目錄

一、網(wǎng)絡(luò)層概述

1、主要作用

2、控制平面方法

3、網(wǎng)絡(luò)層提供的兩種服務(wù)

二、路由器工作原理

1、路由器總體結(jié)構(gòu)

2、輸入、輸出端口處理

（1）輸入端口

（2）輸出端口

3、交換

（1）經(jīng)內(nèi)存交換

（2）經(jīng)總線交換

（3）經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)交換

?4、排隊(duì)問題

（1）輸入排隊(duì)、輸出排隊(duì)

（2）分組調(diào)度

三、網(wǎng)際協(xié)議：IPv4、尋址、IPv6及其他

1、IPv4數(shù)據(jù)報(bào)格式

2、IPv4數(shù)據(jù)報(bào)分片

（1）基本概念

（2）IP數(shù)據(jù)報(bào)分片例題

3、劃分子網(wǎng)的IPv4地址

（1）分類

（2）分類編址習(xí)題?

（3）子網(wǎng)和子網(wǎng)掩碼

2、無分類編址的IPv4地址

（1）CIDR無分類域間路由選擇

（2）路由聚合（構(gòu)造超網(wǎng)）

3、主機(jī)如何獲得IP地址？?

（1）動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCP

（2）獲取一塊IP地址方法：從ISP獲取一組地址?

4、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT

5、IPv6數(shù)據(jù)報(bào)格式

6、通用轉(zhuǎn)發(fā)和SDN?

一、網(wǎng)絡(luò)層概述

1、主要作用

• 數(shù)據(jù)平面：轉(zhuǎn)發(fā)【經(jīng)過單個(gè)交換結(jié)構(gòu)的過程】
• 控制平面：路由選擇【從源到目的地路徑計(jì)劃的過程】

2、控制平面方法

傳統(tǒng)方法：控制平面的路由選擇算法決定了插入該路由器的轉(zhuǎn)發(fā)表內(nèi)容

SDN方法：添加遠(yuǎn)程控制器

3、網(wǎng)絡(luò)層提供的兩種服務(wù)

二、路由器工作原理

1、路由器總體結(jié)構(gòu)

2、輸入、輸出端口處理

（1）輸入端口

路由器轉(zhuǎn)發(fā)表

前綴匹配	鏈路接口
11001000 00010111 00010	0
11001000 00010111 00011000	1
11001000 00010111 00011	2
其他	3

路由器使用最長(zhǎng)前綴匹配規(guī)則，在該表中找最長(zhǎng)匹配項(xiàng)

比如：地址11001000 00010111 00011000 10101010的前24bit與接口1匹配，前21bit與接口2匹配，根據(jù)最長(zhǎng)前綴匹配規(guī)則，路由器向鏈路接口1轉(zhuǎn)發(fā)該分組

（2）輸出端口

3、交換

?

（1）經(jīng)內(nèi)存交換

• 一個(gè)分組到達(dá)一個(gè)輸入端口后，該端口通過中斷方式向路由選擇處理器發(fā)出信號(hào)
• 該分組被復(fù)制到處理器內(nèi)存中
• 路由選擇處理器從其首部提取目的地址，在轉(zhuǎn)發(fā)表中找到適當(dāng)輸出端口
• 并將該分組復(fù)制到輸出端口的緩存中

（2）經(jīng)總線交換

• 輸入端口經(jīng)一根共享總線將分組直接傳送到輸出端口，不需要路由選擇處理器干預(yù)
• 輸入端口預(yù)先計(jì)劃一個(gè)交換機(jī)內(nèi)部標(biāo)簽，將該分組經(jīng)由總線到達(dá)所有輸出端口
• 但只有與該標(biāo)簽匹配的端口才能保存該分組
• 標(biāo)簽隨后再輸出端口被去除

（3）經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)交換

• 縱橫式網(wǎng)絡(luò)能夠并行轉(zhuǎn)發(fā)多個(gè)分組，是非阻塞的

?4、排隊(duì)問題

（1）輸入排隊(duì)、輸出排隊(duì)

HOL線路前部阻塞：在一個(gè)輸入隊(duì)列排隊(duì)的分組必須等待通過交換結(jié)構(gòu)發(fā)送，由于排在前面的數(shù)據(jù)報(bào)將其阻塞

（2）分組調(diào)度

1、先進(jìn)先出【FIFO】

2、優(yōu)先權(quán)排隊(duì)

每個(gè)優(yōu)先權(quán)類都有自己的隊(duì)列

1、3、4分組優(yōu)先權(quán)高，2、5分組優(yōu)先權(quán)低

注意：在非搶占式優(yōu)先權(quán)排隊(duì)規(guī)則下，一旦開始傳輸就不能打斷

3、循環(huán)和加權(quán)公平排隊(duì)【W(wǎng)FQ】

?先服務(wù)第1類，再服務(wù)第2類，再服務(wù)第3類，循環(huán)

