计算机网络

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计算机网络——网络层

本章讨论网络互连问题。在介绍网络层提供的两种不同服务后，进入核心内容一网际协议 IP，只有深入地掌握了IP 协议的主要内容，才能理解互联网是怎样工作的。还要讨论网际控制报文协议ICMP, 几种常用的路由选择协议，IPv6 的主要特点，IP多播的概念。在讨论虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT后，最后简单介绍多协议标记交换MPLS。

本章最重要的内容是:

1. 虚拟互连网络的概念。
2. IP地址与物理地址的关系。
3. 传统的分类的IP地址(包括子网掩码)和无分类域间路由选择CIDR.
4. 路由选择协议的工作原理。

思维导图

本章重要概念：

• TCP/IP体系中的网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。网络层不提供服务质量的承诺，不保证分组交付的时限，所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序。进程之间通信的可靠性由运输层负责。
• IP网是虚拟的，因为从网络层上看，IP网就是一个统一的、抽象的网络(实际上是异构的)。IP 层抽象的互联网屏蔽了下层网络很复杂的细节，使我们能够使用统一的、 抽象的IP地址处理主机之间的通信问题。
• 在互联网上的交付有两种:在本网络上的直接交付(不经过路由器)和到其他网络的间接交付(经过至少一个路由器，但最后.次定是直接交付)。
• 一个IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。分类的IP地址包括A类、B类和C类地址(单播地址)，以及D类地址(多播地址)。E类地址未使用。
• 分类的IP地址由网络号字段(指明网络)和主机号字段(指明主机)组成。网络号字段最前面的类别位指明IP地址的类别。
• IP地址是一种分等级的地址结构。IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号，而主机号则由得到该网络号的单位自行分配。路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组。IP地址标志一台主机 (或路由器)和一条链路的接口。多归属主机同时连接到两个或更多的网络上。这样的主机同时具有两个或更多的IP地址，其网络号必须是不同的。由于一个路由器至少应当连接到两个网络，因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址。
• 按照互联网的观点，用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络。所有分配到网络号的网络(不管是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网)都是平等的。
• 物理地址(即硬件地址)是数据链路层和物理层使用的地址，而IP 地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址(用软件实现的)，在数据链路层看不见数据报的IP地址。
• IP数据报分为首部和数据两部分。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的(源地址、目的地址、总长度等重要字段都在固定首部中)。一些长度可变的可选字段放在固定首部的后面。
• IP首部中的生存时间字段给出了IP数据报在互联网中所能经过的最大路由器数，可防止IP数据报在互联网中无限制地兜圈子。
• 地址解析协议ARP把IP地址解析为硬件地址，它解决同一个局域网上的主机或路由器的IP 地址和硬件地址的映射问题。ARP的高速缓存可以大大减少网络上的通信量。
• 在互联网中，我们无法仅根据硬件地址寻找到在某个网络上的某台主机。因此，从IP地址到硬件地址的解析是非常必要的。
• 无分类域间路由选择CIDR是解决目前IP 地址紧缺的一个好方法。CIDR记法把IP地址后面加上斜线“/”，然后写上前缀所占的位数。前缀(或网络前缀)用来指明网络，前缀后面的部分是后缀，用来指明主机。CIDR 把前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。IP 地址的分配都以CIDR地址块为单位。
• CIDR的32位地址掩码(或子网掩码)由一串1和一串0组成， 而1的个数就是前缀的长度。只要把IP地址和地址掩码逐位进行“逻辑与(AND)”运算，就很容易得出网络地址。A类地址的默认地址掩码是255.0.0.0 B类地址的默认地址掩码是555.0.0.00 C类地址的默认地址掩码是255.255.
• 路由聚合(把许多前缀相同的地址用一个来代替)有利于减少路由表中的项目，减少路由器之间的路由选择信息的交换，从而提高了整个互联网的性能。
• “转发”和“路由选择”有区别。“转发”是单个路由器的动作。“路由选择”是许多路由器共同协作的过程，这些路由器相互交换信息，目的是生成路由表，再从路由表导出转发表。若采用自适应路由选择算法，则当网络拓扑变化时，路由表和转发表都能够自动更新。在许多情况下，可以不考虑转发表和路由表的区别，而都使用路由表这一名词。
• 自治系统(AS)就是在单一的技术管理下的一组路由器。一个自治系统对其他自治系统表现出的是一个单- 的和一致的路由选择策略。
• 路由选择协议有两大类:内部网关协议(或自治系统内部的路由选择协议)，如RIP和OSPF：外部网关协议(或自治系统之间的路由选择协议)，如BGP-4。
• RIP是分布式的基于距离向量的路由选择协议，只适用于小型互联网。RIP 按固定的时间间隔与相邻路由器交换信息。交换的信息是自己当前的路由表，即到达本自治系统中所有网络的(最短)距离，以及到每个网络应经过的下一跳路 由器。
• OSPF是分布式的链路状态协议，适用于大型互联网。OSPF 只在链路状态发生变化时，才向本自治系统中的所有路由器，用洪泛法发送与本路由器相邻的所有路由器的链路状态信息。“链路状态”指明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”。“度量”可表示费用、距离、时延、带宽等，可统称为“代价”。所有的路由器最终都能建立一个全网的拓扑结构图。
• BGP-4是不同AS的路由器之间交换路由信息的协议，是种路径向量路由选择协议。BCP力求寻找一条能够到达目的网络(可达) 且比较好的路由(不完圈子)，而并非要寻找一条最住路由。
• 网际控制报文协议ICMP是I层的协议。ICMP报文作为IP数据报的数据，加上首部后组成IP数据报发送出去。使用ICOMP非非为了实现可靠传输。ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询间报文。
• ICMP的一个重要应用就是分组网间探测PING. 用来测试两台主机之间的连通性，PING使用了ICMP回送请求与间送回答报文。
• 要解决P地址耗尽的问题，最根本的办法就是采用具有更大地址空间的新版本的 IP协议，即IPv6.
• IPv6所带来的主要变化是: (1)更大的地址空间(采用128位的地址)；(2)灵话的 首部格式；(3)改进的选项；(4) 支持即插即用；(5)支持资源的预分配；(6) IPv6 首部改为8字节对齐。
• IPv6数据报在基本首部的后而允许有零个或多个扩展首部，再后面是数据。所有的扩展首部和数据合起来叫做数据报的有效载荷或净负荷。
• IPv6数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一:单播、多播和任播。
• IPv6的地址使用冒号十六进制记法。
• 向IPv6过渡只能采用逐步演进的办法，必须使新安装的IPv6系统能够向后兼容。向IPv6过渡可以使用双协议栈或使用隧道技术。
• 与单播相比，在一对多的通信中， IP多播可大大节约网络资源。IP多播使用D类IP地址。IP多播需要使用网际组管理协议IGMP和多播路由选择协议。
• 虚拟专用网VPN利用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。VPN内部使用互联网的专用地址。一个VPN至少要有一个路由器具有合法的全球IP地址，这样才能和本系统的另一个VPN通过互联网进行通信。所有通过互联网传送的数据都必须加密。
• 使用网络地址转换NAT技术，可以在专用网络内部使用专用IP地址，而仅在连接到互联网的路由器使用全球IP地址。这样就大大节约了宝贵的IP地址。
• MPLS的特点: (1)支持面向连接的服务质量； (2)支持流量工程，平衡网络负载； (3) 有效地支持虚拟专用网VPN。
• MPLS在入口结点给每一个IP数据报打上固定长度的“标记”，然后根据标记在第二层(链路层)用硬件进行转发(在标记交换路由器中进行标记对换)，因而转发速率大大加快。

后语

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