計算機網絡謝希仁版網絡層知識點總結

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網絡層 一、網絡層提供的兩種服務 虛電路服務 可靠通信應當由網絡來保證 數據報服務 可靠通信應當由用戶主機來保證 網絡層向上只提供簡單靈活的、無連接的、盡最大努力交付的數據報服務。 二、網際協(xié)議IP 1、與 IP 協(xié)議配套使用的還有三個協(xié)議： n 地址解析協(xié)議 ARP n 網際控制報文協(xié)議 ICMP n 網際組管理協(xié)議 IGMP 2、網絡互相連接起來要使用一些中間設備 n 中間設備又稱為中間系統(tǒng)或中繼(relay)系統(tǒng)。 n 物理層中繼系統(tǒng)：轉發(fā)器(repeater)。 n 數據鏈路層中繼系統(tǒng)：網橋或橋接器(bridge)。 n 網絡層中繼系統(tǒng)：路由器(router)。 n 網橋和路由器的混合物：橋路器(brouter)。 網絡層以上的中繼系統(tǒng)：網關(gateway) 3、互聯(lián)網可以由許多異構網絡互聯(lián)組成 4、分類的 IP 地址 IP 地址定義：就是給每個連接在因特網上的主機（或路由器）分配一個在全世界范圍是唯一的 32 位的標識符。 5、IP 地址的編址方法 分類的 IP 地址，子網的劃分，構成超網。 兩級的 IP 地址 ：IP 地址 ::= { <網絡號>, <主機號>} 分類的 IP 地址：A類，B類，C類地址都是單播地址 D類地址用于多播，E類地址保留 實際上 IP 地址是標志一個主機（或路由器）和一條鏈路的接口。 Ip地址不僅可以指明一個主機，還指明了主機所連接到的網絡 點分十進制記法：192.168.1.1 一些特殊的ip地址：保留地址0.0.0.0 本地軟件環(huán)回測試地址127.0.0.1 不指派地址 128.0.0.0 192.0.0.0 6、ip地址與硬件地址的區(qū)別：IP地址放在IP數據報首部，硬件地址放在MAC幀首部，在網絡層及網絡層以上使用IP地址，在鏈路層及以下使用硬件地址 7、解析協(xié)議 ARP 每一個主機都設有一個 ARP 高速緩存(ARP cache)，里面有所在的局域網上的各主機和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表，這個映射表還經常動態(tài)更新。 ARP 是解決同一個局域網上的主機或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射問題。 8、如何知道同一個局域網內其他主機的mac地址？ A在局域網內廣播arp請求分組，其他主機接收分組，IP地址與報文中一致的主機收下分組，并在自己的arp緩存中寫入主機A的IP地址到mac地址的映射，并發(fā)送arp響應報文，A收到響應報文后在自己的arp緩存中寫入主機B的IP地址到mac地址的映射。 9、生存時間，一般為10-20分鐘 10、若主機不在同一個局域網內，arp映射表怎樣建立？交給連接不同網絡的路由器 11、使用 ARP 的四種典型情況 發(fā)送方是主機，要把IP數據報發(fā)送到本網絡上的另一個主機。這時用 ARP 找到目的主機的硬件地址。 發(fā)送方是主機，要把 IP 數據報發(fā)送到另一個網絡上的一個主機。這時用 ARP 找到本網絡上的一個路由器的硬件地址。剩下的工作由這個路由器來完成。 發(fā)送方是路由器，要把 IP 數據報轉發(fā)到本網絡上的一個主機。這時用 ARP 找到目的主機的硬件地址。 發(fā)送方是路由器，要把 IP 數據報轉發(fā)到另一個網絡上的一個主機。這時用 ARP 找到本網絡上另一個路由器的硬件地址。剩下的工作由這個路由器來完成。 12為什么不直接使用mac地址通信，要加上ip地址 為了完成異構網絡之間的通訊，mac地址比較復雜，ip方便用戶操作，提高CPU的效率，這樣在網絡傳輸中就可以由網卡來識別mac地址，不用再上傳到CPU識別 13、IP數據包格式 n 一個 IP 數據報由首部和數據兩部分組成。 n 首部的前一部分是固定長度，共 20 字節(jié)，是所有 IP 數據報必須具有的。 n 在首部的固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的。 14、首部長度——占 4 位，可表示的最大數值是 15 個單位(一個單位為 4 字節(jié)) 因此 IP 的首部長度的最大值是 60 字節(jié)。