计算机网络——网络层基本概念

• TCP/IP体系中的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。网络层不提供服务质量的承诺，不保证分组交付的时限，所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序。进程之间通信的可靠性由运输层负责
• IP网是虚拟的，因为从网络层上看，IP网就是一个统一的、抽象的网络（实际上是异构的）。IP层抽象的互联网屏蔽了下层网络很复杂的细节，使我们能够使用统一的、抽象的IP地址处理主机之间的通信问题
• 在互联网上的交付有两种：在本网络上的直接交付（不经过路由器）和到其他网络的间接交付（经过至少一个路由器，但最后一次一定是直接交付）
• 一个IP地址在整个互联网范围内是唯一的。分类的IP地址包括A类、B类、C类（单播地址），以及D类（多播地址）。E类地址未使用
• 分类的IP地址由网络号字段（指明网络）和主机号字段（指明主机）组成。网络号字段最前面的类别位指明IP地址的类别
• IP地址是一种分等级的地址结构。IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号，而主机号则由得到该网络号的单位自行分配。路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组。
• IP地址标志一台主机（或路由器）和一条链路的接口。多归属主机同时连接到两个或更多的网络上。这样的主机同时具有两个或者更多的IP地址，其网络号必须是不同的。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
• 按照互联网的观点，用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络。所有分配到网络号的网络（不管是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地址范围的广域网）都是平等的
• 物理地址（即硬件地址）书数据链路层和物理层使用的地址，而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），在数据链路层看不见数据报的IP地址
• IP数据报分为首部和数据两部分。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的（源地址、目的地址、总长度等重要字段都在固定首部中）。一些长度可变的可选字段放在固定首部的后面
• IP首部中的生存时间字段给出了IP数据报在互联网中所能经过的最大路由器数，可防止IP数据报在互联网中的无限制兜圈
• 地址解析协议ARP把IP地址解析为硬件地址，它解决同一个局域网上的主机或者路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。ARP的高速缓存可以大大减少网络上的通信量
• 在互联网中，我们无法仅根据硬件地址寻找到在某个网络上的某台主机。因此，从IP地址到硬件地址的解析是非常必要的
• 无分类域间路由选择CIDR是解决目前IP地址紧缺的一个好办法。CIDR记法把IP地址后面加上斜线 ''，然后写上前缀所占的位数。前缀（或网络前缀）用来指明网络，前缀后面的部分是后缀，用来指明主机。CIDR把前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。IP地址的分配都以CIDR地址块为单位
• CIDR的32位地址掩码（或子网掩码）由一串1和一串0组成，而1的个数就是前缀的长度。只要把IP地址和地址掩码逐位进行“逻辑与（AND）”运算，就很容易得出网络地址。A类地址的默认地址掩码是255.0.0.0.B类地址的默认地址掩码是255.255.0.0。C类地址的默认地址掩码是255.255.255.0
• 路由聚合（把许多前缀相同的地址用一个来代替）有利于减少路由表中的项目，减少路由器之间的路由选择信息交换，从而提高了整个互联网的性能
• “转发”和“路由选择”有区别。“转发”是单个路由器的动作。“路由选择”是许多路由器共同协作的过程，这些路由器相互交换信息，目的是生成路由表，再从路由表导出转发表。若采用自适应路由选择算法，则当网络拓扑变化时，路由表和转发表都能够自动更新。在许多情况下，可以不考虑转发表和路由表的区别，而都使用路由表这一名称
• 自治系统（AS）就是在单一的技术管理下的一组路由器。一个自治系统对其他自治系统表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略
• 路由选择协议有两大类：内部网关协议（或自治系统内部的路由选择协议），如RIP和OSPF；外部网关协议（或自治系统之间的路由选择协议），如BGP-4
• RIP是分布式的基于距离向量的路由选择协议，只适用于小型互联网。RIP按固定的时间间隔与相邻路由器交换信息。交换的信息是自己当前的路由表，即到达本自治系统中所有网络的（最短）距离，以及到每个网络应经过的下一跳路由器
• OSPF是分布式的链路状态协议，适用于大型互联网。OSPF只在链路状态发生改变时，才向本自治系统中的所有路由器，用洪泛法发送与本路由器相邻的所有路由器的链路状态信息。“链路状态”指明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”。“度量”可表示费用、距离、延时、带宽等，可统称为“代价”。所有的路由器最终都能建立一个全网的拓扑结构图
• BGP-4是不同AS的路由器之间交换路由信息的协议，是一种路径向量路由选择协议。BGP力求寻找一条能够到达目的网络（可达）且比较好的路由（不兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由
• 网际控制报文协议ICMP是IP层的协议。ICMP报文作为IP数据报的数据，加上首部后组成IP数据报发送出去。使用ICMP并非为了实现可靠传输。ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文
• ICMP的一个重要应用就是分组网间探测PING， 用来测试两台主机之间的连通性。PING使用了ICMP回送请求与回送回答报文
• 要解决IP地址耗尽问题，最根本的办法就是采用具有更大地址空间的新版本的IP协议，即IPv6
• IPv6所带来的主要变化是：1）更大的地址空间（采用128位的地址）；2）灵活的首部格式；3）改进的选项；4）支持即插即用；5）支持资源的预分配；6）IPv6首部改为8字节对齐；
• IPv6数据报在基本首部的后面允许有零个或多个扩展首部，再后面是数据。所有的扩展首部和数据合起来叫做数据报的有效载荷或净负荷
• IPv6数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一：单播、多播和任播
• IPv6过渡只能采用逐步演进的办法，必须使新安装的IPv6系统能够向后兼容。向IPv6过渡可以使用双协议栈或使用隧道技术
• 与单播相比，在一对多的通信中，IP多播可大大节约网络资源。IP多播使用D类IP地址。IP多播需要使用网际组管理协议IGMP和多播路由选择协议
• 虚拟专用网VPN利用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体。VPN内部使用互联网的专用地址。一个VPN至少要有一个路由器具有合法的全球IP地址，这样才能和本系统的另一个VPN通过互联网通信。所有通过互联网传送的数据都必须加密
• 使用网络地址转换NAT技术，可以在专用网络内部使用专用IP地址，而仅在连接到互联网的路由器使用全球IP地址。这样大大节约了宝贵的IP地址
• MPLS的特点：1）支持面向连接的服务质量；2）支持流量工程，平衡网络负载；3）有效地支持虚拟专用网VPN
• MPLS在入口节点给每一个IP数据报打上固定长度的“标记”，然后根据标记在第二层（链路层）用硬件进行转发（在标记交换路由器中进行标记对换），因而转发速率大大加快

