网络层综述.docx

1、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)AppleTalkNovell 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

2、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

3、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

4、：分组头长度（hlen）总长度（total length）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

5、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net ID不同；net ID=10的10.0.0.010.255.255.255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host ID可以是224-2=16 777 214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=65 53

6、6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：128.0.0.0191.255.255.255。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=2 097 152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：192.0.0.0-223.255.255.255D类IP地址D类IP地址地址覆盖范围为：224.0.0.0239.255.255.255D类IP地址用于其他特殊的用途

7、，如多播地址。E类IP地址E类IP地址地址覆盖范围为： 240.0.0.0247.255.255.255E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

8、；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

9、，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（routing algorithm）与路由选择协议（routing protocol）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

10、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

11、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

12、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

13、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:11010 00000 0010 00001 1

14、111111000001000 11010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（format prefix）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

15、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(traffic class)通信类型字段为8位，表示数据包的类或优先级；流标记(flow label)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（playload length）载荷长度字段为16位，表示IPv6有效载

16、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(next header)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(hop limit)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(source address)源地址字段为128位；表示源主机的IPv6地址。目的地址(destination address)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。