第一類：1、2、4，第二類：3、5

分組1直接進(jìn)行傳輸，鏈路調(diào)度器查找第二類的分組，對(duì)3進(jìn)行傳輸

3傳輸完后，鏈路調(diào)度器查找第一類分組，對(duì)2進(jìn)行傳輸

……

三、網(wǎng)際協(xié)議：IPv4、尋址、IPv6及其他

1、IPv4數(shù)據(jù)報(bào)格式

• 版本【4bit】：IPv4、IPv6
• 首部長(zhǎng)度【4bit】：0000——1111，單位是4B。一般的IP數(shù)據(jù)報(bào)有20字節(jié)的固定部分，假設(shè)為1111即為15×4=60字節(jié)，去掉固定部分，則剩余可變長(zhǎng)度為40字節(jié)。首部長(zhǎng)度至少為5。
• 數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度【16bit】：首部長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，單位是1B。最大長(zhǎng)度為65535。
• 壽命【TTL】：每經(jīng)過一個(gè)路由器-1，變0則丟棄。
• 協(xié)議：指明該IP數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分應(yīng)該交給哪個(gè)特定的運(yùn)輸層協(xié)議。TCP—6，UDP—17。
• 

轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，IP數(shù)據(jù)報(bào)的 源IP地址、首部檢驗(yàn)和、TTL修改

2、IPv4數(shù)據(jù)報(bào)分片

（1）基本概念

? ? ? 不同的鏈路層協(xié)議擁有不同的最大傳送單元（MTU），MTU嚴(yán)格限制IP數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度。為了將較大的IP數(shù)據(jù)報(bào)擠進(jìn)鏈路層幀的有效載荷字段，將IP數(shù)據(jù)報(bào)分片成多個(gè)較小的數(shù)據(jù)報(bào)。為了讓目的主機(jī)重新組裝這些分片，IPv4在IPv4數(shù)據(jù)報(bào)中設(shè)置了【標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、片偏移】

• 標(biāo)識(shí)【16位】：同一數(shù)據(jù)報(bào)分片使用同一標(biāo)識(shí)
• 標(biāo)志【3位】：只有后兩位有意義。x DF MF? ?
• （Don‘t Fragment）DF=1——禁止分片? DF=0——允許分片
• （More?Fragment）MF=1——后面還有分片? MF=0——最后一片/無分片
• 注：當(dāng)DF=0允許分片時(shí)，MF才有意義

• 片偏移【13位】：分片后，某片在原來分組中的相對(duì)位置，以8B為單位
• eg：片偏移000…1，則該片段在原分組的位置是1×8=8B
• 注：除了最后一個(gè)分片，每個(gè)分片的長(zhǎng)度一定是8B的整數(shù)倍

（2）IP數(shù)據(jù)報(bào)分片例題

首部（20B）

數(shù)據(jù)部分（3800B）

需要分片為長(zhǎng)度不超過1420B的數(shù)據(jù)報(bào)片。

分析：

每一片都是1420B，且要預(yù)留20B的首部，則可以分為下面3片

首部（20B）

數(shù)據(jù)部分（1400B）

片偏移：0B ÷ 8B = 0

首部（20B）

數(shù)據(jù)部分（1400B）

片偏移：1400B ÷ 8B = 175

首部（20B）

數(shù)據(jù)部分（1000B）

片偏移：2800B ÷ 8B = 350

	總長(zhǎng)度	標(biāo)識(shí)	MF	DF	片偏移
原始數(shù)據(jù)報(bào)	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、劃分子網(wǎng)的IPv4地址

（1）分類

IP地址? a.b網(wǎng)絡(luò)號(hào).c.d主機(jī)號(hào)

A類【(/8)前8位為網(wǎng)絡(luò)號(hào)】：a.b.c.d? ?

• 可指派網(wǎng)絡(luò)數(shù)量：
• 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可分配IP地址：
• 最小網(wǎng)絡(luò)號(hào)0，不指派
• 最大網(wǎng)絡(luò)號(hào)127，作為本地環(huán)回測(cè)試地址，不指派

B類【(/16)前16位為網(wǎng)絡(luò)號(hào)】：a.b.c.d? ?

• 可指派網(wǎng)絡(luò)數(shù)量：
• 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可分配IP地址：
• 減去主機(jī)號(hào)全為0的網(wǎng)絡(luò)地址和?全為1的廣播地址

C類【(/24)前24位為網(wǎng)絡(luò)號(hào)】：a.b.c.d? ?

• 可指派網(wǎng)絡(luò)數(shù)量：
• 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可分配IP地址：
• 減去主機(jī)號(hào)全為0的網(wǎng)絡(luò)地址和?全為1的廣播地址

缺點(diǎn)：如果要為2000臺(tái)主機(jī)分配地址，分給B類地址，導(dǎo)致剩下超過62000個(gè)地址無法被利用，地址空間利用率低下

（2）分類編址習(xí)題?

1、根據(jù)地址左起第一個(gè)十進(jìn)制數(shù)，可判斷網(wǎng)絡(luò)類別

• ≤127為A類
• 128~191為B類
• 192~223為C類

2、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類別，可以找出網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)

• A類：a.b.c.d
• B類：a.b.c.d?
• C類：a.b.c.d? ?

