期末复习——网络层

Posted 2023-02-15 sectumsempra

网络层

最后一遍复习的时候再回头整理细节

关注如何将数据包一路发送到接收方，主机之间的逻辑通信。中间可能要经过许多跳hop中间路由器。
网络层是处理端到端通信的最底层。
so网络层需要知道网络拓扑结构（所有路由器和链路的集合），然后

1. 选择适合的路径；
2. 选择合适的路由器！(避免某些通信线路和路由器负载过重，而有的空闲-->更加雨露均沾嘛)；；
   and收发双方在不同网络时，也会出现新的问题，网络层也要解决。

可以抽象将网络层分成：①数据层面(转发层面)：转发 ②控制层面：路由选择
数据链路层只是把帧的从线路一边传到另外一边，只是小范围的事情。不像网络层稍显宏大。

功能

异构网络互联

把不同的网络相互连接起来，构成更大的网络系统。
网络互联：把多个计算机按一定的方法、通过中继系统连接-->构成更大的网络系统。

• 中继系统：物理层or数据链路层扩大网络；
  • 物理层：转发器、集线器
  • 数据链路层：网桥or交换机——直接交换、存储转发交换
  • 网络层：路由器 router (一台专用计算机)
  • 网络层以上：网关

网络层，仍处于同一个网络，用路由器进行网络互联and路由选择。
这种成为实际互联网络。虚拟互联网络(IP网络、互联网)：通过IP协议使得这些网络在网络层看上去像是一个统一的网络。

路由与转发 main主要功能

路由器负责：

1. 路由选择 ：根据路由选择协议构造路由表，持续更新维护路由表。
2. 分组转发：处理路由器数据流——转发表查询、转发、相关队列管理、任务调度。

注意：路由器互联多个网络，so有多个IP地址、多个MAC地址。

SDN 软件定义网络

拥塞控制

• 拥塞：通信子网中(网络层、数据链路层、网络层) 出现过量分组-->网络性能下降。可以通过观察吞吐量--网络负载的关系。轻度拥塞、拥塞、死锁。
• 拥塞控制 or 流量控制：
  • 流量控制：发送端、接收端之间点对点通信量的控制。抑制发送方发送速率，使接收方来得及接收。
  • 拥塞控制：保证通信子网能够传送待传送的数据，全局性，涉及网络中所有主机、路由器等等。
• 拥塞控制两种方法
  • 开环控制：事先，静态。系统启动后不再修改
  • 闭环控制：反馈环路，动态。_事先，而是及时检测调整解决。

路由算法

两个最短路径算法
bellman-Ford算法：距离矢量路由算法的别称。单源最短路径算法
Dijkstra算法：用于链路状态层次路由算法中

静态路由 自适应算法

网络管理员手工配置
小型网络

动态路由 非自适应算法

根据一定算法优化出来，不断更新适应。

• 距离-向量路由算法

  距离矢量路由算法 distance vector routing
  RIP算法、最初ARPANET使用的路由算法。
  迭代计算

  每个路由器维护一张路由选择表(一个矢量)，定期传送给所有与自己直接相邻的结点。
  路由选择表：包括①每条路径的目的地(另一结点) ② 路径距离(代价 e.g.RIP算法-->跳数hop)

  所有结点都要参与距离向量交换，保证路由有效且一致。有新路由or有更加路由时更新路由选择表。
  面临无穷计算问题

• 链路状态路由算法

  典型链路算法：OSPF算法 开放最短路径优先
  每个结点都具有完整的网络拓扑信息，1对all
  一个结点①主动测试所有邻接结点状态 在链路状态发生变化时②将链路状态传播给其他所有结点。(这里用到了泛洪算法)
  链路状态报文到达时，路由节点更新，然后利用Dijkstra最短路径算法SPF shortest path first 重新计算路由。(从单一源出发到所有结点的最短路径)

