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网络层概念
网络层向上层提供的两种服务
虚电路 网络提供数据报服务
虚电路服务与数据报服务的对比
网络层的两个层面
分组传送到路由器的运作 对网络层进行分层
网际协议IP
虚拟互联网络
IP地址 IP地址及其表示方法
IP地址的计算方式
IP地址的结构 …目录
网络层概念
网络层向上层提供的两种服务
虚电路 网络提供数据报服务
虚电路服务与数据报服务的对比
网络层的两个层面
分组传送到路由器的运作 对网络层进行分层
网际协议IP
虚拟互联网络
IP地址 IP地址及其表示方法
IP地址的计算方式
IP地址的结构
分类的IP地址
练习
CIDR地址
斜记线法
地址块
地址掩码 练习
构造超网
子网划分
IP地址的应用规划——使用定长子网掩码划分子网 IP地址的应用规划——使用变长子网掩码划分子网 IP地址的特点
题外话二叉树划分变长子网与定长子网
定长子网用二叉树划分
变长子网用二叉树划分
进一步解释为啥各分支不能重复堵
练习
网络层概念 网络层向上层提供的两种服务 在计算机网络领域网络层应该向运输层提供怎样的服务(“面向连接”还是“无连接”曾引起了长期的争论。 争论焦点的实质就是:在计算机通信中可靠交付应当由谁来负责?是网络还是端系统 虚电路 一种观点:让网络负责可靠交付 这种观点认为应借助于电信网的成功经验让网络负责可靠交付计算机网络应模仿电信网络使用面向连接的通信方式·通信之前先建立虚电路(Virtual Circuit)以保证双方通信所需的一切网络资源。如果再使用可靠传输的网络协议就可使所发送的分组无差错按序到达终点不丢失﹑不重复 这种通信方式如果再使用可靠传输的网络协议就可使所发送的分组最终正确(无差错按序到达、不丢失、不重复)到达接收方。 虚电路是逻辑连接并不等同之前所述的电路交换 虚电路表示这只是一条逻辑上的连接分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送而并不是真正建立了一条物理连接。请注意电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接。因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似但并不完全一样。 网络提供数据报服务 另一种观点:网络提供数据报服务 互联网的先驱者提出了一种崭新的网络设计思路。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。网络在发送分组时不需要先建立连接·每一个分组(即IP数据报)独立发送与其前后的分组无关(不进行编号)·网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序(不按序到达终点)当然也不保证分组传送的时限。 网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序 将复杂的网络处理功能置于因特网的边缘(即用户主机和其内部的运输层)将相对简单的尽最大努力(即不可靠)的分组交付功能置于因特网核心 虚电路服务与数据报服务的对比 网络层的两个层面 我们已经讲过不同网络中的两个主机之间的通信要经过若干个路由器转发分组来完成分组查找路由器中的转发表从指明的接口转发到下一个路由器。 但转发表是怎样得出的呢?是从路由表导出的而路由表又是由互联网中许多的路由器按照共同选定的路由选择协议通过许多次的相互交换路由信息而产生的。具体看分组传送到路由器的运作 网络层的主要任务就是将分组从源主机经过多个网络和多段链路传输到目的主机可以将该任务划分为分组转发和路由选择两种重要的功能。 分组转发第一类是转发源主机和目的主机之间所传送的数据把源主机所发送的分组像接力赛跑那样从一个路由器转发到下一个路由器最后把分组传送到目的主机。路由选择第二类则是传送路由信息是根据路由选择协议所使用的路由算法彼此不断地交换路由信息分组目的是为了在路由器中创建路由表并由此导出为转发分组而用的转发表。