網路層如何使用mtv值

Ⅰ 《計算機網路-自頂向下方法》第四章-網路層 要點

網路層的作用：實現主機到主機的通信服務，將分組從一台發送主機移動到一台接收主機。

1、轉發涉及分組在單一的路由器中從一條入鏈路到一條出鏈路的傳送。
2、路由選擇涉及一個網路的所有路由器，它們經路由選擇協議共同交互，以決定分組從源到目的地結點所採用的路徑。計算這些路徑的演算法稱為路由選擇演算法。

每台路由器都有一張轉發表，路由器通過檢查到達分組首部欄位的值來轉發分組，然後使用該值在該路由器的轉發表中索引查找。路由選擇演算法決定了插入路由器轉發表中的值。

路由選擇演算法可能是集中式的，或者是分布式的。但在這兩種情況下，都是路由器接收路由選擇協議報文，該信息被用於配置其轉發表。

網路層也能在兩台主機之間提供無連接服務或連接服務。同在運輸層的面向連接服務和無連接服務類似，連接服務需要握手步驟，無連接服務不需要握手。但它們之間也有差異：
1、 在網路層中，這些服務是由網路層向運輸層提供的主機到主機的服務。在運輸層中，這些服務則是運輸層向應用層提供的進程到進程的服務。
2、 在網路層提供無連接服務的計算機網路稱為數據報網路；在網路層提供連接服務的計算機網路稱為虛電路網路。
3、 在運輸層實現面向連接的服務與在網路層實現連接服務是根本不同的。運輸層面向連接服務是在位於網路邊緣的端系統中實現的；網路層連接服務除了在端系統中，也在位於網路核心的路由器中實現。（原因很簡單：端系統和路由器都有網路層）

虛電路網路和數據報網路是計算機網路的兩種基本類型。在作出轉發決定時，它們使用了非常不同的信息。

IP地址有32比特，如果路由器轉發表採用「蠻力實現」將對每個可能的目的地址有一個表項。因為有超過40億個可能的地址，這種選擇完全不可能（即使用二分查找也十分慢）。
我們轉發表的表項可以設計為幾個表項，每個表項匹配一定范圍的目的地址，比如有四個表項

（你可能也會考慮到，IP地址有32比特，如果每個路由器設計為只有2個表項，那麼也只需要有32個路由器就可以唯一確定這40億個地址中的一個。）

最長前綴匹配規則，是在轉發表中尋找最長的匹配項，並向與最長前綴匹配相關聯的鏈路介面轉發分組。這種規則是為了與網際網路的編址規則相適應。

1、輸入埠
「使用轉發表查找輸出埠」是輸入埠最重要的操作（當然還有其他一些操作）。輸入埠執行完這些所需的操作後，就把該分組發送進入交換結構。如果來自其他輸入埠的分組當前正在使用交換結構，一個分組可能會在進入交換結構時被暫時阻塞，在輸入埠處排隊，並等待稍後被及時調度以通過交換結構。
2、交換結構
交換結構的三種實現方式

3、輸出埠
分組調度程序 處理在輸出埠中排隊的分組
4、路由選擇處理器

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IP協議版本4，簡稱為IPv4；IP協議版本6，簡稱為IPv6。

如上圖所示，網路層有三個主要的組件
1、IP協議
2、路由選擇協議
3、ICMP協議 (Internet Control Message Protocol, 網際網路控制報文協議)

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不是所有鏈路層協議都能承載相同長度的網路層分組。有的協議能承載大數據報，而有的協議只能承載小分組。例如，乙太網幀能夠承載不超過1500位元組的數據，而某些廣域網鏈路的幀可承載不超過576位元組的數據。

一個鏈路層幀能承載的最大數據量叫做最大傳送單元(Maximun Transmission Unit, MTU)

所以鏈路層協議的MTU嚴格限制著IP數據報的長度。這也還不是主要的問題，問題在於發送方與目的地路徑上的每段鏈路可能使用不同的鏈路層協議，且每種協議可能具有不同的MTU。

舉個例子：假定從某條鏈路收到一個IP數據報，通過檢查轉發表確定出鏈路，並且該出鏈路的MTU比該IP數據報的長度要小。那麼如何將這個過大的IP分組壓縮進鏈路層幀的有效載荷欄位呢？