  泛洪算法：路由器通过所有端口 向 所有相邻路由器发送信息，每个相邻的路由器又发送给自己所有相邻路由器(不包括刚刚发给它的那一个)。

  运用广泛，用于大型网络and Internet，代替了距离-向量路由算法

• 层次路由

  因特网将互联网划分成 许多较小的自制系统(一个自制系统包含多个局域网LAN)，每个自制系统有权自主决定系统内使用的路由协议。
  so两个自制系统之间的通信需要屏蔽掉协议之间的差异，选择协议就分成了
  IGP 内部网关协议——RIP、OSPF
  EGP 外部网关协议——BGP边界网关协议
  最优层数：对于一个包含N个路由器的网络，最优的层数是ln(N)，每个路由器所需的路由器表项 = e ln(N) 个

  • IGP 内部网关协议

  • EGP 外部网关协议

    域间路由选择

广播路由？？

拥塞控制算法

拥塞产生原因
多个输入对应一个输出
慢处理器，难以完成必要的维护
低带宽线路
处理拥塞
增加资源
流量感知路由：绕开拥塞路段，but可能出现摇摆问题
准入控制：拒绝新的连接的建立，除非能够带来流量而不变得拥塞。
流量调节：拥塞迫在眉睫时，返一个抑制包给源端从而抑制流量。抑制包对经过的每一个路由器都产生作用。
负载脱落：以上都无法解决时，路由器还未处理数据包而数据包已经被淹没，直接将数据包丢弃。
策略
文件传输：wine策略，优先丢弃新数据包。
多媒体服务：milk策略，优先丢弃旧数据包。

服务质量 QoS

流：从一个源到一个目标的数据包流
流的需求特征：可靠性、延迟、抖动、带宽——决定一个流要求的QoS服务质量。
流量整型
漏桶算法
令牌桶算法
md记不住的我不搞了
包调度：数据包调度算法，在同一个流的数据包之间and竞争流之间 分配路由器资源的算法。
不同数据流可预约的3种潜在资源：1. 带宽 2. 缓冲区 3. CPU周期
...不管了不管了什么准入控制

协议

IPv4

IP Internet Protocol，网络之间互联的协议。IP是无连接服务
IPv4 header头部字段
版本号4b：IPv4.version=4、IPv6.version=6
头部长度4b：单位4B-->实际长度 *= 4B(32b)；
常用20B的IPv4 header；取值范围( 5 - 15) * 4B
总长度 16b：header+data总长度 <= MTU！！最大(2¹⁶ - 1)B = 65535B
标识16b：计数器，以便分片后恢复成原数据报。(大于MTU就要分片
标志3b：X``DF``MF Don‘t Fragment； More Fragment；
DF = 0：允许分片
MF = 1后面还有分片；
MF = 0最后一个分片
片偏移13b：以8B为偏移单位(so除了最后一片，前几个片都是8B倍数
TTL生存时间：确保分组不会一直在网络中循环，表示可经过路由器数量最大值
路由器分组转发前TTL--；TTL为0时丢弃分组。
header checksum 16b：只校验IP header
源IP地址4B；目的IP地址4B
总长度在第2-3B，跳过前8B是TTL
网络层转发分组过程<目的网络，下一跳地址>
得到下一跳路由器的IP地址后，是将这个IP地址转换成MAC地址(通过ARP)，把MAC地址放在MAC帧首部，根据MAC地址找到下一跳路由器。**不同网络中MAC帧源地址and目的地址会变，网桥转发帧不改变源地址。)
解决IP地址耗尽：1. 采用CIDP无类别编址 2. NAT节省全球IP地址 3. 采用IPv6更大的地址空间

