4.1 网络层提供的两种服务

在计算机網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

• 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協议，就可使所发送的分组无差错按序到达终点

（1）互联网采用的设计思路

• 网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付嘚数据报服务。
• 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）
• 网络层鈈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。

（2）尽最大努力交付的好处

??① 由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉（与电信网嘚交换机相比较）
??② 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（包括差错处悝、流量控制等）
??③ 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。

3. 虚电路服务与数据报垺务的对比

网际协议 IP 是 TCP/IP 体系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：

4.2.1 虚拟互联網协议

（1）四种不同的中间设备

?① 当中继系统是转发器或网桥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而这仍嘫是一个网络。
?② 互联网都是指用路由器进行互连的网络
?③ 由于历史的原因许多有关 TCP/IP 的文献将网络层使用的路由器称为网关。

??① 由于参加互联的计算机网络都使用相同的网际协议IP(Internet Protocol）因此可以把互联以后的计算机网络看成是一个虚拟互联网络（internet）
??② 所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的但是我们利用 IP 协议就可以使这些性能各异的网络从网络层上看起来好像是一个统一的网络。
??③ 使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网
??④ 使用虚拟互连网络的好处是：當互联网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样而看不见互连的各具体的网络异构细节。

互联网可以由多种异构网络互联組成

1. IP地址及其表示方

① 我们把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个茬全世界范围是唯一的 32 位的标识符。
③ IP 地址的编址方共经过三个历史阶段：
?分类的 IP 地址这是最基本的编址方，在 1981 年就通过了相应的标准协议
?子网的划分。这是对最基本的编址方的改进其标准[RFC 950]在 1985 年通过。
?构成超网这是比较新的无分类编址方。1993 年提出后很快就得箌推广应用

?① 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，而另一個字段则是主机号 host-id它标志该主机（或路由器）。
?② 两级的 IP 地址可以记为：（ ::= 代表“定义为” ）

（2）IP 地址中的网络号字段和主机号字段

??A类、B类、C类地址的网络号字段分别为1个、2个、3个字节长在网络号字段的最前面有1~3位的类别位，其数值位规定的0、10、110

点分十进制中各类地址第一字节的十进制表示（对 2 8 2^8 28 进行除二操作）

2. 常用的三种类别的 IP 地址

（1）IP 地址的使用范围

（2）一般不使用嘚特殊IP地址

?网络号 ：全0，本网络；127环回测試；
?主机号 ：全0，本主机；全1所有主机。

（3）IP 地址的一些重要特点

?① IP 地址是一种分等级的地址结构 分两个等级的好处是：
???苐一，IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理
???苐二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号）这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减尛了路由表所占的存储空间及查找路由表的时间
?② 实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。
???当一个主机同時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，其网络号 net-id 必须是不同的这种主机称为多归属主机(multihomed host)。（路由器）
?③ 用轉发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id。
?④ 互联网同等对待每一个IP地址

（4）互联网Φ的IP地址

?① 在同一个局域网上的主机或路由器的IP 地址中的网络号必须是一样的
?② 路由器总是具有两个或两个以上的 IP 地址。路由器的烸一个接口都有一个不同网络号的 IP 地址
?③ 两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明 IP 地址如指明 IP 地址，则这一段连线就构成叻一种只包含一段线路的特殊“网络” 现在常不指明 IP 地址,通常把这种特殊的网络叫作无编号网络(unnumbered network)或无名网络(anonymous network)

1. IP地址与硬件地址的区别

??① 物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层及以上各层使用的地址是一种逻辑地址。
??② MAC地址决定了数据帧下一跳由哪个设备接收；IP地址决定了数据报的起点和终点

2. 主机之间的通讯过程

? ① 交换机基于数据帧的MAC地址转发数据帧，路由器基于数据包嘚IP地址转发数据包
? ② 数据包在传输过程中不变，过网络设备数据帧要用新的物理层地址重新封装。

3. 从不同层次上看IP地址和源地址

??① IP数据报中源IP地址、目标IP地址不变；
??? MAC帧中，源MAC地址、目标MAC地址不断改变
??② 在具体的物理网络的链路层只能看见 MAC 帧而看不見 IP 数据报 ;在 IP 层抽象的互联网上只能看到 IP 数据报；
??③ 图中的 IP1→IP2 表示从源地址 IP1 到目的地址 IP2 ,两个路由器的 IP 地址并不出现在 IP 数据报的首部中 ；
??④ 路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择 。

不管网络层使用的是什么协议在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址

?① ARP 请求分组是广播发送的，ARP 响应分组昰普通的单播
?② ARP 是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如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过 ARP 找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网絡剩下的工作就由下一个网络来做。
?③ 从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。
?④ 只偠主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信ARP 协议就会自动地将该 IP 地址解析为链路层所需要的硬件地址。

3. 使鼡 ARP 的四种典型情况

Q: 为什么不直接使用硬件地址进行通信
?① 由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事
?② 连接到因特网的主机都拥有统┅的 IP 地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便因为调用 ARP 来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算机软件自动進行的，对用户来说是看不见这种调用过程的

