王道考研计算机网络笔记第四章：网络层

叁歲伎倆 2022-12-31 03:23 304阅读 0赞

> 本文基于`2019 王道考研 计算机网络`: [2019 王道考研 计算机网络][2019 _]  
> **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][Link 1]  
> **第二章：**[王道考研 计算机网络笔记 第二章：物理层][Link 2]
> 
> **第三章：**[王道考研 计算机网络笔记 第三章：数据链路层][Link 3]  
> 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**：
> 
> ![image-20201226185551103][]

# 一、网络层功能 #

> **网络层提供主机与主机之间的逻辑通信**

![image-20201223095736653][]

## 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

![image-20201223095845731][]

--------------------

## 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**

![image-20201223095927864][]

--------------------

## 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

![image-20201223100007439][]

**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  
![image-20201224113653874][]  
**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  
![image-20201224113353050][]

## 1. 电路交换 ##

![image-20201224115247960][]  
**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 ##

![image-20201224120622453][]  
**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

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## 3. 分组交换 ##

![image-20201225134445589][]  
**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
    
    ![image-20201225135630578][]

**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：

![image-20201225140227275][]

### 数据报方式 ###

![image-20201225141552918][]

### 虚电路方式 ###

![image-20201225141837713][]

**对比**：  
![image-20201225142120284][]

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## 三种方式对比 ##

![image-20201225140052249][]

# 三、路由算法和路由协议 #

## 1. 路由算法 ##

![image-20201225143001644][]

**路由算法的分类**：  
![image-20201225143538345][]

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## 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

![image-20201226160046663][]

### 1. RIP协议及距离向量算法 ###

![image-20201228091439720][]

> `RIP协议`是**内部网关协议**，用于**一个自治系统AS内**使用

![image-20201226160046663][]

#### 1. RIP协议（应用层协议） ####

![image-20201226161028097][]

![image-20201226161306045][]

#### 2. RIP协议报文格式 ####

![image-20201226164011954][]

#### 3. RIP协议特点 ####

![image-20201226164120549][]

![image-20201226164310127][]

#### 4. 距离向量算法 ####

![image-20201226161649141][]

![image-20201226163603057][]

![image-20201226164502199][]

--------------------

### 2. OSPF与链路状态算法 ###

#### 1. OSPF协议 ####

![image-20201226164946171][]

#### 2. 链路状态路由算法 ####

![image-20201226165701585][]

#### 3. OSPF的区域 ####

![image-20201226170432803][]

#### 4. OSPF分组 ####

![image-20201226170643565][]

#### 5. 特点 ####

![image-20201226170844204][]

--------------------

### 3. BGP协议 ###

#### 1. BGP协议（应用层协议） ####

![image-20201226171047570][]

#### 2. BGP协议交换信息的过程 ####

![image-20201226171238359][]  
![image-20201226171351773][]  
![image-20201226171423630][]

#### 3. BGP协议报文格式 ####

![image-20201226171552228][]

#### 4. 特点 ####

![image-20201226171628973][]

#### 5. BGP-4四种报文 ####

![image-20201226171727468][]

--------------------

### 三种协议对比 ###

![image-20201226172147157][]  
![image-20201226172157732][]

# 四、IP数据报 #

## 1. 格式（首部） ##

![image-20201225145125989][]  
IP数据包**头部详细格式**：  
![image-20201225145623952][]  
![image-20201225152131934][]  
协议对应的字段值：  
![image-20201225145454157][]

--------------------

## 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
> 
> ![image-20201225150016960][]

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

![image-20201225151010833][]  
例题：  
![image-20201225151921021][]

# 五、IPv4地址 #

![image-20201225153041810][]  
![image-20201225153452015][]

*  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) ##

![image-20201225153721396][]

**特殊的IP地址**：  
![image-20201225154157855][]  
![image-20201225155100423][]  
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
> 
> ![image-20201225154507555][]
> 
>  *  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

![image-20201228091648678][]

--------------------

## 2. 子网的划分 ##

![image-20201225191633366][]

**子网划分**：

![image-20201225191826746][]

**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

![image-20201225192217420][]  
![image-20201225192625797][]  
![image-20201225192815042][]  
![image-20201225193417257][]

--------------------

## 3. 构成超网（无分类编址CIDR） ##

![image-20201225212733721][]  
![image-20201225214918898][]