3、以下3種情況地址不能指派給主機(jī)或路由器

• A類網(wǎng)絡(luò)號(hào)0和127
• 主機(jī)號(hào)全0，是網(wǎng)絡(luò)地址
• 主機(jī)號(hào)全1，是廣播地址

?

（3）子網(wǎng)和子網(wǎng)掩碼

子網(wǎng)：不通過中間路由器就能實(shí)際到達(dá)對(duì)方的設(shè)備接口

子網(wǎng)掩碼——可以表明主機(jī)號(hào)被借用了幾個(gè)比特作為子網(wǎng)號(hào)

• 用連續(xù)的比特1對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)號(hào)和子網(wǎng)號(hào)
• 用連續(xù)的比特0對(duì)應(yīng)主機(jī)號(hào)

默認(rèn)子網(wǎng)掩碼

習(xí)題一

?

??

習(xí)題二

?

2、無分類編址的IPv4地址

（1）CIDR無分類域間路由選擇

CIDR消除了傳統(tǒng)的A類、B類、C類地址，以及劃分子網(wǎng)的概念

IP地址子網(wǎng)部分長(zhǎng)度任意

地址格式：a.b.c.d/x（x是網(wǎng)絡(luò)號(hào)的位數(shù)）

eg：128.14.35.7/20? 指32位IPv4地址前20bit為網(wǎng)絡(luò)號(hào)

習(xí)題一：

習(xí)題二：?

可分配的主機(jī)數(shù)為2，因?yàn)轭}目給的目的地址是廣播地址，所以所以主機(jī)都能被廣播到，因此是2

習(xí)題三：

（2）路由聚合（構(gòu)造超網(wǎng)）

3、主機(jī)如何獲得IP地址？?

（1）動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCP

• 動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議DHCP：應(yīng)用層協(xié)議，使用C/S方式，基于UDP
• 動(dòng)態(tài)地從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲得IP地址 、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、DNS服務(wù)器名稱與IP
• 允許地址重用——一個(gè)主機(jī)來了，DHCP服務(wù)器分配一個(gè)ip給它，它走了，新主機(jī)來了，可以把剛剛的地址給新的主機(jī)用
• 支持在用地址續(xù)租
• 即插即用協(xié)議，零配置協(xié)議

DHCP協(xié)議工作過程：

• 主機(jī)廣播DHCP發(fā)現(xiàn)報(bào)文 —— “有沒有DHCP服務(wù)器呀？” DHCP服務(wù)器獲得一個(gè)IP地址
• DHCP服務(wù)器廣播DHCP提供報(bào)文 —— “這里有！” 服務(wù)器擬分配給主機(jī)一個(gè)IP地址及相關(guān)配置
• 主機(jī)廣播DHCP請(qǐng)求報(bào)文 —— “我開始用這個(gè)地址啦？”? 主機(jī)向服務(wù)器請(qǐng)求提供IP地址
• DHCP服務(wù)器廣播DHCP確認(rèn)報(bào)文 —— “用吧！”? 正式將IP地址分配給主機(jī)

（2）獲取一塊IP地址方法：從ISP獲取一組地址?

ISP的地址塊? 200.23.16.9/20? ?11001000? 00010111? 00010000? 00000000?

組織0? ? ? ? ? ? ?200.23.16.9/23? ?11001000? 00010111? 00010000? 00000000?

組織1? ? ? ? ? ? ?200.23.18.9/23? ?11001000? 00010111? 00010010? 00000000?

組織2? ? ? ? ? ? ?200.23.20.9/23? ?11001000? 00010111? 00010100? 00000000?

……

組織7? ? ? ? ? ? ?200.23.30.9/23? ?11001000? 00010111? 00011110? 00000000?

4、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT：在專用網(wǎng)連接到因特網(wǎng)的路由器上安裝NAT軟件，裝了該軟件的路由器叫NAT路由器，它至少有一個(gè)有效的外部全球IP地址

5、IPv6數(shù)據(jù)報(bào)格式

• 版本【4bit】：IPv6將該字段設(shè)置為6
• 流標(biāo)簽【20bit】：屬于同一個(gè)流的數(shù)據(jù)報(bào)有同一流標(biāo)簽
• 跳數(shù)限制：每經(jīng)過一個(gè)路由器-1，變0則丟棄

6、通用轉(zhuǎn)發(fā)和SDN?

四、IP數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)?

1、如何確定兩主機(jī)是否在同一子網(wǎng)？

若兩主機(jī)的IP地址與子網(wǎng)掩碼相與的結(jié)果

• 相同——兩臺(tái)主機(jī)在同一子網(wǎng)
• 不同——不在同一子網(wǎng)

2、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)

?文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-457196.html

3、路由器抑制廣播風(fēng)暴

路由器不接受廣播數(shù)據(jù)報(bào)

?

?

到了這里，關(guān)于【計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) - 第四章】網(wǎng)絡(luò)層：數(shù)據(jù)平面的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！