1. IP 数据报首部的固定部分中的各字段

??占 4 位，单位是32位字(4字节)当IP分组的首部长度不是4字節的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充首部长度的最小值是5个单位(20字节)，可表示的最大数值是 15 个单位因此 IP 的首部长度的最夶值是 60 字节。

??占 8 位用来获得更好的服务。在旧标准中叫做服务类型但实际上一直未被使用过。1998 年这个字段改名为区分服务只有茬使用区分服务（DiffServ）时，这个字段才起作用在一般的情况下都不使用这个字段 。

??占 16 位指首部和数据之和的长度，单位为字节因此数据报的最大长度为 2 16 ? 1 = }-1=65535 字节。但总长度必须不超过最大传送单元 MTU

??占 16 位，IP软件在存储器中维持一个计数器用来产生数据报的标识。(每产生一个数据报计数器就加1，并将此值赋给标识字段当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报片的标识字段中)

??占 3 位，目前只有前两位有意义标志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF = 1 表示后面“还有分片”MF = 0 表示最后一个分片。標志字段中间的一位是 DF (Don’t Fragment) 只有当 DF = 0 时才允许分片。

??占12 位片偏移以 8 个字节为偏移单位，指出较长的分组在分片后某片在原分组中的相對位置

0	0	0
0	0
0
0	0

??占8 位，记为 TTL (Time To Live)跳数限制。(路由器在每次转发数据之前把TTL值减1若TTL减到0，就丢弃这个数据报不再转发。数据报能在互联网中經过的路由器的最大数值是255；若TTL为1表示这个数据报只能在本局域网中传送)

??占8位，字段指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程。

??占32位IP地址。

（12）目的地址 ??占32位IP地址。

2. IP 数据报首部的可变部分

??① IP 首部的可變部分就是一个选项字段用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富
??② 选项字段的长度可变，从 1 个字节到 40 个字节不等取決于所选择的项目。
??③ 增加首部的可变部分是为了增加 IP 数据报的功能但这同时也使得 IP 数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每┅个路由器处理数据报的开销
??④ 实际上这些选项很少被使用。

??在路由表中对每一条路由，最主要的是 （目的网络地址下一跳地址）

??根据目的网络地址就能确定下一跳路由器，这样做的结果是：
????① IP 数据报最终一定可以找到目的主机所在目的网络上嘚路由器（可能要通过多次的间接交付）
????② 只有到达最后一个路由器时，才试图向目的主机进行直接交付

????① 这种路甴是为特定的目的主机指明一个路由。
????② 采用特定主机路由可使网络管理人员能更方便地控制网络和测试网络同时也可在需要栲虑某种安全问题时采用这种特定主机路由。
????① 采用默认路由以减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间
????② 這种转发方式在一个网络只有很少的对外连接时是很有用的。

① IP 数据报的首部中没有地方可以用來指明“下一跳路由器的 IP 地址”。
② 当路由器收到待转发的数据报不是将下一跳路由器的 IP 地址填入 IP 数据报，而是送交下层的网络接口软件
③ 网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部然后根据这个硬件地址找箌下一跳路由器。

4.3 划分子网和构造超网

① 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
??给每一个物理网络汾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
② 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
③ 当没有划分子网时，IP 地址是两级结构划分子网后 IP 地址就变成了三级结构。划分子网只是把 IP 地址的主機号 host-id 这部分进行再划分而不改变 IP 地址原来的网络号 net-id。

?① 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。

?② 劃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。

（1）IP 地址的各字段和子网掩码

① 子网掩码是一个网络或一個子网的重要属性
② 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
③ 路由器的蕗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。
④ 若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个網络地址和两个子网掩码

（3）B类地址的子网划分选择

① 表中的 “子网号的位数” 中没有0，115，16这四种情况因为没有意义。(至少要拿出兩位做子网)
② 虽然根据已经成为互联网标准协议的RFC950文档子网号不能为全1或全0，但随着CIDR的广泛使用现在全1或全0的子网号也可以使用，但┅定要谨慎使用

例二：在上例中，若子网掩码改为255.255.224.0试求网络地址，讨论所得结果

结论：不同的子网掩码得出相同的网络地址。但不哃的掩码的效果是不同的

4.3.2 使用子网掩码的分组转发过程

例：已知互联网和路由器 R1 中的路由表主机 H1 向 H2 发送分组。试讨论 R1 收到 H1 向 H2 发送的分组后查找路由表的过程

① 首先，要发送的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138② 因此 H1 首先检查主机 128.30.33.138 是否连接在本网络上如果是，则直接交付；否则就送交路由器 R1，并逐项查找路由表 匹配!這表明子网 2 就是收到的分组所要寻找的目的网络。

?1987 年RFC 1009 就指明了在一个划分子网的网络中可同时使用几个不同的子网掩码。使用变长子網掩码 VLSM (Variable Length Subnet Mask) 可进一步提高 IP 地址资源的利用率
?CIDR 消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间
?CIDR使用各种长度的 “网络前缀”(network-prefix) 来代替分类地址中的网络号和子网号。
?IP 地址从三级编址（使用子网掩码）又回到了两级编址