• IP数据报分片

  分片：在目的地网络层重新组装。
  e.g. IP数据报=4000B，IP header = 20B、MTU=1500B，分片？有效载荷偏移值单位8B
  so先判断1500B-20B = 1480B --> 1480B%8B == 0 √OK！！
  data = 4000B-20B = 3980B
  片0：20B+1480B = 1500B、偏移=0、剩2500B data
  片1：20B+1480B = 1500B、偏移=1480/8=185、剩1020B data
  片2：20B+1020B = 1040B、偏移=2*185=370、data 传输完成

  MTU 最大传送单元：MTU严格限制IP数据报长度。要求IP数据报总长度不能超过下面数据链路层的MTU。e.g.以太网帧最大传送单元1500B；不同协议MTU不同。

• IPv4地址

  32bits xxx.xxx.xxx.xxx ，<网络号><主机号>
  网络号在因特网范围内唯一；
  主机号在指明的网络范围内唯一；
  so一个IP地址在因特网范围内唯一。
  198.16.16.0/21表示网络部分长度为21的一段地址，前21位为网络号。若剩余host部分全1则表示broadcast广播地址。
  主机号全0：网络本身
  主机号全1：本网络的广播地址
  五类
  A类：0网络号.主.机.号
  B类：10网络.号.主机.号
  C类：110网.络.号.主机号
  D类：多播地址1110多播地址
  E类：1111xxxx...保留

• NAT 网络地址转换

  只发生在NAT路由器中，普通路由器转发IP数据报不改变IP地址。
  NAT路由器看到了端口-->工作在传输层
  节省IPv4地址的消耗。例一个全球IP可供宿舍4人一起用。
  专用网络地址-->公用地址，对外隐藏内部管理的IP地址。
  私有IP(可重用地址)只用于LAN，网关利用NAT将私有IP-->公有IP。

  NAT路由器需要查看and转换传输层端口号。普通路由器只工作在网络层。

• CIDR 无类别域间路由选择

  缓解IPv4地址紧张问题，消除A/B/C类地址的规定，进行子网划分。
  前缀长度更加灵活。
  e.g. 198.16.16.0/21表示网络部分长度为21的一段地址，前21位为网络号。若剩余host部分全1则表示broadcast广播地址。

  使用CIDR时，路由表每一项（网络前缀+下一跳）so查表不止一个结果，就进行最长前缀匹配，匹配**具有最长前缀的路由 **
  最长前缀匹配(最佳匹配)：e.g. 11100000 0xxx through 11100000 1xxx -->Prefix Matching = 11100000/8

IPv6

更长了 16B的地址。
解决IPv4地址短缺/安全问题/允许协议扩充/ 等等等等不想看了

在IPv4里是 2级，IPv6中 是3级

ARP 地址解析协议

完成IP地址-->MAC地址的映射。在网络层工作。
因为一台主机发送数据包时最终都必须用到MAC硬件地址，来确定目的接口。每台主机都有ARP高速缓存，存放本地LAN各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表：ARP表。
工作原理：A主机想发IP数据报给B主机，查看A的ARP高速缓存中有无B主机IP地址
有，查出对应MAC硬件地址，写入MAC帧，发送；
无，使用目的MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF封装，广播ARP请求，B收到ARP请求分组后。单播给A主机ARP响应分组，其中包含B主机的IP与MAC地址映射关系。A收到后写入ARP高速缓存中

DHCP 动态主机配置协议

采用C/S 客户端/服务器模型的 基于UDP 的应用层协议
允许服务器动态分配IP地址and配置信息给客户端。(IP地址、子网掩码、默认网关

该计算机在自己的网络上广播一个DHCP DISCOVER包。
当DHCP服务器收到请求，它就为该主机分配一个空闲的IP地址，并通过DHCP OFFER包返回给主机

ICMP 网际控制报文协议

IP层协议(可以理解成网络层协议
两种类型报文：ICMP差错报告报文、ICMP询问报文。
ICMP报文作为数据部分+IP头部发出去。
应用：ping测试两台主机连通性
tracert跟踪分组经过的路由
功能：发生意外时，通过ICMP报告差错、错误异常