网络层综述.docx
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网络层综述
网络层结构、服务及其协议
主要内容
网络层——从主机到主机的通信
IPv4
路由——数据包的处理方式
路由过程：
了解路由的途径
网络层——从主机到主机的通信
网络层
为每个终端设备之间通过网络交换数据的片段提供服务
基本过程:
编址封装路由解封装
协议
Internet协议第四版（IPv4）Internet协议第六版（IPv6）
AppleTalk
Novell互联网分组交换协议（IPX）无连接网络服务（CLNS/DECNet）
IPv4协议
IPv4协议的演变与发展
IPv4协议的基本内容
IP是TCP/IP协议体系中网络层的协议;
TCP/IP协议体系中的其它协议，如TCP、UDP、ICMP及IGMP等都是以IP协议为基础的。
IPv4协议的主要特点
IP协议提供的是一种“尽力而为（best-effort）”的服务。
无连接—意味着IP协议并不维护IP分组发送后的任何状态信息。
每个分组的传输过程是相互独立的。
不可靠—意味着IP协议不能保证每个IP分组都能够正确的、不丢失和顺序的到达目的结点。
IP协议是点-点的网络层通信协议。
网络层需要在互联网中为通信的两个主机之间寻找一条路径，而这条路径通常是由多个路由器和点-点链路组成；
IP协议要保证数据分组通过多跳路径从源结点到达目的结点；
IP协议是针对源主机-路由器、路由器-路由器、路由器-主机之间的数据传输的点-点的网络层通信协议。
IP协议向传输层屏蔽了物理网络的差异。
作为一个面向互联网的网络层协议，它必然要面对各种异构的网络和协议，IP协议需要向传输层屏蔽物理网络的差异性。
IPv4分组的格式
IP分组由两个部分组成：
分组头和数据；
分组头有时也称为首部，分组头长度是可变的；
人们习惯用4字节为基本单元表示分组头字段；
IPv4分组头的基本长度是20字节，最大长度为60字节。
IPv4分组头格式
IP分组的第一个字段是“版本（version）”;
长度为4位;
表示所使用的网络层IP协议的版本号;
版本字段值为4，表示IPv4；
版本字段值为6，表示IPv6。
协议字段
协议字段则是指使用IP协议的高层协议类型;
协议字段长度为8位。
长度
IP分组的分组头有两个长度字段：
分组头长度（hlen）
总长度（totallength）
分组头长度字段
分组头长度字段的长度为4位，它定义了以4字节为一个单位的分组头的长度;
分组头长度字段最小值为5,最大值为15。
服务类型字段
服务类型字段的长度为8位；
用于指示路由器如何处理该分组；
服务类型由4位的服务类型（TOS）字段与3位的优先级字段构成，有1位的保留位。
IP分组的分片与组装
最大传输单元MTU与IP分组的分片
从IP协议与数据链路层协议的角度看IP分组的最大长度；
从IP协议与传输层协议的角度看IP分组的最大长度；
RFC791文件中规定IP分组的可标识的最大长度为65535个字节。
IPv4地址
IP地址概念与划分地址新技术的研究
标准IP地址的分类
A类地址
A类地址的网络号的第1位为0，其余的7位可以分配；
A类地址共分为大小相同的128（27=128）块，每一块的netID不同；
netID=10的10.0.0.0～10.255.255.255用于专用的地址，其余的125块可指派给一些机构；
每个A类网络可以分配的主机号hostID可以是224-2=16777214个；
主机号为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的。
A类地址覆盖范围为：
1.0.0.0-127.255.255.255。
B类地址
B类地址的网络号长度为14位，网络号有214=16384个；
B类地址的主机号长度为16位，因此每个B类网络
可以有216=65536个主机号；
主机号为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的；
B类地址覆盖范围为：
128.0.0.0～191.255.255.255。
C类地址
对于C类IP地址，网络号长度为21位，主机号长度为8位；