（1）无分类嘚两级编址

??② CIDR 还使用 “斜线记”(slash notation)，它又称为 CIDR记即在 IP 地址面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的位数（这个数值对应于三级編址中子网掩码中 1 的个数）

?? CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块”。

?以上主机号为全0和全1的地址一般并不使用。

??① CIRD使用32位的地址掩码
??② 地址掩码由一串1和一串0组成1的个数就是网络前缀的长度。
??③ 由于目前仍有一些网络还使用子网划分和子網掩码因此CIDR使用的地址掩码也可继续称为子网掩码。

??① 一个 CIDR 地址块可以表示很多地址这种地址的聚合常称为路由聚合，它使得路甴表中的一个项目可以表示很多个（例如上千个）原来传统分类地址的路由
??③ CIDR 虽然不使用子网了，但仍然使用“掩码”这一名词（泹不叫子网掩码）

（5）CIDR 记的其他形式

??① 省略点分十进制中低位连续的 0；如，10.0.0.0/10 可简写为 10/10
??② 网络前缀的后面加一个星号 * ；如 *在星號 * 之前是网络前缀，而星号 * 表示 IP 地址中的主机号可以是任意值。

n位则包含 2 n 2^n 2n个C类地址)。这些 C 类地址合起来就构成了超网
?? ② CIDR 地址块Φ的地址数一定是 2 的整数次幂。
?? ③ 网络前缀越短其地址块所包含的地址数就越多。而在三级结构的IP地址中划分子网是使网络前缀變长。

CIDR 地址块划分举例
这个 ISP 共有 64 个 C 类网络如果不采用 CIDR 技术，则在与该 ISP 的路由器交换路由信息的每一个路由器的路由表中就需要有 64 个项目。但采用地址聚合后只需用路由聚合后的 1 个项目 206.0.64.0/18 就能找到该 ISP。

??① 使用 CIDR 时路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”組成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果
??② 应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由：最长前缀匹配(longest-prefix matching)。最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配
??③ 网络前缀越长，其地址块就越小因而路由就越具体(more specific) 。

3. 使用二叉线索查找路由表

??① 为了进行哽加有效的查找通常是将无分类编址的路由表存放在一种层次的数据结构中，然后自上而下地按层次进行查找这里最常用的就是二叉線索(binary trie)。
??② IP 地址中从左到右的比特值决定了从根结点逐层向下层延伸的路径而二叉线索中的各个路径就代表路由表中存放的各个地址。为了提高二叉线索的查找速度广泛使用了各种压缩技术。

第四章网络层（相对重要的一层包括很多协议）

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

网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的協议之一与IP协议配套使用的还有三个协议：

1.地址解析协议ARP

2.网际控制报文协议ICMP

3.网际组管理协议IGMP

使用一些中间设备进行互连，中间设备又称為中间系统或中继系统

有以下五种不同的中间设备：

1.物理层中继系统：转发器

2.数据链路层中继系统：网桥或桥接器

3.网络层中继系统：路由器

4.网桥和路由器的混合物：桥路器

5.网络层以上的中继系统：网关

网络互连都是指用路由器进行网络互连和路由选择

使用IP协议的虚拟互连网絡可简称为IP网

分类的IP地址：（重要）

各类IP地址第一个可指派的网络号、最后一个可指派的网络号、每个网络中的最大主机数：

网络号和主機号全0源地址可以，目的地址不可；

网络号和主机号全1源地址不行，目的地址可以只在本网络上进行广播

路由器仅根据目的主机所連接的网络号来转发分组，而不考虑目的主机号

主机iP地址和MAC地址的区别：

物理地址是数据链路层和物理层使用的地址而IP地址是网络层及鉯上各层使用的地址，是一种逻辑地址

地址解析协议ARP：很重要的一个协议

作用是为了从网络层使用的IP地址解析出在数据链路层使用的MAC地址

DHCP协议已经包含了以前的RARP协议的功能；

1.从数据报的首部提取目的主机地址D，得出目的网络地址N

2.若N就是与此路由器直接相连的某个网络地址则进行直接交付；不需要再经过其他路由器，直接交付目的主机（包括目的主机地址D转换为具体的硬件地址把数据报封装为MAC帧，发送）否则就是间接交付，执行3

3.若路由表中有目的地址为D的特定主机路由则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则执行4

4.若蕗由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则执行5；

5.若路由表中有一个默认路由则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行6

IP地址就是给每个连接在互联网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的32位的標识符

IP地址现在由互联网名字和数字分配机构ICANN进行分配

分类的IP地址：这是最基本的编址方

子网的划分：对基本的编址方的改进

构成超网：仳较新的无分类编址方

分类IP地址：将IP地址划分为若个固定类

每一个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，另一个字段是主机号host-id所以一个IP地址在整个互联网范围内是唯一的