*  **减少了路由表的表项**

![image-20201225215223525][]

![97736ed4afe5fb59bdb6ffaf92d29ea7.png][]

# 六、重要协议 #

![image-20201226191453078][]

## 1. ARP协议 ##

> 实现**MAC地址和IP地址的映射**

### 1. 发送数据的过程 ###

![image-20201225220424544][]  
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  
![image-20201225221244867][]

### 2. ARP协议 ###

![image-20201225221527607][]  
![image-20201225221630233][]

--------------------

## 2. DHCP协议（应用层协议） ##

> 实现**动态获取IP地址**

![image-20201225221913521][]  
![image-20201225222319766][]

--------------------

## 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
> 
> ![image-20201225223000106][]

![image-20201226153343939][]

### 1. ICMP差错报文 ###

![image-20201226153619142][]  
![image-20201226153630725][]  
![image-20201226153820767][]

### 2. ICMP询问报文 ###

![image-20201226153942315][]

### 3. ICMP应用 ###

![image-20201226154018252][]

--------------------

## 4. IGMP协议与组播路由协议 ##

![image-20201226183013392][]

### 1. IP数据报的三种传输方式 ###

![image-20201226172641840][]  
![image-20201226172825094][]  
![image-20201226172928743][]

### 2. IP组播地址 ###

![image-20201226181216630][]

### 3. 硬件组播 ###

![image-20201226182116179][]

### 4. IGMP协议与组播路由协议 ###

![image-20201226182342930][]

#### 1. IGMP协议 ####

![image-20201226182511568][]  
![image-20201226182531685][]  
![image-20201226182718818][]

#### 2. 组播路由选择协议 ####

![image-20201226182843373][]  
![image-20201226182928300][]  
![image-20201226182946593][]

# 七、IPv6 #

![image-20201226155850850][]  
![image-20201226154427995][]

## 1. 数据格式 ##

![image-20201226154516092][]  
![image-20201226155106603][]

--------------------

## 2. IPv6对比IPv4 ##

![image-20201226155415410][]

--------------------

## 3. IPv6地址表示与类型 ##

![image-20201226155533489][]  
![image-20201226155634769][]

--------------------

## 4. IPv6过渡IPv4的策略 ##

![image-20201226155741860][]

# 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][Link 4]（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][IP]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 ##

![image-20201226183940252][]

--------------------

## 2. 通信过程 ##

![image-20201226184334146][]  
![image-20201226184439135][]

# 九、网络层设备——路由器 #

## 路由器 ##

> **路由选择+分组转发**

![image-20201226184649792][]  
![image-20201226184801501][]  
![image-20201226184810190][]  
![image-20201226184847561][]

--------------------

## 三层设备的区别 ##

![image-20201226185130182][]  
![image-20201226185314370][]

[2019 _]: https://www.bilibili.com/video/BV19E411D78Q?p=12
[Link 1]: https://bareth.blog.csdn.net/article/details/110225464
[Link 2]: https://bareth.blog.csdn.net/article/details/110311328
[Link 3]: https://bareth.blog.csdn.net/article/details/111829036
[image-20201226185551103]: /images/20221120/850f47354e0047af9b3fd5c184f6e40c.png
[image-20201223095736653]: /images/20221120/8c38e39b8c2648fb96531f6725e8d7c9.png
[image-20201223095845731]: /images/20221120/77b8484ffe294f139a7bd547df4122fe.png
[image-20201223095927864]: /images/20221120/b7db537a33cc42d9ba30b2254890efa0.png
[image-20201223100007439]: /images/20221120/b89fa1a1ebbf42448a9dc96cdad564e1.png
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[image-20201224113353050]: /images/20221120/fd4390865da246c8ba303860242db7ce.png
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[image-20201224120622453]: /images/20221120/12c2869d89304a00aef76fecd96af903.png
[image-20201225134445589]: /images/20221120/facdfb6766aa4a63951d234de8b5a72e.png
[image-20201225135630578]: /images/20221120/90aa1fe7d88a454c846d3908276d1573.png
[image-20201225140227275]: /images/20221120/d31acd07e2304d42bb234002d562303c.png
[image-20201225141552918]: /images/20221120/46d3194c955441c390d9f5e6eed0f493.png
[image-20201225141837713]: /images/20221120/0d928c70d48447bc8eb2df2d4fff178b.png
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