CCNA1 5 OSI 网络层Word文档格式.docx
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∙了解设备的分层编址及其如何实现网络之间的通信。
∙了解有关路由、下一跳地址和转发到目的网络的数据包的基础知识。
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5.1IPv4
5.1.1网络层-从主机到主机的通信
网络层即OSI第3层,它为所标识的终端设备之间通过网络交换一个个数据的片段提供服务。
为了实现这种端到端传输,第3层使用了四个基本过程:
∙编址
∙封装
∙路由
∙解封
图中的动画演示了数据的交换过程。
编址
首先,网络层必须为这些终端设备的编址提供一种机制。
如果要将每段数据发往一台终端设备,则该设备必须具有唯一的地址。
在IPv4网络中,向某台设备添加了此类地址后,该设备就被称为主机。
封装
然后,网络层必须提供封装。
不仅是设备必须以地址标识,每个片段,即网络层PDU也必须包含这些地址。
在封装过程中,第3层接收第4层PDU并添加第3层报头(即标签),从而创建第3层PDU。
在涉及网络层时,我们称这种PDU为数据包。
创建数据包时,报头中除了其它信息外,还必须包含接收数据包的目的主机的地址。
此地址称为目的地址。
第3层报头也包含发送主机的地址。
此地址称为源地址。
网络层完成其封装过程后,会将数据包向下传送到数据链路层,准备通过介质传输。
路由
接下来,网络层必须提供服务,将这些数据包转发到其目的主机。
源主机和目的主机并不一定都连接到同一网络上。
事实上,数据包的传输有时必须经由许多不同的网络。
沿途必须引导每个数据包通过网络到达其最终目的主机。
连接网络的中间设备称为路由器。
路由器的作用是为数据包选择路径并将其转发到目的主机。
此过程称为路由。
在通过网际网络路由的过程中,数据包可能要经过多个中间设备。
数据包为了到达下一个设备而经过的每个路由称为一跳。
转发数据包时,其内容(传输层PDU)在到达目的主机前将一直保持不变。
解封
最后,数据包到达目的主机并在第3层得到处理。
主机通过检查目的地址来确认该数据包的发送目的是否为本设备。
如果地址正确,则由网络层解封该数据包,然后将数据包中包含的第4层PDU向上传送到传输层的相应服务。
传输层(OSI第4层)负责管理每台终端主机上运行进程之间的数据传输,而网络层协议则指定从一台主机向另一台主机传送数据时使用的数据包结构和处理过程。
网络层无需考虑每个数据包中所携带的应用程序数据,这种工作原理使其能够为多台主机之间多种类型的通信传送数据包。
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网络层协议
在传送用户数据的网络层执行的协议包括:
∙Internet协议第四版(IPv4)
∙Internet协议第六版(IPv6)
∙Novell互联网分组交换协议(IPX)
∙AppleTalk
∙无连接网络服务(CLNS/DECNet)
Internet协议(IPv4和IPv6)是使用最为广泛的第3层数据传输协议,因此将是本课程的重点。
其它协议只是略有提及。
5.1.2IPv4协议-网络层协议示例
IPv4的作用
如图所示,TCP/IP协议簇执行的网络层服务是Internet协议(IP)。
IP第四版(IPv4)是目前使用最为广泛的IP版本。
它是通过Internet传送用户数据时使用的唯一一个第3层协议,也是CCNA的重点。
因此,本课程将以它为例介绍网络层协议。
IP第六版(IPv6)已经制定并在某些领域中实施。
IPv6将与IPv4共存运行一段时间,并有可能在将来取代IPv4。
IP提供的服务以及数据包报头结构和内容由IPv4协议或IPv6协议规定。
这些服务和数据包结构用于封装UDP数据报或TCP数据段,以便它们在网际网络中传输。
每种协议的特征不尽相同。
了解这些特征有助于理解此协议所述服务的工作原理。
Internet协议是作为低开销协议设计的,它只提供通过互连网络系统从源主机向目的主机传送数据包所必需的功能。
该协议并不负责跟踪和管理数据包的流动。
这些功能由其它层中别的协议执行。
IPv4的基本特征是:
∙无连接-发送数据包前不建立连接。
∙尽力(不可靠)-不使用任何开销来保证数据包送达。
∙介质无关性-运作与传送数据的介质无关。
5.1.3IPv4协议-无连接
无连接服务
事先不通知收信人就邮寄信件是典型的无连接通信。
如图所示,邮政服务仍然会接收信件并将其邮递给收信人。
无连接数据通信的工作原理与此相同。
不通知终端主机就将IP数据包发送出去。