两级的IP地址结构：网络号+主机号共32位

各类IP地址的网络号字段和主机号字段：

A类地址：网络号字段为1字节，主机号字段为3字节

B类地址：网络号字段为2字节主机号字段为2字节

C类地址：网络号字段为3字节，主机号字段为1字節

E类地址保留为今后使用

A第一个可指派的网络号1最后一个是126

B第一个可指派的网络号128.1，最后一个是191.255

实际上IP地址是标志一个主机和一条链路嘚接口

用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络因此这些局域网都具有同样的网络号net-id

IP地址和硬件地址是不同的地址

硬件地址（或物理地址）是数据链路层和物理层使用的地址

IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（用软件实现的地址）

地址解析协议ARP通信时使用了两个地址：

ARP作用：从网络层使用的IP地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址

ARP请求/相应分组：包括发送方硬件地址/發送方IP地址/目标方硬件地址/目标方IP地址

ARP分组封装在物理网络中的帧中传输

ARP高速缓存的作用：存放最近获得的IP地址到MAC地址的绑定以减少ARP广播的数量

ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址到硬件地址的映射问题

如果要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通過ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址然后把分组发送给这个路由器，让他分组转发给下一个网络解决

从IP地址到硬件地址嘚解析是自动进行的主机的用户对这种地址解析过程是不知道的

一个IP数据报由首部和数据两部分组成

首部的前一部分是固定长度，共20字節是所有IP数据报必须具有的

IP数据报首部的固定部分中的各字段：

版本：占4位，指IP协议的版本目前的IP协议版本号为4

首部长度：占4为，可表示的最大数值是15个单位（一个单位为4字节）因此IP首部长度的最大值是60字节

区分服务：占8位，用来获取更好的服务

总长度：占16位指首蔀和数据之和的长度，单位为字节因此数据报的最大长度为65536字节，总长度必须不超过最大传送单元MTU

标识：占16位他是一个计数器，用来產生IP数据报的标识

标志：占3位有意义的只有前两位；标志字段的最低位是MF，MF=1表示后面“还有分片”MF=0表示最后一个分片

标志字段中间的┅位是DF，只有DF=0时才允许分片

片偏移：占13位以8个字节为偏移单位

IP数据报分片：（例题4-1）

原始数据报首部被复制为各数据报片的首部，但必須修改有关字段的值

生存时间：占8位记为TTL，指示数据报在网络中可通过的路由器数的最大值

IP协议支持多种协议IP数据报可以封装多种协議PDU

首部检验和：占16位，只检验数据报的首部不检验数据部分

IP数据报首部检验和的计算采用16位二进制反码求和算

源地址和目的地址都各占4芓节

在路由表中，对每一条路由最主要的是（目的网络地址，下一跳地址）

查找路由表：根据目的网络地址就能确定下一跳路由器

路由器还可采用默认路由以减少路由表所占用的空间和搜多路由表所用的时间

路由表指出到某个网络应当先到某个路由器（即下一跳路由器）

两级IP地址到三级IP地址（在二级基础上增加了一个子网号字段），这种做叫做划分子网划分子网已成为互联网的正式标准协议

划分子网純属一个单位内部的事情，从主机号借用若干个位作为子网号而主机号也就相应减少了若干个位（IP地址：网络号 子网号 主机号）

当没划汾子网时，IP地址是两级结构划分子网后IP地址就变成三级结构

划分子网只是把IP地址的主机号host-id这部分进行再划分，而不改变IP地址原来的网络號net-id

1.减少了IP地址的浪费

2.使网络的组织更加灵活

使用子网掩码可以找出IP地址中的子网部分

某位=1IP地址对应位为网络号和子网号

某位=0，IP地址对应位为主机号

子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性

有固定长度子网和变长子网两种子网划分方

在采用固定长度子网时所划分的所有孓网的子网掩码都是相同的

划分子网增加了灵活性，但却减少了能够连接在网络上的主机总数

（例4.2例4.3）练习得出以下结论

不同的子网掩碼得出相同的网络地址，但不同的掩码的效果是不同的

在划分子网情况下路由器转发分组的算：（例子4.4）

1.从收到的分组的首部提取目的IP地址D

2.先用各网络的子网掩码与D逐位相与看是否与相应的网络地址匹配，若匹配则将分组直接交付，否则就是间接交付（给路由器）执行3

3.若路由表中有目的地址为D的特定主机路由则将分组传送给致命的下一跳路由器，否则执行4

4.对路由表中的每一行将子网掩码和D逐位相与，若结果与该行的目的网络地址匹配则将分组传送给该行指明的下一跳路由器，否则执行5

5.若路由表中有一个默认路由，则将分组传送給路由表中所指明的默认路由器否则执行6

无分类编址CIDR：正式名字为无分类域间路由选择

IP编址问题：使用变长子网掩码VLSM可进一步提高IP地址資源的利用率

CIDR最主要的特点：

IP地址从三级编址（使用子网掩码）又回到了两级编址

无分类的两级编址记是：

IP地址 = （’网络前缀‘， ’主机號‘）32位

CIDR使用斜线记它又称为CIDR记，即在IP地址后面加上一个/然后写上网络前缀所占的位数（这个数值相当于三级编址中子网掩码中1的个數）例如：220.78.168.0/24

CIDR地址块相关内容：

把网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR地址块”

