【计算机网络 - 第四章】网络层：数据平面-Toy模板网

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一、网络层概述

1、主要作用

2、控制平面方法

3、网络层提供的两种服务

二、路由器工作原理

1、路由器总体结构

2、输入、输出端口处理

（1）输入端口

（2）输出端口

3、交换

（1）经内存交换

（2）经总线交换

（3）经互联网络交换

4、排队问题

（1）输入排队、输出排队

（2）分组调度

三、网际协议：IPv4、寻址、IPv6及其他

1、IPv4数据报格式

2、IPv4数据报分片

（1）基本概念

（2）IP数据报分片例题

3、划分子网的IPv4地址

（1）分类

（2）分类编址习题

（3）子网和子网掩码

2、无分类编址的IPv4地址

（1）CIDR无分类域间路由选择

（2）路由聚合（构造超网）

3、主机如何获得IP地址？

（1）动态主机配置协议DHCP

（2）获取一块IP地址方法：从ISP获取一组地址

4、网络地址转换NAT

5、IPv6数据报格式

6、通用转发和SDN

一、网络层概述

1、主要作用

数据平面：转发【经过单个交换结构的过程】

控制平面：路由选择【从源到目的地路径计划的过程】

2、控制平面方法

传统方法：控制平面的路由选择算法决定了插入该路由器的转发表内容

SDN方法：添加远程控制器

3、网络层提供的两种服务

二、路由器工作原理

1、路由器总体结构

2、输入、输出端口处理

（1）输入端口

路由器转发表

前缀匹配 链路接口

11001000 00010111 00010 0

11001000 00010111 00011000 1

11001000 00010111 00011 2

其他 3

路由器使用最长前缀匹配规则，在该表中找最长匹配项

比如：地址11001000 00010111 00011000 10101010的前24bit与接口1匹配，前21bit与接口2匹配，根据最长前缀匹配规则，路由器向链路接口1转发该分组

路由器转发表
前缀匹配	链路接口
11001000 00010111 00010	0
11001000 00010111 00011000	1
11001000 00010111 00011	2
其他	3

（2）输出端口

3、交换

（1）经内存交换

一个分组到达一个输入端口后，该端口通过中断方式向路由选择处理器发出信号

该分组被复制到处理器内存中

路由选择处理器从其首部提取目的地址，在转发表中找到适当输出端口

并将该分组复制到输出端口的缓存中

（2）经总线交换

输入端口经一根共享总线将分组直接传送到输出端口，不需要路由选择处理器干预

输入端口预先计划一个交换机内部标签，将该分组经由总线到达所有输出端口

但只有与该标签匹配的端口才能保存该分组

标签随后再输出端口被去除

（3）经互联网络交换

纵横式网络能够并行转发多个分组，是非阻塞的

4、排队问题

（1）输入排队、输出排队

HOL线路前部阻塞：在一个输入队列排队的分组必须等待通过交换结构发送，由于排在前面的数据报将其阻塞

（2）分组调度

1、先进先出【FIFO】

2、优先权排队

每个优先权类都有自己的队列

1、3、4分组优先权高，2、5分组优先权低

注意：在非抢占式优先权排队规则下，一旦开始传输就不能打断

3、循环和加权公平排队【WFQ】

先服务第1类，再服务第2类，再服务第3类，循环

第一类：1、2、4，第二类：3、5

分组1直接进行传输，链路调度器查找第二类的分组，对3进行传输

3传输完后，链路调度器查找第一类分组，对2进行传输

……

三、网际协议：IPv4、寻址、IPv6及其他

1、IPv4数据报格式

版本【4bit】：IPv4、IPv6

首部长度【4bit】：0000——1111，单位是4B。一般的IP数据报有20字节的固定部分，假设为1111即为15×4=60字节，去掉固定部分，则剩余可变长度为40字节。首部长度至少为5。

数据报长度【16bit】：首部长度+数据长度，单位是1B。最大长度为65535。

寿命【TTL】：每经过一个路由器-1，变0则丢弃。

协议：指明该IP数据报的数据部分应该交给哪个特定的运输层协议。TCP—6，UDP—17。

转发时，IP数据报的 源IP地址、首部检验和、TTL修改

2、IPv4数据报分片

（1）基本概念

不同的链路层协议拥有不同的最大传送单元（MTU），MTU严格限制IP数据报的长度。为了将较大的IP数据报挤进链路层帧的有效载荷字段，将IP数据报分片成多个较小的数据报。为了让目的主机重新组装这些分片，IPv4在IPv4数据报中设置了【标识、标志、片偏移】