网络号长度为21位，允许有221=2097152个不同的C类网络；
主机号长度为8位，每个C类网络的主机号最多有28=256个；
主机号为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的，一个C类IP地址允许分配的主机号为254个；
C类地址覆盖范围为：
192.0.0.0-223.255.255.255
D类IP地址
D类IP地址地址覆盖范围为：
224.0.0.0～239.255.255.255
D类IP地址用于其他特殊的用途，如多播地址。
E类IP地址
E类IP地址地址覆盖范围为：
240.0.0.0～247.255.255.255
E类地址用于某些实验和将来使用。
路由——数据包的处理方式
源路由
源路由是指由发送分组的源主机制定的传输路径，用以区别由路由器通过路由选择算法确定的路径;
源路由主要用于测试某个网络的吞吐量，绕开出错的网络，也可以用于保证传输安全的应用中;
源路由分为严格源路由（SRR）与松散源路由（LRR）。
路由选择算法的主要参数
跳数—一个分组从源结点到达目的结点经过的路由器的个数；
带宽—链路的传输速率；
延时—一个分组从源结点到达目的结点花费的时间；
负载—通过路由器或线路的单位时间通信量；
可靠性—可靠性是指传输过程中的误码率；
开销—传输过程中所耗费的链路带宽、通信费用等。
路由选择算法的分类
静态路由表
静态路由表是由人工方式建立的，网管人员将每个目的地址的路径输入到路由表中；网络结构发生变化时，路由表无法自动地更新；
静态路由表一般只用在小型的、结构不会经常改变的局域网系统中，或者是故障查找的试验网络中。
动态路由表
大型互联网络通常采用动态路由表；
在网络系统运行时，系统将自动运行动态路由选择协议，建立路由表；
当互联网结构变化时，例如当某个路由器出现故障或某条链路中断时，动态路由选择协议就会自动更新所有路由器中的路由表；
不同规模的网络需要选择不同的动态路由选择协议。
路由选择算法与路由表
在互联网中每一台路由器都会保存一个路由表，路由选择是通过表驱动的方式进行的。
一个通过3个路由器连接的4个网络的例子
路由表中的特殊路由
默认路由
在路由选择过程中，如果路由表中没有明确指明一条到达目的网络的路由信息，就可以将该分组转发到默认路由指定的路由器。
特定主机路由
IP协议允许为一个特定的主机建立特定主机路由;
特定主机路由方式赋予本地网络管理者更大的网络控制权，可以用于网络安全、网络流通性测试、路由表正确性判断等。
路由表的建立、更新与路由选择协议
路由选择算法（routingalgorithm）与路由选择协议（routingprotocol）的概念是不同的；
路由选择算法的目标是产生一个路由表，为路由器转发IP分组找出适当的下一跳路由器；
设计路由选择协议是实现路由表路由信息的动态更新。
路由选择协议的分类
内部网关协议IGP
内部网关协议是在一个自治系统内部使用的路由选择协议；
内部网关协议主要有：
路由信息协议（RIP）
开放最短路径优先（OSPF）协议
外部网关协议EGP
连接不同自治系统之间的路由器之间使用外部网关协议EGP交换路由信息；
外部网关协议主要是边界网关协议（BGP）。
路由器与第三层交换技术
路由器主要功能
建立并维护路由表
为了实现分组转发功能，路由器内部有一个路由表数据库与一个网络路由状态数据库；
路由器定期更新路由表；
提供网络间的分组转发功能
当一个分组进入路由器时，路由器检查报文分组的源地址与目的地址，然后根据路由表数据库的相关信息，决定该分组应该传送给哪个路由器或主机。
路由器的结构与工作原理
路由器的基本结构
路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口，完成分组转发功能的专用计算机系统；
路由器是由“路由选择处理机”和“分组处理与交换”两部分组成。
路由选择处理机
路由选择部分又称为控制部分，其核心构件是路由选择处理器；
路由选择处理器的任务是根据所选定的路由选择协议构造路由表，同时从相邻路由器交换路由信息，更新和维护路由表。
分组处理与交换部分
分组处理与交换部分主要包括：
交换结构、一组输入端口和一组输出端口；
交换结构根据转发表对分组进行处理，将输入端口进入的分组从合适的输出端口转发出去；