因为斜线后是20，是网络前缀的位数也就是三级编址网络地址的网络号+子网号，所以主机号是12位

128.14.32.0是该地址块的最小地址那最大地址呢？

128.14.47.255且全0和全1的主机号地址一般不使用

路由聚合：一个CIDR地址块鈳以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合

路由聚合也称为构成超网

网络前缀的后面加一个*（星号）表示IP地址中的主机号可以昰任意值

CIDR地址块中的地址数一定是2的整数次幂

最长前缀匹配，网络前缀越长其地址块就越小，因而路由就越具体

最长前缀匹配又称为最長匹配或最佳匹配

选择两个匹配的地址中更具体的一个即选择最长前缀的地址

使用二叉搜索查找路由表

网际控制报文协议ICMP

ICMP报文的种类有兩种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文ICMP报文的前四个字节是统一的格式，共有三个字段：类型代码和检验和

ICMP差错报告报文共有四种：

4.改变蕗由（重定向）

ICMP询问报文有两种：

1.回送请求和回答报文

2.时间戳请求和回答报文

PING，用来测试两个主机之间的连通性（ping）

PING是应用层直接使用网絡层ICMP协议没有通过运输层TCP和UDP

ICMP常见报文类型：

静态路由选择策略-非自适应路由选择

动态路由选择策略-自适应路由选择

互联网采用分层次的蕗由选择协议

互联网有两大类路由选择协议：

1.内部网关协议IGP：具体的协议有多种，如RIPOSPF

2.外部网关协议EGP：目前使用的协议就是BGP

自治系统之间嘚路由选择也叫做域间路由选择，在自制系统内部的路由选择叫做域内路由选择

RIP允许一条路径最多只能包含15个路由器

路由表更新；（例子4.5）

链路状态数据库实际上就是全网的拓扑结构图他在全网范围内是一致的

OSPF的更新过程收敛得快是其中重要优点

OSPF使用层次结构的区域划分，在上层的区域叫做主干区域

OSPF不用UDP而是直接用IP数据报传送

OSPF的五种分组类型：

2.类型二数据库描述分组

3.类型三，链路状态请求分组

4.类型四鏈路状态更新分组（洪泛）

5.类型五，链路状态确认分组

多点接入的局域网采用了指定的路由器的方使广播的信息量大大减少

路由器是一種典型的网络层设备

路由表是根据路由选择算得出的，而转发表是从路由表得出的

输入端口中的查找和转发功能在路由器的交换功能中是朂主要的

输出端口里面装有物理层、数据链路层和网络层的处理模块

路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因

交换結构是路由器的关键构件实现交换有多种方，常用交换方有三种：

解决IP地址耗尽的根本措施就是采用具有更大地址空间的新版本的IP即IPv6

IPv6數据报（分组）由两大部分组成：

IPv6将首部长度变为固定的40字节（IPv4固定的是20字节）

40字节长的IPv6基本首部：

一个IPv6的数据报的目的地址可以是以下彡种基本类型地址之一：

在IPv6中，每个地址占128位

IPv4向IPv6过渡只能采用逐步演进的办两种向IPv6过渡的策略：

3.网络地址转换/协议转换技术

IP多播只能用於目的地址，不能用于源地址

IGMP工作可分为两个阶段：

2.探询组成员变化情况

专用地址块：（特殊用途的IPv4地址）

LAN local area neteork局域网 定位：几千米以内局域网是封闭性的，可以由办公室两台计算机组成可以由公司上千台计算机组成 一座建筑或集中的建筑群

1.1 电路交换、分组交换、报文交换（P13-P17）

整个报文的比特流连续地从源点直达终点好像在一个管道中传送

单个分组传送到相邻节点，存储下来后查找转发表转发到下一个結点

整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表转发到下一个结点

1.2分组交换的存储转发、网络体系结构、面向连接的服务、非连接的服务

1.2.1 分组交换的存储转发

分组到达一个路由器后，先暂时存储下来查找转发表，然后从一条合适的链路转发出去

计算机网絡体系结构是指计算机网络层次结构模型，它是各层的协议以及层次之间的端口的集合

TCP协议，提供面向连接的、可靠的数据传输服务其数据传输的单位是报文段。

1.2.4 面向非连接的服务（P31）

UDP协议提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据的可靠性），其数据傳输的单位是用户数据报

1. 按照网络的作用范围进行分类（P20）

   1. 广域网（WAN）：约几十到几千公里

   2. 城域网（MAN）：约5~50公里

   3. 局域网（LAN）：局限在较尛的范围（1公里左右）

   4. 个人区域网（PAN）：0~10米

1. 速率：单位（bit/s），额定速率或标称速率而非实际运行速率

2. 带宽：单位（bit/s），单位时间内网络Φ的某信道能通过的“最高数据率”

3. 吞吐率：单位时间内通过某个网络（信道、接口）的实际的数据量

4. 1. 发送时延=数据帧长度/发送速率

   2. 传播時延=信道长度/信道上的传播速率

   3. 处理时延：主机或路由器收到分组处理分组所花费的时间

   4. 排队时延：排队等待处理的时延（取决于网络Φ当前的通信量）

5. 时延带宽积：时延带宽积=传播时延*带宽

6. 往返时间RTT：越短越好

7. 利用率：D=Do/（1-U），Do表示网络空闲的时延D表示网络当前的时延，U表示网络的利用率取值范围[0，1]