解決辦法是，將IP數據報中的數據分片成兩個或更多個較小的IP數據報，用單獨的鏈路層幀封裝這些較小的IP數據報；然後向輸出鏈路上發送這些幀。每個這些較小的數據報都被稱為片(fragment)。

路由器完成分片任務。同時，為了使得網路內核保持簡單，IPv4設計者把數據報的重組工作放到端系統中，而非放到網路路由器中。

前提：一個4000位元組的數據報(20位元組IP首部加上3980位元組IP有效載荷)到達一台路由器，且必須被轉發到一條MTU為1500位元組的鏈路上。假定初始數據報貼上的標識號為777。

這意味著初始數據報中3980位元組數據必須被分配到3個獨立的片(其中的每個片也是一個IP數據報)

IP分片：

IP地址有32比特，分為網路號和主機號。
IP地址的網路部分（即網路號）被限制為長度為8、16或24比特，這是一種稱為分類編址的編址方案。具有8、16和24比特子網地址的子網分別被稱為A、B和C類網路。

但是它在支持數量迅速增加的具有小規模或中等規模子網的組織方面出現了問題。一個C類(/24)子網僅能容納多大2^8 - 2 = 254台主機(2^8 = 256, 其中的兩個地址預留用於特殊用途)，這對許多組織來說太小了。然而一個B類(/16)子網可支持多達65534台主機，又太大了。這導致B類地址空間的迅速損耗以及所分配的地址空間的利用率低。

廣播地址255.255.255.255。當一台主機發出一個目的地址為255.255.255.255的數據報時，該報文會交付給同一個網路中的所有主機。

某組織一旦獲得了一塊地址，它就可以為本組織內的主機與路由器介面逐個分配IP地址。既可手工配置IP地址，也可以使用動態主機配置協議(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)自動配置。DHCP還允許一台主機得知其他信息，如它的子網掩碼、它的第一跳路由器地址(常稱為默認網關)與它的本地DNS伺服器的地址。

由於DHCP具有能將主機連接進一個網路相關方面的自動能力，它又被稱為即插即用協議。

DHCP是客戶-伺服器協議。客戶通常是新達到的主機，它要活的包括自身使用的IP地址在內的網路配置信息。在最簡單的場合下，每個子網將具有一台DHCP伺服器。如果在某子網中沒有伺服器，則需要一個DHCP中繼代理(通常是一台路由器)，這個代理知道用於該網路的DHCP伺服器的地址。

DHCP協議工作的4個步驟：

網路地址轉換(Network Address Translation, NAT)

ICMP通常被認為是IP的一部分，但從體系結構上將它是位於IP之上的，因為ICMP報文是承載在IP分組中的。即ICMP報文是作為IP有效載荷承載的，就像TCP與UDP報文段作為IP有效載荷被承載那樣。

眾所周知的ping程序發送一個ICMP類型8編碼0的報文到指定主機。看到該回顯請求，目的主機發回一個類型0編碼0的ICMP回顯回答。大多數TCP/IP實現直接在操作系統中支持ping伺服器，即該伺服器不是一個進程。

新型IPv6系統可做成向後兼容，即能發送、路由和接收IPv4數據報，要使得已部署的IPv4系統能夠處理IPv6數據報，最直接的方式是採用一種雙棧方法。

1、鏈路狀態(Link State, LS)演算法：屬於全局式路由選擇演算法，這種演算法必須知道網路中每條鏈路的費用。費用可理解為鏈路的物理長度、鏈路速度，或與該鏈路相關的金融上的費用。鏈路狀態演算法採用的是Dijkstra演算法。

2、距離向量(Distance-Vector, DV)演算法：屬於迭代的、非同步的和分布式的路由選擇演算法。
「迭代的」，是因為此過程一直要持續到鄰居之間無更多信息要交換為止。
「非同步的」，是因為它不要求所有結點相互之間步伐一致地操作。
「分布式的」，是因為每個結點都要從一個或多個直接相連鄰居接收某些信息，執行計算，然後將其計算結果分發給鄰居。
DV演算法的方程：

其中，dx(y)表示從結點x到結點y的最低費用路徑的費用，c(x, v)是結點x到結點v的費用，結點v指的是所有x的相連結點，所以x的所有相連結點都會用minv方程計算。

