【计网】第四章-网络层

2022-12-27

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自学计算机网络，资料来自网络。

原文出处：https://www.jianshu.com/c/f627e74e6ff3

本章做了一些内容删除。

网络层概述

简介

网络层的主要任务是实现网络互连，进而实现数据包在各网络之间的传输

要实现网络层任务，需要解决一下主要问题：

网络层向运输层提供怎样的服务（“可靠传输”还是“不可靠传输”）

在数据链路层那课讲过的可靠传输，详情可以看那边的笔记：网络层对以下的分组丢失、分组失序、分组重复的传输错误采取措施，使得接收方能正确接受发送方发送的数据，就是可靠传输，反之，如果什么措施也不采取，则是不可靠传输

网络层寻址问题
路由选择问题

网络层（网际层）除了 IP协议外，还有之前介绍过的地址解析协议ARP，还有网际控制报文协议ICMP，网际组管理协议IGMP

总结

网络层提供的两种服务

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？

面向连接的虚电路服务

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。

发送方 发送给 接收方 的所有分组都沿着同一条虚电路传送

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

无连接的数据报服务

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。

发送方 发送给 接收方 的分组可能沿着不同路径传送

尽最大努力交付

如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的运输层负责可靠交付（包括差错处理、流量控制等） 。

采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用。

互连网能够发展到今日的规模，充分证明了当初采用这种设计思路的正确性。

虚电路服务与数据报服务的对比

对比的方面	虚电路服务	数据报服务
思路	可靠通信应当由网络来保证	可靠通信应当由用户主机来保证
连接的建立	必须有	不需要
终点地址	仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号	每个分组都有终点的完整地址
分组的转发	属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发	每个分组独立选择路由进行转发
当结点出故障时	所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作	出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化
分组的顺序	总是按发送顺序到达终点	到达终点时不一定按发送顺序
端到端的差错处理和流量控制	可以由网络负责，也可以由用户主机负责	由用户主机负责

IPv4

分类编制的IPv4地址

每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号 net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络，而另一个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）。
主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。
由此可见，一个 IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。

划分子网的IPv4地址

为什么要划分子网

在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不够合理：

IP 地址空间的利用率有时很低。
给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。
两级的 IP 地址不够灵活。

如果想要将原来的网络划分成三个独立的网路

所以是否可以从主机号部分借用一部分作为子网号

但是如果未在图中标记子网号部分，那么我们和计算机又如何知道分类地址中主机号有多少比特被用作子网号了呢？

所以就有了划分子网的工具：子网掩码

从 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。

这种做法叫做划分子网 (subnetting) 。

划分子网已成为互联网的正式标准协议。

如何划分子网

基本思路

划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。
从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位。
凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。
然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。
最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。

划分为三个子网后对外仍是一个网络

优点

减少了 IP 地址的浪费
使网络的组织更加灵活
更便于维护和管理

划分子网纯属一个单位内部的事情，对外部网络透明，对外仍然表现为没有划分子网的一个网络。

子网掩码

(IP 地址) AND (子网掩码) = 网络地址 重要，下面很多相关知识都会用到

默认子网掩码

总结

子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。

路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器。

路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码。

若一个路由器连接在两个子网上，就拥有两个网络地址和两个子网掩码

无分类编址的IPv4地址

跳过细节。

总结

IPv4地址的应用规划

定长的子网掩码FLSM（Fixed Length Subnet Mask）

采用定长的子网掩码划分，只能划分出2^n个子网，其中n是从主机号部分借用的用来作为子网号的比特数量，每个子网所分配的IP地址数量相同

但是也因为每个子网所分配的IP地址数量相同，不够灵活，容易造成IP地址的浪费

变长的子网掩码VLSM（Variable Length Subnet Mask）

使用不同的子网掩码来划分子网

子网划分方式灵活:可以按需分配

每个子网所分配的IP地址数量可以不同，尽可能减少对IP地址的浪费

IP数据报的发送和转发过程

IP数据报的发送和转发过程包含以下两部分：

主机发送lP数据报

路由器转发IP数据报

为了将重点放在TCP/IP协议栈的网际层发送和转发IP数据报的过程上，在之后的举例中，我们忽略使用ARP协议来获取目的主机或路由器接口的MAC地址的过程以及以太网交换机自学习和转发帧的过程。

源主机如何知道目的主机是否与自己在同一个网络中，是直接交付，还是间接交付？

可以通过目的地址IP和源地址的子网掩码进行逻辑与运算得到目的网络地址

如果目的网络地址和源网络地址 相同，就是在同一个网络中，属于直接交付

如果目的网络地址和源网络地址 不相同，就不在同一个网络中，属于间接交付，传输给主机所在网络的默认网关（路由器——下图会讲解）,由默认网关帮忙转发

主机C如何知道路由器R的存在？

用户为了让本网络中的主机能和其他网络中的主机进行通信，就必须给其指定本网络的一个路由器的接口，由该路由器帮忙进行转发，所指定的路由器，也被称为默认网关

例如。路由器的接口0的IP地址192.168.0.128做为左边网络的默认网关

路由器收到IP数据报后如何转发？

检查IP数据报首部是否出错：
- 若出错，则直接丢弃该IP数据报并通告源主机
- 若没有出错，则进行转发
根据IP数据报的目的地址在路由表中查找匹配的条目：
- 若找到匹配的条目，则转发给条目中指示的下一条
- 若找不到，则丢弃该数据报并通告源主机

假设IP数据报首部没有出错，路由器取出IP数据报首部各地址字段的值

逐条检查路由条目，将目的地址与路由条目中的地址掩码进行逻辑与运算得到目的网络地址，然后与路由条目中的目的网络进行比较，如果相同，则这条路由条目就是匹配的路由条目，按照它的下一条指示

路由器是隔离广播域的

静态路由配置及其可能产生的路由环路问题

具体内容跳过。

总结

路由选择协议

涉及众多协议和算法，跳过。

ICMP差错报告报文

跳过

虚拟专用网VPN与网络地址转换NAT

虚拟专用网VPN（Virtual Private Network）

由于 IP 地址的紧缺，一个机构能够申请到的IP地址数往往远小于本机构所拥有的主机数。
考虑到互联网并不很安全，一个机构内也并不需要把所有的主机接入到外部的互联网。
假定在一个机构内部的计算机通信也是采用 TCP/IP 协议，那么从原则上讲，对于这些仅在机构内部使用的计算机就可以由本机构自行分配其 IP 地址。

无需申请的、可自由分配的专用地址，称私有地址

私有地址只能用于一个机构的内部通信，而不能用于和因特网上的主机通信

私有地址只能用作本地地址而不能用作全球地址

因特网中所有路由器对目的地址是私有地址的IP数据报一律不进行转发

本地地址与全球地址

本地地址——仅在机构内部使用的 IP 地址，可以由本机构自行分配，而不需要向互联网的管理机构申请。

全球地址——全球唯一的 IP 地址，必须向互联网的管理机构申请。

问题：在内部使用的本地地址就有可能和互联网中某个 IP 地址重合，这样就会出现地址的二义性问题。