固定長度為20字節(jié) 15、總長度——占 16 位，指首部和數據之和的長度，單位為字節(jié)，因此數據報的最大長度為 65535 字節(jié)?？傞L度必須不超過最大傳送單元 MTU 16、標志(flag)：占 3 位，目前只有前兩位有意義。 標志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF = 1 表示后面“還有分片”。MF = 0 表示最后一個分片。標志字段中間的一位是 DF (Dont Fragment) 。只有當 DF = 0 時才允許分片。 17、片偏移(13 位)指出：較長的分組在分片后某片在原分組中的相對位置。片偏移以 8 個字節(jié)為偏移單位。 18、生存時間(8 位)記為 TTL (Time To Live)數據報在網絡中可通過的路由器數的最大值。單位為跳數。數據報能在英特網中傳輸的最大跳數為255個路由器 19、協(xié)議(8 位)字段指出此數據報攜帶的數據使用何種協(xié)議，以便目的主機的 IP 層將數據部分上交給哪個處理過程 20、首部檢驗和(16 位)字段只檢驗數據報的首部，不檢驗數據部分。采用累加法，以16位字為單位加 21、IP層分組轉發(fā)的流程：分組轉發(fā)算法 (1) 從數據報的首部提取目的主機的 IP 地址 D, 得出目的網絡地址為 N。 (2) 若網絡 N 與此路由器直接相連，則把數據報直接交付目的主機 D；否則是間接交付，執(zhí)行(3)。 (3) 若路由表中有目的地址為 D 的特定主機路由，則把數據報傳送給路由表中所指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(4)。 (4) 若路由表中有到達網絡 N 的路由，則把數據報傳送給路由表指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(5)。 (5) 若路由表中有一個默認路由，則把數據報傳送給路由表中所指明的默認路由器；否則，執(zhí)行(6)。 (6) 報告轉發(fā)分組出錯。 三、劃分子網 1、三級IP：IP地址 ::= {<網絡號>, <子網號>, <主機號>} 2、劃分子網純屬一個單位內部的事情。單位對外仍然表現(xiàn)為沒有劃分子網的網絡。 3、從主機號借用若干個位作為子網號 subnet-id，而主機號 host-id 也就相應減少了若干個位。 4、子網掩碼：使用子網掩碼(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子網部分。 5、默認子網掩碼：原來兩級IP時A、B、C類地址使用的網絡號 6、路由器的路由表中的每一個項目，除了要給出目的網絡地址外，還必須同時給出該網絡的子網掩碼 7、不同的子網掩碼得出相同的網絡地址，但不同的掩碼的效果是不同的 8、在劃分子網的情況下路由器轉發(fā)分組的算法 (1) 從收到的分組的首部提取目的 IP 地址 D。 (2) 先用各網絡的子網掩碼和 D 逐位相“與”，看是否和相應的網絡地址匹配。若匹配，則將分組直接交付。否則就是間接交付，執(zhí)行(3)。 (3) 若路由表中有目的地址為 D 的特定主機路由，則將分組傳送給指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(4)。 (4) 對路由表中的每一行的子網掩碼和 D 逐位相“與”，若其結果與該行的目的網絡地址匹配，則將分組傳送給該行指明的下一跳路由器；否則，執(zhí)行(5)。 (5) 若路由表中有一個默認路由，則將分組傳送給路由表中所指明的默認路由器；否則，執(zhí)行(6)。 (6) 報告轉發(fā)分組出錯。 9、無分類編址 CIDR CIDR使用各種長度的“網絡前綴”(network-prefix)來代替分類地址中的網絡號和子網號。IP 地址從三級編址（使用子網掩碼）又回到了兩級編址。 IP地址 ::= {<網絡前綴>, <主機號>} 128.14.32.0/20 四、 網際控制報文協(xié)議 ICMP：為了提高 IP 數據報交付成功的機會 1、ICMP 允許主機或路由器報告差錯情況和提供有關異常情況的報告。 2、作用：用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W絡通不通、主機是否可達、路由是否可用等網絡本身的消息 3、 ICMP 不是高層協(xié)議，而是 IP 層的協(xié)議。 