由器的每个接口IP地址都不同
  • 网桥不能分隔广播域：因此网桥的每个接口IP地址都相同

1. 分类IP地址(网络地址转换NAT)

特殊的IP地址：

网络地址转换NAT

在ABC三类地址当中取出来一部分地址作为私有IP地址，特点：

  • 无法直接和外部进行通信，外部也不知道私有地址的存在

  • 私有IP地址常用于本地网/专用网，比如单位，学校机房等

NAT就是进行私有IP地址和共有IP地址的转换，解决以上问题

  • 只能在本地网、专用网中使用，在广域网当中，路由器以及其他主机无法识别该IP地址

  • 路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发

  • 专用网与外部网络建立通信的过程就是通过网络地址转换NAT实现的

2. 子网的划分

子网划分：

子网掩码：由一系列连续的1和连续的0所构成的二进制数

  • 主机号部分所对应的位全为0
  • 其他部分所对应的位全为1

3. 构成超网（无分类编址CIDR）

  • 减少了路由表的表项

六、重要协议

1. ARP协议

实现MAC地址和IP地址的映射

1. 发送数据的过程

交换机没有MAC地址，路由器每个端口有一个MAC地址，每个主机有一个MAC地址

2. ARP协议

2. DHCP协议（应用层协议）

实现动态获取IP地址

3. ICMP协议

ICMP、IGMP协议处于网络层和传输层之间的协议，起桥梁作用

  • ICMP是为了更有效的转发IP数据报和提高成功交付的机会

1. ICMP差错报文

2. ICMP询问报文

3. ICMP应用

4. IGMP协议与组播路由协议

1. IP数据报的三种传输方式

2. IP组播地址

3. 硬件组播

4. IGMP协议与组播路由协议

1. IGMP协议

2. 组播路由选择协议

七、IPv6

1. 数据格式

2. IPv6对比IPv4

3. IPv6地址表示与类型

4. IPv6过渡IPv4的策略

八、移动IP

移动IP要与动态IP区分开

  • 动态IP：通过使用DHCP协议在一个局域网内部的一台主机就可以动态的获得一个IP地址
  • 移动IP：由互联网工程任务组（IETF）制定的一种网上传输协议标准。它设计的目的，是为了让移动设备用户，能够从一个网上系统中，移动到另一个网上系统，但是设备的IP地址保持不变。这能够使移动节点在移动中保持其连接性，实现跨越不同网段的漫游功能

1. 相关术语

2. 通信过程

九、网络层设备——路由器

路由器

路由选择+分组转发

三层设备的区别

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