这一类信息的传送是为第一类数据的传送服务的。 分组传送到路由器的运作 先绘制链路图如下 路由器的运作 那么R1是如何知道应从自己的哪个接口转发该分组呢 对网络层进行分层 可以把网络层抽象地划分为数据层面和控制层面。 在数据层面中 ● 路由器根据本路由器生成的转发表把收到的分组从查找到的对应接口转发出去。 ● 每个路由器独立工作。 ● 采用硬件进行转发速度快。 在控制层面中 ● 根据路由选择协议所用的路由算法计算路由器创建出本路由器的路由表。 ● 许多路由器协同动作。 ● 采用软件计算速度慢。 路由器的路由选择和分组转发分别处于上述控制层面和数据层面之中实际上这两种的实现都是在路由器内部完成。 这里用 ” 控制层面和数据层面 “ 这种概念进行划分是因为最近网络界提出的软件定义网络SDN 上面这两张图区别在于前者每个路由器既有转发表又有路由选择软件【图中可以看出】后者所有路由器都变得更加简单了它的路由选择软件不存在因此路由器之间不在交换路由信息路由表由远程控制器生成。当然这种集中控制的网络好处有些但传统的前者分散控制的网络也有它所不及的优点因此相铺相成吧。 网际协议IP 网际协议 IP (Internet Protocol) 是 TCP/IP 体系结构中两个最主要的协议之一。与 IP 协议配套使用的还有三个协议
1 地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)2 网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)3 网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol) 这三个协议和网际协议IP的关系。在这一层中ARP画在最下面因为IP经常要使用这个协议。ICMP和 IGMP画在这一层的上部因为它们要使用协议IP。 由于网际协议IP是用来使互连起来的许多计算机网络能够进行通信的因此TCP/IP体系中的网络层常常被称为网际层(internetlayer)或IP层。 因此TCP/IP 体系中的网络层常常被称为网际层(internetlayer)或IP层。使用“网际层”这个名词的好处,是强调了这是由很多网络构成的互连网络。目前比较普遍使用“网络层”这个名词。 虚拟互联网络 我们知道如果要在全世界范围内把数以百万计的网络都互连起来并且能够互相通信那么这样的任务一定非常复杂。其中会遇到许多需要解决的问题如:不同的寻址方案、不同的最大分组长度、不同的网络接入机制不同的超时控制、不同的差错恢复方法。 从上可知没有一种单一网络能够适应所有用户的需求。 从一般概念来讲将网络互相连接起来要使用一些中间设备根据中间设备所在的层次可以有以下四种不同的中间设备 (1)物理层使用的中间设备叫作转发器(repeater)。(2)数据链路层使用的中间设备叫作网桥或桥接器(bridge)以及交换机(switch)。(3)网络层使用的中间设备叫作路由器(router)。(4)在网络层以上使用的中间设备叫作网关(gateway)。用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换。 我们知道当中间设备是物理层或数据链路层设备时一般并不称之为网络互连因为这仅仅是把一个网络扩大了在网络层看来仍然是一个网络。而网络互连是指用路由器将不同的网络连接起来。 当参加互连的计算机网络都使用相同的网际协议IP时,可以把互连以后的计算机网络看成一个虚拟互连网络——各种物理网络的差异性被屏蔽在网络层上看起来好像是一个统一的网络。 而这种使用IP协议的虚拟互连网络又称为虚拟IP网。现在的互联网Internet就是这种虚拟IP网上层使用TCP协议。 当很多异构网络通过路由器互连起来时如果所有的网络都使用相同的协议IP那么在网络层讨论问题就显得很方便。现在用一个例子来说明。 分组从源主机H1发送到目的节点H2若中间必须经过一个或几个路由器这表示A和B不在同一个网络上)则是间接交付。但若不需要经过路由器这表示A和B在同一个网络上)则是直接交付。 我们还可注意到在R4和R5之间使用了卫星链路而R5所连接的是个无线局域网R5和主机H2都在同一个局域网中)。