1) 网络层向上提供的服务有哪两种？比较优缺点

2）作为中间设备，转发器、网桥、路由器和网关有何区别？

根据中间设备所在的层次划分：
1）转发器————物理层
2）网桥或桥接器————数据链路层
3）路由器————网络层
4）网关————网络层以上

3）试简述RIP、OSPF和BGP路由选择协议的特点

内部网关协议IGP：如RIP和OSPF协议
外部网关协议EGP：如BGP-4协议

RIP：一种分布式的基于距离向量的路由选择协议
1）仅和相邻路由器交换信息
2）路由器交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即路由表
3）按固定时间间隔交换信息，当网络拓扑发送变化，路由器也及时向相邻路由器通告

OSPF：一种分布式的链路状态协议
1）向本自治系统中所有路由器发送信息
2）发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知的部分信息
3）只有链路状态发生变化时，路由器才向所有路由器以洪泛法发送此信息

BGP：不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议，是一种路径向量路由选择协议
1）BGP在自治系统之间交换“可达性”信息（即“可到达”或“不可到达”）
2）自治系统之间的路由选择必须考虑有关策略
3）只是力求寻找一条能够到达目的网络（可达）且比较好的路由（不兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由

4) RIP使用UDP,OSPF使用IP，而BGP使用TCP。这样做有何优点？为什么RIP周期性地和临站交换路由信息而BGP不这样做？

RIP只和临站交换信息，UDP虽不保证可靠交付，但UDP开销小，可以满足RIP的要求
OSPF使用可靠的洪泛法，并直接使用IP，好处是灵活性好和开销更小
BGP需要交换整个的路由表（在开始时）和更新信息，TCP提供可靠交付以减少带宽的消耗
RIP使用不保证可靠交付的UDP，因此必须不断地（周期性地）和临站交换信息才能使路由信息及时得到更新。但BGP使用可靠交付的TCP，因此不需要

最后

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