（N是結點（路由器）的集合，E是邊（鏈路）的集合）

為了減少公共網際網路的路由選擇計算的復雜性以及方便企業管理網路，我們將路由器組織進自治系統。

在相同AS中的路由器全都運行同樣的路由選擇演算法，且擁有彼此的信息。在一個自治系統內運行的路由選擇演算法叫做自治系統內部路由選擇協議。

當然，將AS彼此互聯是必需的，因此在一個AS內的一台或多台路由器將有另外的任務，即負責向在本AS之外的目的地轉發分組。這些路由器被稱為網關路由器。

分為自治系統內部的路由選擇和自治系統間的路由選擇

1、網際網路中自治系統內部的路由選擇：路由選擇信息協議(Routing Information Protocol, RIP)
2、網際網路中自治系統內部的路由選擇：開放最短路優先(Open Shortest Path First, OSPF)
3、自治系統間的路由選擇：邊界網關協議(Broder Gateway Protocol, BGP)

為什麼要使用不同的AS間和AS內部路由選擇協議？

實現廣播的方法
1、無控制洪泛。該方法要求源結點向它的所有鄰居發送分組的副本。當某結點接收了一個廣播分組時，它復制該分組並向它的所有鄰居（除了從其接收該分組的那個鄰居）轉發之。
致命缺點： 廣播風暴 ，如果圖具有圈，那麼每個廣播分組的一個或多個分組副本將無休止地循環。
2、受控洪泛。用於避免廣播風暴，關鍵在於正確選擇何時洪泛分組，何時不洪泛分組。受控洪泛有兩種方法：序號控制洪泛、反向路徑轉發(Reverse Path Forwarding, RPF)
3、生成樹廣播。雖然序號控制洪泛和RPF能避免廣播風暴，但是它們不能完全避免冗餘廣播分組的傳輸。

多播：將分組從一個或多個發送方交付到一組接收方

每台主機有一個唯一的IP單播地址，該單播地址完全獨立於它所參與的多播組的地址。

網際網路網路層多播由兩個互補組件組成：網際網路組管理協議(Internet Group Management Protocol, IGMP)和多播路由選擇協議

IGMP只有三種報文類型：membership_query報文，membership_report報文，leave_group報文。

與ICMP類似，IGMP報文也是承載在一個IP數據報中。

網際網路中使用的多播路由選擇
1、距離向量多播路由選擇協議
2、協議無關的多播路由選擇協議

Ⅱ 簡述OSI參考模型的各層及各層的功能

ISO/OSI參考模型各層功能：

1、物理層功能：物理層是OSI參考模型的最低層，它利用傳輸介質為數據鏈路層提供物理連接。

2、數據鏈路層：數據鏈路層是為網路層提供服務的，解決兩個相鄰結點之間的通信問題。

3、網路層：網路層是為傳輸層提供服務的，傳送的協議數據單元稱為數據包或分組。

4、傳輸層：傳輸層的作用是為上層協議提供端到端的可靠和透明的數據傳輸服務，包括處理差錯控制和流量控制等問題。

5、會話層：會話層主要功能是管理和協調不同主機上各種進程之間的通信（對話），即負責建立、管理和終止應用程序之間的會話。

6、表示層：表示層處理流經結點的數據編碼的表示方式問題，以保證一個系統應用層發出的信息可被另一系統的應用層讀出。。

7、應用層：應用層是OSI參考模型的最高層，是用戶與網路的介面。

服務與介面

在OSI分層結構模型中，每一層實體為相鄰的上一層實體提供的通信功能稱為服務。N層實體利用N-1層實體所提供的服務，向N+I層實體提供功能更強大的服務。這可以概括為「服務是垂直的」。例如，傳輸層實體利用網路層實體的服務，向應用層實體提供網頁傳輸服務。

在OSI模型中，各層之間的介面都有統一的規則。N層的服務訪問點SAP(Service Access Point)是N層實體提供服務給N+1層的地方，SAP可以理解為下層實體之間的邏輯傳輸通道。每一層的SAP都有一個唯一標明它的地址。一個N層可能存在多個SAP。