在R1到R4之间的三个网络则可以是任意类型的网络。总之这里强调的是:互联网可以由多种异构网络互连组成。 有时可以把问题简化。我们可以想象IP数据报就在网络层中传送传输路径可省略路由器之间的网络以及连接在这些网络上的许多无关主机。 在互联网的词汇中分组在传送途中的每一次转发都称为一“跃点(hop)”。 对于本例H1向H2发送分组需要经过6跳。我们还注意到,每一跳两端的两个节点都必定直接连接在同一个网络上。 IP地址 在TCP/IP体系中IP地址是一个基本概念。一个连接在互联网上的设备如果没有IP地址就无法和网上的其他设备进行通信。 IP地址及其表示方法 整个互联网是一个单一的、抽象的网络IP 地址就是给每个连接在互联网上的主机或路由器的每一个接口分配的一个在全世界范围内唯一的 32 位的标识符。 IP 地址由互联网名字和数字分配机构 ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) 进行分配。 为了便于人的书写和记忆我们常采用点分十进制记法表示 IP地址的计算方式 二进制转化为十进制 十进制转化为二进制 IP地址的结构 IP 地址采用两级结构由两个字段组成 第一个字段是网络号它标志主机或路由器所连接到的网络第二个字段是主机号它标志该主机或路由器。 一个主机号在所连接的网络即前面的网络号所指明的网络中必须是唯一的。由此可见一个IP地址在整个互联网范围内是唯一的。因此IP地址可以记为: 上式子中的符号“::”表示“定义为”。IP地址中包含网络号就表明不连网的主机就没有IP地址。一定要记住IP地址指明了连接到某个网络上的一个主机或路由器)。 分类的IP地址 图4-9表示P地址中的网络号和主机号的位置。具体的规定是:IP地址中的前n位是 主机所连接的网络号而IP地址中后面的(32 - n)位是主机号。 现在的问题是当我们找到一个IP地址时怎样知道它的网络号的位数n是多少?下面我们就来讨论这个问题。 32位的IP地址空间共有(即4294967296接近43亿个地址。它们各自的地址数量占比如图所示。 A类、B类和C类地址都是单播地址只有单播地址可以分配给网络中的主机或路由器的各接口。主机号为“全0”的地址是网络地址不能分配给主机或路由器)的各接口。主机号为“全1”的地址是广播地址不能分配给主机或路由器)的各接口 A类地址的细节 B类地址的细节 C类地址的细节 特殊的IPV4地址 练习 下面网络应如何分配网络型号 分配网络型号如下 CIDR地址 无分类编址的全名是无分类域间路由选择 CIDR它把 IP 地址划分为前后两个部分前面部分是“网络前缀”(network-prefix)用来指明网络后面部分是主机号用来指明主机。 在使用 CIDR 编址时IP 地址的定义及示意图如下 在 CIDR 编址中网络前缀的位数 n 不固定可以在 0 ~ 32 之间任意选取 斜记线法 CIDR 使用“斜线记法”(slash notation)或称为 CIDR 记法即在 IP 地址后面加上一个斜线“/”斜线后面写上网络前缀所占的位数。 地址块 CIDR把网络前缀都相同的所有连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。一个CIDR地址块包含的IP地址数目取决于网络前缀的位数。 IP地址由网络部分和主机部分组成而网络前缀的长度决定了地址块的大小以及所包含的IP地址数量 该图比较详细解释了地址块与地址的关系这与后文内容划分网络相关。 使用CIDR的一个好处是可以根据客户的需要分配适当大小的CIDR地址块因此可以更加有效地分配IPv4的地址空间。 采用CIDR后仅从斜线左边的IP地址已无法知道其网络地址了。 128.14.32.7是IP地址但未指明网络前缀长度因此不知道网络地址是什么。128.14.32.7/20也是IP地址但同时指明了网络前缀为20位由此可导出网络地址。 地址掩码 CIDR使用斜线记法可以让我们知道网络前缀的数值。但是计算机看不见斜线记法而是使用二进制来进行各种计算时就必须使用32位的地址掩码address mask)能够从IP地址迅速算出网络地址。 