4、ICMP 報文作為 IP 層數據報的數據，加上數據報的首部，組成 IP 數據報發(fā)送出去。 5、ICMP 報文的格式：類型：1字節(jié)，代碼：1字節(jié)，檢驗和：2字節(jié)；接下去四個字節(jié)與類型有關，數據部分（差錯報文）：ip首部+ip數據報前8個字節(jié) 6、 ICMP 報文的種類有兩種，即 ICMP 差錯報告報文和 ICMP 詢問報文。 7、 ICMP 差錯報告報文共有 5 種：終點不可達 、源點抑制 、時間超過、參數問題 、改變路由（重定向） 8、 不應發(fā)送 ICMP 差錯報告報文的幾種情況 （1）對 ICMP 差錯報告報文不再發(fā)送 ICMP 差錯報告報文。 （2）對第一個分片的數據報片的所有后續(xù)數據報片都不發(fā)送 ICMP 差錯報告報文。 （3） 對具有多播地址的數據報都不發(fā)送 ICMP 差錯報告報文。 （4）對具有特殊地址（如127.0.0.0 或 0.0.0.0）的數據報不發(fā)送 ICMP 差錯報告報文。 9、ICMP 詢問報文有兩種：回送請求和回答報文、時間戳請求和回答報文 10、ping報文就是icmp報文 五、因特網的路由選擇協(xié)議 1、路由選擇協(xié)議的核心就是理想的路由算法 2、從路由算法的自適應性分類 靜態(tài)路由選擇策略——即非自適應路由選擇 動態(tài)路由選擇策略——即自適應路由選擇 3、因特網采用分層次的路由選擇協(xié)議。 4、自治系統(tǒng) AS 的定義：在單一的技術管理下的一組路由器，而這些路由器使用一種 AS 內部的路由選擇協(xié)議和共同的度量以確定分組在該 AS 內的路由，同時還使用一種 AS 之間的路由選擇協(xié)議用以確定分組在 AS之間的路由 5、因特網有兩大類路由選擇協(xié)議 內部網關協(xié)議 IGP (Interior Gateway Protocol) 即在一個自治系統(tǒng)內部使用的路由選擇協(xié)議，常用的有RIP，OSPF 外部網關協(xié)議EGP (External Gateway Protocol) 不在一個自治系統(tǒng)內部使用的路由選擇協(xié)議，常用的有BGP 6、自治系統(tǒng)之間的路由選擇也叫做，域間路由選擇(interdomain routing)，在自治系統(tǒng)內部的路由選擇叫做，域內路由選擇(intradomain routing) 7、內部網關協(xié)議 RIP（路由信息協(xié)議）：RIP 是一種分布式的基于距離向量的路由選擇協(xié)議?；赨DP的應用層協(xié)議 n RIP 協(xié)議中的“距離”也稱為“跳數”(hop count)，因為每經過一個路由器，跳數就加 1。 n RIP 允許一條路徑最多只能包含 15 個路由器。 n “距離”的最大值為16 時即相當于不可達。可見 RIP 只適用于小型互聯(lián)網。 n RIP 不能在兩個網絡之間同時使用多條路由。RIP 選擇一個具有最少路由器的路由（即最短路由），哪怕還存在另一條高速(低時延)但路由器較多的路由。 8、RIP 協(xié)議的三個要點 n 僅和相鄰路由器交換信息。 n 交換的信息是當前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。 n 按固定的時間間隔交換路由信息，例如，每隔 30 秒。 9、 距離向量算法 收到相鄰路由器（其地址為 X）的一個 RIP 報文： (1) 先修改此 RIP 報文中的所有項目：把“下一跳”字段中的地址都改為 X，并把所有的“距離”字段的值加 1。 (2) 對修改后的 RIP 報文中的每一個項目，重復以下步驟：若項目中的目的網絡不在路由表中，則把該項目加到路由表中。否則，若下一跳字段給出的路由器地址是同樣的，則把收到的項目替換原路由表中的項目。否則，若收到項目中的距離小于路由表中的距離，則進行更新，否則，什么也不做。 (3) 若 3 分鐘還沒有收到相鄰路由器的更新路由表，則把此相鄰路由器記為不可達路由器，即將距離置為16（距離為16表示不可達）。 (4) 返回。 10、RIP2 的報文由首部和路由部分組成 路由部分：地址族標識符，路由標記，網絡地址、該網絡的子網掩碼、下一跳路由器地址以及到此網絡的距離組成 11、RIP 協(xié)議的特點：好消息傳播的快，壞消息傳播的慢 網絡出故障的傳播時間往往需要較長的時間(例如數分鐘) 12、內部網關協(xié)議 OSPF（開放最短路徑優(yōu)先） （1）向本自治系統(tǒng)中所有路由器發(fā)送信息，這里使用的方法是洪泛法。 （2）發(fā)送的信息就是與本路由器相鄰的所有路由器的鏈路狀態(tài)，但這只是路由器所知道的部分信息。“鏈路狀態(tài)”就是說明本路由器都和哪些路由器相鄰，以及該鏈路的“度量”(metric)。 （3）只有當鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，路由器才用洪泛法向所有路由器發(fā)送此信息。 13、OSPF 的區(qū)域(area)：為了使 OSPF 能夠用于規(guī)模很大的網絡，OSPF 將一個自治系統(tǒng)再劃分為若干個更小的范圍，叫作區(qū)域。 14、每一個區(qū)域的路由器數量不超過200個，分成兩種區(qū)域，即主干區(qū)域和其他區(qū)域 15、劃分區(qū)域的好處就是將利用洪泛法交換鏈路狀態(tài)信息的范圍局限于每一個區(qū)域而不是整個的自治系統(tǒng)，這就減少了整個網絡上的通信量。 在一個區(qū)域內部的路由器只知道本區(qū)域的完整網絡拓撲，而不知道其他區(qū)域的網絡拓撲的情況。 OSPF 使用層次結構的區(qū)域劃分。在上層的區(qū)域叫作主干區(qū)域(backbone area)。主干區(qū)域的標識符規(guī)定為0.0.0.0。主干區(qū)域的作用是用來連通其他在下層的區(qū)域。 16、OSPF 不用 UDP 而是直接用 IP 數據報傳送。OSPF 構成的數據報很短。這樣做可減少路由信息的通信量，而 17、OSPF協(xié)議中如果到同一個目的網絡有多條相同代價的路徑，那么可以將通信量分配給這幾條路徑。這叫作多路徑間的負載平衡。 18、OSPF 的五種分組類型：問候(Hello)分組。數據庫描述分組。鏈路狀態(tài)請求分組。鏈路狀態(tài)更新分組，用洪泛法對全網更新鏈路狀態(tài)。鏈路狀態(tài)確認分組。 19、OSPF 還規(guī)定每隔一段時間，如 30 分鐘，要刷新一次數據庫中的鏈路狀態(tài)。當互聯(lián)網規(guī)模很大時，OSPF 協(xié)議要比距離向量協(xié)議 RIP 好得多 20、外部網關協(xié)議 BGP：BGP 是不同自治系統(tǒng)的路由器之間交換路由信息的協(xié)議。 六、IP 多播：可明顯地減少網絡中資源的消耗 1、多播使用組地址—— IP 使用 D 類地址支持多播。多播地址只能用于目的地址，而不能用于源地址 2、因此 TCP/IP 協(xié)議使用的以太網多播地址塊的范圍是：從 00-00-5E-00-00-00 到 00-00-5E-FF-FF-FF 3、IP多播需要兩種協(xié)議：網際組管理協(xié)議、IGMP多播路由選擇協(xié)議。 4、多播數據包和一般數據報的區(qū)別是其使用D類IP地址作為目的地址 5、IP多播的分類：在本局域網內進行硬件多播（IP地址到mac地址的轉換看待）和在因特網的范圍進行多播 七、虛擬專用網 VPN：利用公用的英特網作為本機構各專用網之間的通信載體。通過英特網傳送的數據要加密。 1、本地地址——僅在機構內部使用的 IP 地址，可以由本機構自行分配，而不需要向因特網的管理機構申請。 2、全球地址——全球唯一的IP地址，必須向因特網的管理機構申請。 專用地址：只能用于一個機構的內部通信，而不能用于和因特網上的主機通信，是本地地址 n 10.0.0.0 到 10.255.255.255 n 172.16.0.0 到 172.31.255.255 n 192.168.0.0 到 192.168.255.255 3、 內聯(lián)網和外聯(lián)網：看結果是否屬于同一個機構 八、網絡地址轉換 NAT 1、需要在專用網連接到因特網的路由器上安裝 NAT 軟件。裝有 NAT 軟件的路由器叫做 NAT路由器，它至少有一個有效的外部全球地址 IPG。 2、在專用網絡內使用專用IP地址，僅在連接到英特網上的路由器時使用全球IP地址。并且一定要使用全球IP才能和英特網連接 3、通過NAT地址轉換表可以把IP數據報上的舊目的IP地址轉換為新的目的IP地址 4、使用端口號的NAT也叫網絡地址與端口號轉換NAPT 九、本章中出現(xiàn)的幾個表 1、ARP緩存的映射表：主要內容是同一局域網內的主機路由器的IP地址與MAC地址 2、路由表：主要內容是目的網絡，距離，下一跳的路由器 3、NAT轉換表：主要內容是內部專用IP地址與公網全球IP地址 整理者：福州大學 張毅