以上內容參考：網路-OSI參考模型

Ⅲ 計算機網路(四)網路層

主要任務是把分組從源端傳到目的端，為分組交換網上的不同主機提供通信服務。網路層傳輸單位是數據報。

鏈路層數據幀可封裝數據的上限稱為最大傳送單元MTU

標識：同一數據報的分片使用同一標識。

中間位DF（Don』t Fragment）：

最低位MF（More Fragment）：

片偏移：指出較長分組分片後，某片在原分組中的相對位置。以8B為單位。除了最後一個分片，每個分片長度一定是8B的整數倍。

IP地址：全世界唯一的32位/4位元組標識符，標識路由器主機的介面。IP地址::={<網路號>,<主機號>}

有一些IP地址是不能用的，有其特殊的作用，如：

網路地址轉換NAT（Network Address Translation）：在專用網連接到網際網路的路由器上安裝NAT軟體，安裝了NAT軟體的路由器叫NAT路由器，它至少有一個有效的外部全球IP地址。

此外，為了網路安全，劃分出了部分IP地址和私有IP地址，私有IP地址網段如下：

路由器對目的地址是私有IP地址的數據報一律不進行轉發。

分類的IP地址的弱點：

某單位劃分子網後，對外仍表現為一個網路，即本單位外的網路看不見本單位內子網的劃分。

路由器轉發分組的演算法：

無分類域間路由選擇CIDR：

CIDR記法：IP地址後加上「/」，然後寫上網路前綴（可以任意長度）的位數。e.g. 128.14.32.0/20

CIDR把網路前綴都相同的連續的IP地址組成一個「CIDR地址塊」。

使用CIDR時，查找路由表可能得到幾個匹配結果（跟網路掩碼按位相與），應選擇具有最長網路前綴的路由。前綴越長，地址塊越小，路由越具體。

將多個子網聚合成一個較大的子網，叫做構成超網，或路由聚合。方法：將網路前綴縮短（所有網路地址取交集）。

由於在實際網路的鏈路上傳送數據幀時，最終必須使用MAC地址。

ARP協議：完成主機或路由器IP地址到MAC地址的映射。

ARP協議使用過程：

ARP協議4種典型情況：

動態主機配置協議DHCP是 應用層 協議，使用 客戶/伺服器 方式，客戶端和服務端通過 廣播 方式進行交互，基於 UDP 。

DHCP提供即插即用聯網的機制，主機可以從伺服器動態獲取IP地址、子網掩碼、默認網關、DNS伺服器名稱與IP地址，允許地址重用，支持移動用戶加入網路，支持在用地址續租。

DHCP工作流程如下：

ICMP協議支持主機或路由器：包括差錯（或異常）報告和網路探詢，分部發送特定ICMP報文

ICMP差錯報告報文（5種）：

不應發送ICMP差錯報文的情況：

ICMP詢問報文:

ICMP的應用：

32位IPv4地址空間已分配殆盡，這時，可以採用更大地址空間的新版本的IPv6，從根本上解決地址耗盡問題

IPv6數據報格式如下圖

IPv6的主要特點如下：

IPv6地址表示形式：

零壓縮：一連串連續的0可以被一對冒號取代。雙冒號表示法在一個地址中僅可出現一次。

IPv6基本地址類型：

IPv6向IPv4過渡的策略：

R1的路由表/轉發表如下：

最佳路由：「最佳」只能是相對於某一種特定要求下得出的較為合理的選擇而已。

路由演算法可分為

由於網際網路規模很大且許多單位不想讓外界知道自己的路由選擇協議，但還想連入網際網路，可以採用自治系統來解決

自治系統AS：在單一的技術管理下的一組路由器，而這些路由器使用一種AS內部的路由選擇協議和共同的度量以確定分組在該AS內的路由，同時還使用一種AS之間的路由協議以確定在AS之間的路由。

一個AS內的所有網路都屬於一個行政單位來管轄，一個自治系統的所有路由器在本自治系統內都必須連通。

路由選擇協議

RIP是一種分布式的基於距離向量的路由選擇協議，是網際網路的協議標准，最大優點是簡單。

RIP協議要求網路中每一個路由器都維護從它自己到其他每一個目的網路的唯一最佳距離 [1] 記錄（即一組距離）。 RIP協議只適用於小互聯網。

RIP是應用層協議，使用 UDP 傳送數據。一個RIP報文最多可包括25個路由，如超過，必須再用一個RIP報文傳送。

RIP協議的交換

路由器剛開始工作時，只知道直接連接的網路的距離（距離為1），接著每一個路由器也只和數目非常有限的相鄰路由器交換並更新路由信息。

經過若干次更新後，所有路由器最終都會知道到達本自治系統任何一個網路的最短距離和下一跳路由器的地址，即「收斂」。

RIP的特點：當網路出現故障時，要經過比較長的時間(例如數分鍾) 才能將此信息傳送到所有的路由器，「慢收斂」。

對地址為X的相鄰路由器發來的RIP報文，修改此報文中的所有項目：把「下一跳」欄位中的地址改為X，並把所有的「距離」欄位+1。

開放最短路徑優先OSPF協議：「開放」標明OSPF協議不是受某一家廠商控制，而是公開發表的；「最短路徑優先」是因為使用了Dijkstra提出的最短路徑演算法SPF。OSPF最主要的特徵就是使用分布式的鏈路狀態協議。 OSPF直接用IP數據報傳送。