它的主要功能是分离出IP地址中的网络部分和主机部分从而确定两台设备是否处于同一子网中。 地址掩码常简称为掩码由一连串1和接着的一连串0组成而1的个数就是网络前缀的长度。地址掩码又称为子网掩码。在CIDR记法中斜线后面的数字就是地址掩码中1的个数。 ● 对于 /20 地址块它的地址掩码是 20 个连续的 1 和 12 个连续的 0。这个掩码用点分十进制表示就是 255.255.240.0。 练习 构造超网 使用CIDR的另一个好处是路由聚合也称为构造超网)。 在路由器的转发表中如果几个连续的、小的 CIDR 地址块具有相同的下一跳路由器则可以把这几个小的地址块合并成一个大的地址块并用一个转发表项代替原来的多个转发表项。 这种方法称为路由聚合也称为构造超网可以大大压缩转发表所占的空间减少查找转发表所需的时间 1、网络前缀越长地址块越小路由越具体 网络前缀的长度这个长度决定了网络的大小和可以包含的主机数量。地址块的大小网络前缀的位数越多表示网络部分越大而主机部分就越小。这意味着该子网内的可用IP地址范围更小地址块自然也就越小。路由的具体性网络前缀越长说明该子网在互联网中的划分越详细对应的路由就能更精确地指向特定的小范围网络。这种具体的路由有助于优化网络流量和提高路由效率 2、若路由器查表转发分组时发现有多条路由条目匹配则选择网络前缀最长的那条路由条目这称为最长前缀匹配因为这样的路由更具体 路由表的查找过程当路由器需要将数据包转发到其目的地时会在路由表中查找与数据包目的IP地址匹配的路由条目。这个过程涉及到对多个可能匹配的路由条目的筛选。最长前缀匹配原则在有多个匹配的路由条目时路由器会选择网络前缀最长即子网掩码中“1”的数量最多的那个条目因为这表明这条路由描述的网络范围更小、更具体。提高效率和精确性通过最长前缀匹配可以确保数据包被发送到最准确的目的地避免错误地发送到可能是部分匹配的、范围更大的网络中。这种方法提高了网络的效率和减少了不必要的网络流量 子网划分 定长子网掩码和变长子网掩码都是基于CIDR地址块。 大致区别如下 IP地址的应用规划——使用定长子网掩码划分子网 向主机号借用对应比特作为子网号 分配网络地址如下 IP地址的应用规划——使用变长子网掩码划分子网 仍然使用之前相同的网络举例 但注意申请到的网络发生变化 IP地址的特点 (1)IP地址的结构使之管理方便转发便捷 每一个IP地址都由网络前缀和主机号两部分组成。从这个意义上说IP地址是一种分等级的地址结构。 分两个等级的好处是:第一IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络前缀第一级)而剩下的主机号第二级则由得到该网络前缀的单位自行分配。这样就方便了IP地址的管理;第二路由器根据目的主机所连接的网络前缀即地址块)来转发分组而不考虑目的主机号)这样就可以使转发表中的项目数大幅度减少从而减少转发表所占的存储空间缩短查找转发表的时间 (2)主机同时连接两个网络会有两个网络地址路由器应当也有两个IP地址 实际上IP地址是标志一台主机或路由器和一条链路的接口。当一台主机同时连接到两个网络上时该主机就必须同时具有两个相应的IP地址其网络前缀必须是不同的。 这种主机称为多归属主机(multihomed host)。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。 (3)用转发器或交换机连接起来的局域网仍为一个网络 按照互联网的观点一个网络或子网是指具有相同网络前缀的主机的集合因此用转发器或交换机连接起来的若干个局域网仍为一个网络因为这些局域网都具有同样的网络前缀。具有不同网络前缀的局域网必须使用路由器进行互连 (4)分到网络前缀的网络会被互联网平等对待 在IP地址中所有分配到网络前缀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。所谓平等是指互联网同等对待每一个IP地址。 题外话二叉树划分变长子网与定长子网 定长子网用二叉树划分 变长子网用二叉树划分 进一步解释为啥各分支不能重复堵 练习 在堵住5个出水口的同时保证生成树最深