路由器每个输入和输出端口中各有三个模块，对应于物理层、数据链路层和网络层；
如果接收的分组是交换的路由信息的分组（如RIP或OSPF分组），则将这种分组送交路由选择处理器；如果接收到的是数据分组，则按照分组头中的目的地址查找转发表，决定合适的输出端口
路由过程：
了解路由的途径
路由器技术演变与发展
第一代单总线单CPU结构的路由器
第二代多总线多CPU结构的路由器
第三代交换结构的Gbps路由器
第四代多级交换路由器
第三代交换结构的Gbps路由器成本增高，同时对新的应用需求与协议变化的适应能力差；
针对这种情况，研究人员提出网络处理器（NP）的概念，通过采用多微处理器的并行处理模式，使NP具有与ASIC芯片相当的功能，同时具有很好的可编程能力，使得用NP设计的路由器性能大幅度提高，能适应未来发展的需要；
未来的路由器应该是采用并行处理、光交换技术的多级交换路由器。
IPv6协议
IPv6的主要特征
新的协议格式；
巨大的地址空间；
有效的分级寻址和路由结构；
有状态和无状态的地址自动配置；
内置的安全机制；
更好地支持QoS服务。
IPv6地址表示方法
IPv6的128位地址按每16位划分为一个位段，每个位段被转换为一个4位的十六进制数，并用冒号隔开，这种表示法称为冒号十六进制表示法；
用二进制格式表示的一个IPv6地址：
110000101l11111010
将这个128位的地址按每16位划分为8个位段:
1101000000001000001111111100000100011010
将每个位段转换成十六进制数，并用冒号隔开，结果应该是:
21DA:
0000:
0000:
0000:
02AA:
000F:
FE08:
9C5A
一个冒号十六进制IPv6地址与最初给出的一个用128位二进制数表示的IPv6地址是等效的；
IPv6前缀（formatprefix）
IPv6不支持子网掩码，它只支持前缀长度表示法；
前缀是IPv6地址的一部分，用作IPv6路由或子网标识；
IPv6前缀可以用“地址/前缀长度”来表示；
例如，21DA:
D3:
:
/48是一个路由前缀；而21DA:
D3:
0:
2F3B:
:
/64是一个子网缀。
IPv6分组结构与基本报头
每个IPv6分组都有一个IPv6基本报头。
基本报头长度固定为40个字节；
IPv6数据包可以没有扩展报头，也可以有一个或多个扩展报头，扩展报头可以具有不同的长度。
IPv6基本报头各个字节的意义
版本（version）
版本字段值为6，表示使用IPv6协议；
通信类型（trafficclass）
通信类型字段为8位，表示数据包的类或优先级；
流标记（flowlabel）
流标记字段为20位，表示分组属于源结点和目标结点之间的一个特定数据包序列，它需要由中间IPv6路由器进行特殊处理；
流标记用于非默认的QoS连接，例如实时数据（音频和视频）的连接。
载荷长度（playloadlength）
载荷长度字段为16位，表示IPv6有效载荷的长度；
有效载荷的长度包括扩展报头和高层PDU；
由于有效载荷长度字段为16位，它可以表示最大长度为65535字节的有效载荷；
如果有效载荷的长度超过65535B，则将有效载荷长度字段的值置为0，而有效载荷长度用逐跳选项扩展报头中的超大有效载荷选项表示。
下一个报头（nextheader）
下一个报头字段为8位，如果存在扩展报头，
“下一个报头”值表示下一个扩展报头的类型；
如果不存在扩展报头，“下一个报头”值表示传输层报头是TCP或UDP，或ICMP报头。
跳数限制（hoplimit）
跳数限制字段为8位，表示IPv6分组可以通过的最大路由器转发数；
分组每经过一个路由器，数值减1；
当跳数限制字段的值减为0，路由器向源结点发送“超时-跳步限制超时”ICMPv6报文，并丢弃该分组。
源地址（sourceaddress）
源地址字段为128位；
表示源主机的IPv6地址。
目的地址（destinationaddress）
目标地址字段长度为128位；
在大多数情况下，目的地址字段值为最终目地结点地址；
如果存在路由扩展报头，目的地址字段值可能为下一个转发路由器的地址。
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