标识【16位】：同一数据报分片使用同一标识

标志【3位】：只有后两位有意义。x DF MF

（Don‘t Fragment）DF=1——禁止分片 DF=0——允许分片

（More Fragment）MF=1——后面还有分片 MF=0——最后一片/无分片

注：当DF=0允许分片时，MF才有意义

片偏移【13位】：分片后，某片在原来分组中的相对位置，以8B为单位

eg：片偏移000…1，则该片段在原分组的位置是1×8=8B

注：除了最后一个分片，每个分片的长度一定是8B的整数倍

（2）IP数据报分片例题

首部（20B）数据部分（3800B）

需要分片为长度不超过1420B的数据报片。

分析：

每一片都是1420B，且要预留20B的首部，则可以分为下面3片

首部（20B）数据部分（1400B）
片偏移：0B ÷ 8B = 0
首部（20B）数据部分（1400B）
片偏移：1400B ÷ 8B = 175
首部（20B）数据部分（1000B）
片偏移：2800B ÷ 8B = 350

总长度 标识 MF DF 片偏移

原始数据报 3820 12345 0 0 0

分片1 1420 12345 1 0 0

分片2 1420 12345 1 0 175

分片3 1020 12345 0 0 350

3、划分子网的IPv4地址

（1）分类

IP地址 a.b网络号.c.d主机号

A类【(/8)前8位为网络号】：a.b.c.d

可指派网络数量：

每个网络可分配IP地址：

最小网络号0，不指派

最大网络号127，作为本地环回测试地址，不指派

B类【(/16)前16位为网络号】：a.b.c.d

可指派网络数量：

每个网络可分配IP地址：

减去主机号全为0的网络地址和全为1的广播地址

C类【(/24)前24位为网络号】：a.b.c.d

可指派网络数量：

每个网络可分配IP地址：

减去主机号全为0的网络地址和全为1的广播地址

缺点：如果要为2000台主机分配地址，分给B类地址，导致剩下超过62000个地址无法被利用，地址空间利用率低下

（2）分类编址习题

1、根据地址左起第一个十进制数，可判断网络类别

≤127为A类

128~191为B类

192~223为C类

2、根据网络类别，可以找出网络号和主机号

A类：a.b.c.d

B类：a.b.c.d

C类：a.b.c.d

3、以下3种情况地址不能指派给主机或路由器

A类网络号0和127

主机号全0，是网络地址

主机号全1，是广播地址

（3）子网和子网掩码

子网：不通过中间路由器就能实际到达对方的设备接口

子网掩码——可以表明主机号被借用了几个比特作为子网号

用连续的比特1对应网络号和子网号

用连续的比特0对应主机号

默认子网掩码

习题一

习题二

2、无分类编址的IPv4地址

（1）CIDR无分类域间路由选择

CIDR消除了传统的A类、B类、C类地址，以及划分子网的概念

IP地址子网部分长度任意

地址格式：a.b.c.d/x（x是网络号的位数）

eg：128.14.35.7/20 指32位IPv4地址前20bit为网络号

习题一：

习题二：

可分配的主机数为2，因为题目给的目的地址是广播地址，所以所以主机都能被广播到，因此是2

习题三：

（2）路由聚合（构造超网）

3、主机如何获得IP地址？

（1）动态主机配置协议DHCP

动态主机配置协议DHCP：应用层协议，使用C/S方式，基于UDP

动态地从网络服务器获得IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP

允许地址重用——一个主机来了，DHCP服务器分配一个ip给它，它走了，新主机来了，可以把刚刚的地址给新的主机用

支持在用地址续租

即插即用协议，零配置协议

DHCP协议工作过程：

主机广播DHCP发现报文 —— “有没有DHCP服务器呀？” DHCP服务器获得一个IP地址

DHCP服务器广播DHCP提供报文 —— “这里有！” 服务器拟分配给主机一个IP地址及相关配置

主机广播DHCP请求报文 —— “我开始用这个地址啦？” 主机向服务器请求提供IP地址

DHCP服务器广播DHCP确认报文 —— “用吧！” 正式将IP地址分配给主机

（2）获取一块IP地址方法：从ISP获取一组地址

ISP的地址块 200.23.16.9/20 11001000 00010111 00010000 00000000

组织0 200.23.16.9/23 11001000 00010111 00010000 00000000

组织1 200.23.18.9/23 11001000 00010111 00010010 00000000

组织2 200.23.20.9/23 11001000 00010111 00010100 00000000

……

组织7 200.23.30.9/23 11001000 00010111 00011110 00000000