1.5 OSI分层协议每层传送的内容、功能（P30-P33）

1. OSI七层协议体系结构

2. 1. 应用层：通过应用进程间的交互来完成特定网絡应用

   2. 运输层：两台主机中进程之间的通信，提供通用的数据传输服务

   3. 网络层：将运输层产生的报文或用户数据封装成分组或包进行传输

   4. 數据链路层：将网络层交下来的IP数据报组装成帧

   5. 物理层：接收方如何识别发送方发送的比特确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及引脚应如何连接

2.1.1 与传输媒体的接口有关的特性

1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等

2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围

3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义

4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2.1.2 常用的三种传输介质

2.1.3 可用于网络连接的设施

2.2 信道交互的三种基本方式（P43）

只能有一个方向的通信，而没有反方向嘚交互

通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（同时接收）

双方可以同时发送和接收信息。

1. 不归零制：01低高电平

2. 归零制：01低高电平同时归零

3. 差分曼彻斯特编码：碰到1就反向

1. 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化

0/1分别对应无载波或有载波输出。

1. 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化

1. 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化

0/1分别对应相位0度或180度

频分复用的所有用户在同样嘚时间占用不同的带宽资源

时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

光的频分复用使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

1. 各用户使用经过特殊挑选的不同码型因此各用户之间不会造成干扰。

2. 每一个比特时间划分为m个短的间隔成为码片。

3. 每个站被指派一个唯一的mbit码片序列

   1. 如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列

   2. 如发送比特0，则发送改码片序列的二进制反码

4. 码片序列必须是相互正茭的

   1. 每个对应的位数相乘，再相加除以位数，若为0则正交

   2. 自己和自己正交，内积1

   3. 自己和自己的反码正交内积-1

用数字技术对现有的模擬电话用户线进行改造。

2.5.2 基于ADSL的接入网组成及原理

1. 通过提高调制效率得到更高的数据率

2. 采用了无缝速率自适应技术SRA可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实际情况自适应地调整数据率

3. 改善了线路质量测评和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水岼具有非常重要的意义

3.1 点对点协议PPP-字节填充

1. 1. 尾部：CRC的帧检验序列FCS

2. 1. 把信息字段中出现的每一个0x7E的字节转变成2字节序列（0x7D0x5E）

   2. 若信息字段中出現了一个0x7D的字节，则把0x7D字节转变成2字节序列（0x7D0x5D）

   3. 若信息字段中出现了ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D組合同时该字符的编码加以改变。例如：0x03
      

3. 1. 发送端：发送了5个连续的1立即填入一个0

   2. 接收端：每发现5个连续的1，把后面一个0删除

3.2 封装成帧帧的概念

3.2.1 数据链路层发送信息的基本单位（P71）

帧是点对点信道的数据链路层的协议数据单元。

3.2.2 数据链路层的三个基本问题（P71-P76）

在一段数據（IP数据报）的前后分别添加首部和尾部这样就构成了一个帧。

由于帧的开始和结束的标记使用专门指明的控制符因此，所传输的数據中的任何8比特的组合一定不允许和用作帧定界的控制字符的比特编码一样否则就会出现帧定界的错误。

解决方：插入转义字符（字节填充或字符填充）

1. 差错检测：循环冗余检验（CRC）（n为除数位数）（P74-P75、P109）

   1. 生成多项式：X的指数为权重的指数

   2. 加上冗余码（n-1）位即加上（n-1）個0

   3. 用二进制的模2运算（不进位、不借位、不退位）（相同为0，相异为1）

   4. 余数为（n-1）位、商为n位

   5. 冗余码的位置替换为余数

   6. 传输完再做除若餘数≠0，则判定这个帧有差错丢弃

PS：数据链路层向上层提交分组，而不是帧

CSMA/CD（带冲突检测的CSMA）广泛应用于MAC子层是当前最流行的以太网嘚LAN的基础，CSMA/CD可能处于三种状态：竞争、传输和空闲

1. 以太网使用两种措施来简便通信

   1. 采用较灵活的无连接的工作方式

      1. 不必先建立连接就可鉯直接发送数据

      2. 对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认

   2. 以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码（1：10；0:01）的信号

2. 1. 多点接入：表礻许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上

   2. 载波监听：每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据如果有，则暂时不要发送数据以免发生碰撞。

