王道计算机网络第四章网络层_思维导图模板

第四章网络层

概述和功能

基本概念

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

路由选择与分组转发

最佳路径

异构网络互连

拥塞控制

若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态，因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。

两种解决拥塞的方法

开环控制

静态

闭环控制

动态

SDN的基本概念（新考点）

路由器功能

达到路由器输入链路之一的数据报如何转发到该路由器的输出链路之一

数据平面

数据平面对于数据处理过程中各种具体处理转发过程

时间短，通常硬件解决

数据平面执行的主要功能是根据转发表进行转发，这是路由器的本地动作

路由选择

控制数据沿着从源主机到目的主机的端到端路径中路由器之间的路由方式

控制平面

控制平面用于控制和管理网络协议的运行，比如OSPF协议，RIP协议，BGP协议

时间长，通常软件解决

传统方法/每路由器法

路由选择算法运行在每台路由器中，并且在每台路由器中都包含转发和路由选择两种功能

具体方法

在一台路由器中的路由选择算法与其他路由器中的路由选择算法通信（通过交换路由选择报文），计算出路由表和转发表

SDN方法

控制平面从路由器物理上分离，路由器仅实现转发，远程控制器计算和分发转发表以供每台路由器所使用

具体方法

路由器通过交换包含转发表和其他路由选择信息的报文与远程控制器通信，因为计算转发并与路由器交互的控制器是用软件实现的，所以网络是“软件定义的"

路由选择处理器

传统方法

路由选择处理器执行控制平面功能，在传统的路由器中，它执行路由选择协议，维护路由选择表于关联链路状态信息，并为该路由器计算转发表。

SDN方法

在SDN中，路由选择处理器负责与远程控制器通信，目的是接收远程控制器计算的转发表项

SDN控制平面

SDN控制器

维护准确的网络状态信息（远程链路、交换机和主机的状态)；为运行在控制平面中的网络控制应用程序提供这些信息（逻辑集中，在多台服务器上实现）

三个层次

对于网络控制应用程序的接口

SDN控制器通过“北向接口”与网络控制应用程序交互，该API允许网络控制应用程序在状态管理层之间读写网络状态

网络范围状态管理层

由SDN控制平面作出的最终控制决定，将要求控制器具有有关网络的主机、链路等最新状态信息

通信层

SDN控制器与受控网络设备之间的通信（OpenFlow协议），包含“南向接口”

网络控制应用程序

根据SDN控制器提供的方法，这些应用程序通过这些方法能够监视、编程和控制下面的网络设备

深入硬件结构

路由器

转发表

了解各种协议

IP数据报格式

版本：IPv4/IPv6

首部长度：单位是4B，最小为5

区分服务：指示期望获得哪种类型的服务

总长度：首部+数据，单位是1B

生存时间（TTL）：IP分组的保质期，经过一个路由器-1，变成0则丢弃

协议：数据部分的协议

TCP：6

助记：TCP面向连接，非常6

UDP：17

助记：UDP不面向连接，容易遗弃（17）数据

首部检验和：只检验首部

源IP地址和目的IP地址：32位

可选字段：0~40B，用来支持排错、测量以及安全等措施

填充：全0，把首部补成4B的整数倍

IP数据报分片

最大传送单元MTU

链路层数据帧可封装数据的上限

以太网的MTU是1500字节

如果所传送的数据报长度超过某链路的MTU值：分片

标识：同一数据报的分片使用同一标识

标志：只有2位有意义 x _ _

中间位：DF

DF=1，禁止分片

DF=0，允许分片

最低位：MF

MF=1，后面“还有分片”

MF=0，代表最后一片/没分片

片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置，以8B为单位

除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B的整数倍

记忆

1总，片8，首4

网络层编址

IPv4地址

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>}

分类的IP地址

特殊IP地址

私有IP地址

子网划分与子网掩码

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

子网划分

某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分

子网号能否全0全1要看情况

主机号不能全0全1

全0：本网络

全1：广播分组

子网掩码

由一系列连续的0或1组成

主机部分位数对应0

其余部分位数对应1

子网掩码与IP地址逐位相与，就得到子网网络地址

使用子网时分组的转发

路由表中

1.目的网络地址

2.目的网络子网掩码

3.下一跳地址

路由器转发分组的算法

1.提取目的IP地址

2.是否直接交付

3.特定主机路由

4.检测路由表中有无路径

5.默认路由 0.0.0.0

6.丢弃，报告转发分组出错

无分类编址CIDR

特点

1.消除了传统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念

2.融合子网地址与子网掩码，方便子网划分

CIDR记法

IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数

eg：128.14.32.0/20

CIDR地址块

CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”

128.14.35.7/20是某CIDR地址块中的一个地址

应用

构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合

方法：将网络前缀缩短（所有网络地址取交集）

划分子网是少→多

构成超网是多→少

最长前缀匹配

使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果（跟网络掩码按位相与），应选择具有最长网络前缀的路由，前缀越长，地址块越小,路由越具体

ARP

发送数据的过程

ARP高速缓存（IP地址与MAC地址的映射）

概念

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：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射

解决下一跳走哪的问题

ARP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协议的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

基本概念

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

工作流程

1.主机广播DHCP发现报文

试图找到网络中的服务器，服务器获得一个IP地址

2.DHCP服务器广播DHCP提供报文

服务器拟分配给主机一个IP地址及相关配置，先到先得

3.主机广播DHCP请求报文

主机向服务器请求提供IP地址

4.DHCP服务器广播DHCP确认报文

正式将IP地址分配给主机

ICMP

作用

为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会

过程

ICMP协议支持主机或路由器

差错（或异常）报告

网络探询

处理方法

发送特定ICMP报文

ICMP差错报文

分类

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

无法交付

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

拥塞丢数据

基本不会用到

3.时间超过

当路由器收到生存时间TTL=0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

TTL=0

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

首部字段有问题

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）

值得更好的路由

不应发送ICMP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

3.掩码地址请求和回答报文

4.路由器询问和通告报文

应用

PING

测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP回送请求和回答报文

Traceroute

跟踪一个分组从源点到终点的路径，使用了ICMP时间超过差错报告报文

网络地址转换NAT

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

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

IPv6

出现的原因和功能

从根本上解决地址耗尽问题

通过改进首部格式，实现快速处理/转发数据报

支持QoS

Qos（Quality of Service，服务质量）指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术

数据报格式

固定40B基本首部

版本：指明了协议版本，总是6

优先级：区分数据报的类别和优先级

流标签：“流”是互联网络上从特定终点的一系列数据报，所有属于同一流的数据报都具有同样的流标签

有效载荷长度：有效载荷的位数

下一个首部：标识下一个扩展首部或上层协议首部

跳数限制：相当于IPv4的TTL

IPv6和IPv4对比

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地址表示形式

一般形式冒号十六进制记法

压缩形式

零压缩：一连串连续的0可以被一对冒号取代

双冒号表示法在一个地址种仅可出现一次

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

一对多中的一个通信

可做目的地址

IPv6向IPv4过渡的策略

双栈技术

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

移动IP