OSPF的特點：

為了使OSPF 能夠用於規模很大的網路，OSPF 將一個自治系統再劃分為若干個更小的范圍，叫做區域。每一個區域都有一個32 位的區域標識符（用點分十進製表示）。區域也不能太大，在一個區域內的路由器最好不超過200 個。

BGP 所交換的網路可達性的信息就是要到達某個網路所要經過的一系列AS。當BGP 發言人互相交換了網路可達性的信息後，各BGP 發言人就根據所採用的策略從收到的路由信息中找出到達各AS 的較好路由。

一個BGP 發言人與其他自治系統中的BGP 發言人要交換路由信息，就要先建立TCP 連接，即通過TCP傳送，然後在此連接上交換BGP 報文以建立BGP 會話(session)，利用BGP 會話交換路由信息。 BGP是應用層協議，藉助TCP傳送。

BGP協議特點:

BGP-4的四種報文

組播提高了數據傳送效率。減少了主幹網出現擁塞的可能性。組播組中的主機可以是在同一個物理網路，也可以來自不同的物理網路（如果有組播路由器的支持）。

IP組播地址讓源設備能夠將分組發送給一組設備。屬於多播組的設備將被分配一個組播組IP地址（一群共同需求主機的相同標識）。

組播地址范圍為224.0.0.0～239.255.255.255（D類地址），一個D類地址表示一個組播組。只能用作分組的目標地址。源地址總是為單播地址。

同單播地址一樣，組播IP地址也需要相應的組播MAC地址在本地網路中實際傳送幀。組播MAC地址以十六進制值01-00-5E打頭，餘下的6個十六進制位是根據IP組播組地址的最後23位轉換得到的。

TCP/IP 協議使用的乙太網多播地址的范圍是:從01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF .

收到多播數據報的主機，還要在IP 層利用軟體進行過濾，把不是本主機要接收的數據報丟棄。

ICMP和IGMP都使用IP數據報傳遞報文。組播路由器知道的成員關系只是所連接的區域網中有無組播組的成員。

IGMP工作的兩個階段：

只要有一個主機對某個組響應，那麼組播路由器就認為這個組是活躍的；如果經過幾次探詢後沒有一個主機響應，組播路由器就認為本網路上的沒有此組播組的主機，因此就不再把這組的成員關系發給其他的組播路由器。

組播路由協議目的是找出以源主機為根節點的組播轉發樹。構造樹可以避免在路由器之間兜圈子。對不同的多播組對應於不同的多播轉發樹；同一個多播組，對不同的源點也會有不同的多播轉發樹。

組播路由選擇協議常使用的三種演算法：

移動IP技術是移動結點(計算機/伺服器等)以 固定的網路IP地址 ，實現跨越不同網段的 漫遊 功能，並保證了基於網路IP的網路許可權在漫遊過程中不發生任何改變。

路由器是一種具有多個輸入埠和多個輸出埠的專用計算機，其任務是轉發分組。

若路由器處理分組的速率趕不上分組進入隊列的速率，則隊列的存儲空間最終必定減少到零，這就使後面再進入隊列的分組由於沒有存儲空間而只能被丟棄。 路由器中的輸入或輸出隊列產生溢出是造成分組丟失的重要原因。

路由器(網路層)可以互聯兩個不同網路層協議的網段。
網橋(鏈路層)可以互聯兩個物理層和鏈路層不同的網段。
集線器(物理層)不能互聯兩個物理層不同的網段。

路由表根據路由選擇演算法得出的，主要用途是路由選擇，總用軟體來實現。

轉發表由路由表得來，可以用軟體實現，也可以用特殊的硬體來實現。轉發表必須包含完成轉發功能所必需的信息，在轉發表的每一行必須包含從要到達的目的網路到輸出埠和某些MAC地址信息的映射。