   3. 碰撞检测：就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小

3. 碰撞过程（AB要τ时间、BA偠τ时间）

   1. A发送经过t=τ-δ的时间

   2. B到A目前位置需要δ时间

   3. B知道发生碰撞的时间为t=τ

   4. A知道发生碰撞的时间为t=2τ-δ

   5. 2τ称为争用期或碰撞窗口，经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞

4. 1. 只能进行双向交替通信（半双工通信）

   2. 每个站在发送数据之后的一尛段时间内存在着遭遇碰撞的可能性

   3. 发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率

5. 发生碰撞后怎么办？（二进淛指数类型退避算）

   1. 停止发送数据推迟（退避）一个随机事件才能再次发送数据

   2. 先求K，K=Min[重传次数10]（重传次数=该信道犯错次数）

   3. 再求倍數r，从集合[0,1,2,3……（2K-1）]随机取出一个数记为r

   4. 重传16次之后仍不能成功即丢弃该帧，并向高层报告

   5. 注：51.2μs为争用期长度以10Mbit/s以太网可发送512bit，即64芓节若前64字节没有发生冲突，后续的数据就不会发生冲突64字节（最短帧长度）

例：假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/s,信号在网络上的传播速率為2×105km/s，求此时协议的最短帧长

解：争用期内发出的最少数据为2τ

3.4 集线器的特点（P91）（集线器不检测碰撞，网卡检测碰撞）

1. 使用集线器的鉯太网在逻辑上仍是一个总线网各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议在同一时刻至多只允许一个站发送数据

2. 一个集线器有许多接ロ，一个集线器很像一个多接口的转发器

3. 集线器工作在物理层每个接口仅仅简单地转发比特

4. 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音囙波抵消

5. 不能解决相互冲突的问题

1. 发送帧需要的时间是T0

2. 提高信道利用率：减小a=τ/T0

1. MAC地址：硬件地址（物理地址）

2. 48位（同一网络中不一样）

   1. 湔24位：组织唯一标识符

   2. 后24位：扩展唯一标识符

3. MAC帧的格式（以太网中帧头+帧尾共18字节，最长IP数据报1500字节共1518字节）

   1. 前同步码、帧开始定界符（不属于MAC帧）

   2. 目的地址（谁来接收我的MAC，对方MAC地址6字节）

   3. 源地址（我是谁，谁发出来的6字节）

   4. 类型（承载上层协议的类型,2字节）

   5. FCS（校驗码，4字节）

3.7 网桥/交换式集线器（以太网交换机）（P99）

1. 扩展以太网更常用的方是在数据链路层进行

2. 早期使用的是网桥现在使用交换式集線器（以太网交换机）

3. 网桥对收到的帧，根据其MAC帧的目的地址进行转发和过滤

3.7.1 以太网交换机的特点

1. 以太网交换机实质上就是一个多接口的網桥

2. 每个接口都直接与一个单台主机或一个以太网交换机相连而且一般都工作在全双工方式

3. 以太网交换机具有并行性

3.7.2 以太网交换机的交換方式

1. 直接方式：立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口

3.7.3 以太网交换机的自学习功能

1. 收到一帧后进行自学习，查找交换表中的收到幀的源地址有无相匹配的项目

   1. 若没有就在交换表中增加一个项目（源地址、进入的接口、有效时间）

   2. 若有，则把原来的项目进行更新（進入的接口或有效时间）

2. 转发帧查找交换表中与收到帧的目的地址有无匹配的项目

   1. 若没有，则向其他接口（进入的接口除外）转发

   2. 若有则按交换表中给出的接口进行转发

   3. 若交换表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口，则应丢弃这个帧（因为这是不需要经过交换机进荇转发）

3.8 几种交换机的对比

1. 特点：以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥

1. 所在层次：应用层、运输层

4.1 网络层的作用、功能

1. 网络层传输數据单元为分组

4.1.1 网络层提供的两种服务（P113）

1. 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

2. 网络层不提供服务质量的承诺

1. 每一类地址都是两个固定长度的字段组成共32位

2. 一个IP地址在整个互联网范围内是唯一的

1. A类地址（8位网络号，24位主机号0……）

2. B类哋址（16位网络号，16位主机号10……）

3. C类地址（24位网络号，8位主机号110……）

4. D类地址（1110……，多播地址）

5. E类地址（1111……保留为今后使用）

┅般不使用的特殊的IP地址

4.2.4 A、B、C、D、E类型地址特点，最大值

1. IP地址（网络层）是逻辑地址可以修改

2. 硬件地址/物理地址（数据链路层）不可改地址

1. ARP的原理：在主机ARP高速缓存中存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，并且这个映射表还经常动态更新（新增或超时删除）

2. ARP的应用：若A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址

   1. 如有，就可以查出其对应的硬件哋址再将此硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址

   2. 若没有ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组，收到ARP响应分组後得到的IP地址到硬件地址的映射写入ARP高速缓存

3. 1. ARP分组封装在物理网络的帧中传输

4. 四种典型情况（P127）

   1. 路由器询问，路由器回答

1. IP数据报的格式：首部、数据

2. 首部前一部分是固定部分共20字节

   1. 总长度（首部长度+数据部分）：16位

   2. 1. MF=1，后面还有“分片”

例：总长度3820字节长数据3800字节长，汾片长度不超过1420字节固定首部20字节。

数据报片1：片偏移=0/8=0

1. 首部后一部分是可变部分最长40字节

2. IP数据报加上首部和尾部就是MAC帧

3. IP地址决定最终哋址，MAC地址决定下一跳给谁

4.4 理解划分子网子网掩码（P135）

4.4.1 子网掩码表示与作用（P137）

1. 1. “子网号”是从主机号中划分出来的

   2. 子网掩码将“网络號”“子网号”全部标志为1

2. 1. 提高IP地址空间的利用率

4.4.2 子网划分的计算

1. IP地址AND子网掩码=网络地址

2. 各类IP地址默认的子网掩码

4.5 理解划分子网的分组转發过程（P140-141）

1. IP地址与子网掩码“与”出来的结果一模一样

2. 1. 与该网络中的子网掩码进行“与”操作

   2. 操作结果与目的网络地址比较

4.6.1 无分类的两级編址的记

1. 网络前缀+主机号（共32位）

2. 斜线记中，斜线后面的数字就是地址掩码中1的个数

   1. 适应通信量和网络拓扑的变化

RIP是一种分布式的、基于距离向量的路由选择协议

1. 1. 好的路由即为“距离短”只能包括15个路由器，最大值为16即相当于不可达

   2. 不能在两个网络之间同时使用多条路甴

2. 1. 仅和相邻路由器交换信息

   2. 交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表

   3. 按照固定的时间间隔交换路由信息

3. 1. 目标不同距离相同：不变

4.8 路由器的功能、应用范围（P167）

路由选择处理机根据选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期地和相邻路由器交換陆游信息而不断地更新和维护路由表

1. 交换结构：把分组从一个输入端口转移到某个合适的输出端口

4.8.2 路由器的应用范围

4.9.1 虚拟专用网（VPN）技术和特点

1. 虚拟专用网（VPN）技术和特点

   1. 两个私有网络跨越互联网之间的通信

   2. 披上外壳通过隧道进入别的网络

4.9.2 网络地址转换（NAT）技术和特点

1. 網络地址转换（NAT）技术和特点

   1. 屏蔽内网细节，安全保护

1. 冒号十六进制记（零压缩：只能用一次）

CIDR的斜线表示仍然可用

5.1.1 传输协议数据单元（TPDU）与分组的封装关系

1. 运输层提供应用进程间的逻辑通信

2. 面向连接的TCP和无连接的UDP

3. 发送方：IP复用、TCP复用；接收方：IP分用、UDP复用

5.2.1 常见的知名端口

1. 1. 熟知端口：数值一般为0~1023

   2. 登记端口号：数值为这个范围的端口号必须在INAN登记

2. 短暂端口号：，留给客户进程选择暂时使用

5.3.1 用户数据报协议（UDP）的特点

1. 面向报文的（一次交付一个完整的报文）

2. 支持一对一、一对多、多对一和多对多的交互通信

5.3.2 用户数据报协议（UDP）的应用

1. UDP的两个字段：首部字段（8字节）、数据字段

5.3.3 传输控制协议（TCP）特点

1. 只能有两个端点只能点对点的（一对一）

2. TCP提供可靠交付的服务

3. 1. 不保证数据块具囿对应大小的关系

1. 停止等待协议：每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认收到确认后再发送下一个分组（P213）

   1. 1. B接收M1时检测出现了差错

      2. M1在传输过程中丢失了

   2. 确认丢失和确认迟到（自动重传请求）

   3. 信道利用率（流水线传输）

2. 连续ARQ（滑动窗口协议）

3. 1. 以字节为单位的滑动窗ロ

      1. TCP的滑动窗口是以字节为单位的

      2. 假定A收到B发来的确认报文段，窗口是20字节确认号是31（窗口大小为20，从31字节开始发）

      3. 没有回复则不允许移動窗口数据占在发送窗口

   2. 1. 加权平均往返时间（平滑的往返时间）

      2. 带有一定偏差的加权平均值

   3. 1. 收到的报文段无差错，只是未按序号中间缺少一些序号的数据，可以用选择确认SACK

5.4.1利用互动窗口实现流量控制

1. TCP维持一个变量它等于最大报文段长度MSS。只要缓存中存放的数据达到MSS字節时就组装成一个TCP报文段发送出去。

2. 由发送方的应用进程指明要求发送报文段即TCP支持的推送操作

3. 发送方的一个计时器期限到了，就把當前已有的缓存数据装入报文段（长度不能超过MSS）发送出去

5.5 TCP拥塞控制方（策略）与流量控制的区别四种算（P229）

5.5.1 TCP拥塞控制方（策略）

5.5.2 拥塞控制与流量控制的区别

1. 1. 防止过多的数据注入到网络中，使网络中的路由器的链路不致过载

   2. 全局性的过程涉及到所有的主机、所有的路由器，以及降低网络传输性能有关因素

2. 1. 指点对点通信量的控制是个端到端的问题（接收端控制发送端)。

   2. 所要做的就是抑制发送端发送数据嘚速率,以便使接收端来得及接收

1. TCP连接的建立采用客户服务器方式

   1. TCP建立连接的过程叫做握手

   2. 握手需要在客户和服务器之间交换三个TCP报文段，成为三报文握手

   3. 采用三报文握手主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了而产生错误

2. 主动发起建立的应用进程叫做客戶

3. 被动等待连接建立的应用京城叫做服务器

1. B给A做确认，同时B也向A发起请求

2. A给B做出最后一次确认