面向连接的协议(如TCP)需要交换控制数据来建立连接,还需要在PDU报头中包含其它字段。
由于IP是无连接协议,因此无需在转发数据包前通过控制信息的初始交换来建立端到端连接,也不需要PDU报头中包含其它字段来维持此类连接。
此过程显著降低了IP的开销。
但是,无连接数据包传送可能会导致数据包抵达目的时顺序错误。
如果数据包顺序错乱或丢失导致该应用程序使用数据出问题,则必须由上层服务来解决这些问题。
5.1.4IPv4协议-尽力
尽力服务(不可靠)
IP协议不负责为IP服务提供可靠性。
与可靠的协议相比,IP报头较小。
传输此类较小报头所需的开销也较低。
开销较低意味着传输过程中的延迟更短。
这正是第3层协议所需的特征。
第3层的任务就是在主机之间传输数据包时尽可能降低对网络造成的负担。
第3层并不关心或者根本不知道数据包内部所包含的通信类型。
此职责由上层按照需要承担。
上层可以决定服务之间的通信是否需要可靠性以及此通信是否可以承受可靠性所需的开销。
IP通常被称为不可靠的协议。
就此意义而言,不可靠并不是指IP有时工作正常而有时无法正常发挥作用,也不是说IP不宜作为数据通信协议。
不可靠仅仅表示IP不具备管理和恢复未送达数据包或已损坏数据包的功能。
由于其它层的协议可以管理可靠性,因此IP能够在网络层非常有效地发挥作用。
如果在第3层协议中包含可靠性开销,那么不需要连接或可靠性的通信就要负担由此开销而产生的带宽消耗和延迟。
在TCP/IP协议簇中,传输层可以根据通信的需要来选择TCP或UDP。
如同网络模型提供的所有协议层隔离一样,由传输层来决定可靠性使IP的适用性更强,能够适应不同的通信类型。
IP数据包的报头不包含实现可靠数据传输所需的字段。
由于不存在数据包送达的确认,对数据不实施差错控制,也没有任何形式的数据包跟踪;
因此也就不可能发生数据包重传。
5.1.5IPv4协议-介质无关性
介质无关性
网络层也不受用于传输数据包的介质的特征限制。
IPv4和IPv6的运作与在协议栈下层传送数据的介质无关。
如图所示,任何一个IP数据包既可以通过电缆以电力传送,也可以作为光信号通过光纤传送或作为无线电信号无线传送。
OSI数据链路层负责接收IP数据包并为其做好通过通信介质传输的准备。
这就意味着IP数据包的传输不限于任何特定的介质。
不过,仍有一项主要介质特征是网络层所必须考虑的:
每种介质可以传输的最大PDU大小。
此特征称为最大传输单位(MTU)。
数据链路层和网络层之间控制通信的一部分就是确定数据包的最大尺寸。
数据链路层将MTU向上传送到网络层。
然后,由网络层确定要创建的数据包的大小。
在某些情况下,中间设备-通常是路由器-从一种介质向具有较小MTU的介质转发数据包时需要分割数据包。
此过程称为对数据包进行分片或分片。
链接
RFC-791http:
//www.ietf.org/rfc/rfc0791.txt
5.1.6IPv4数据包-封装传输层PDU
IPv4封装传输层数据段或数据报,以便网络将其传送到目的主机。
单击图中的步骤观看此过程。
从数据包离开发送主机的网络层直至其到达目的主机的网络层,IPv4封装始终保持不变。
按层封装数据的过程使我们可以开发和升级位于不同层的服务而不影响其它层。
这意味着采用现有的网络层协议(如IPv4和IPv6)或者未来可能开发出的任何新协议都可以很容易地封装传输层数据段。
路由器可以实施这些不同的网络层协议,使其通过相同或不同主机之间的网络同时运行。
这些中间设备所执行的路由只考虑封装数据段的数据包报头的内容。
在任何情况下,数据包的数据部分,即封装的传输层PDU,在网络层的各个过程中都将保持不变。
5.1.7IPv4数据包报头
如图所示,IPv4协议定义了数据包报头中的许多不同字段。
这些字段中包含了IPv4服务在通过网络转发数据包时要参照的二进制值。
本课程将考虑以下6个关键字段:
∙IP源地址
∙IP目的地址
∙生存时间(TTL)
∙服务类型(ToS)
∙协议
∙片偏移量
IPv4报头的关键字段
将鼠标指针置于图示中各字段上,查看其用途。
IP目的地址
IP目的地址字段包含一个32位二进制值,代表数据包目的主机的网络层地址。
IP源地址
IP源地址字段包含一个32位二进制值,代表数据包源主机的网络层地址。
生存时间
生存时间(TTL)是一个8位二进制值,表示数据包的剩余“寿命”。
数据包每经一个路由器(即每一跳)处理,TTL值便至少减一。
当该值变为零时,路由器会丢弃数据包并从网络数据流量中将其删除。
此机制可以防止无法到达其目的地的数据在路由环路中的路由器之间无限期转发。
如果允许路由环路继续,网络将会因永远也无法到达目的地的数据包而堵塞。
在每一跳处减少TTL值可以确保该值最终变为零并且丢弃TTL字段过期的数据包。
协议
此8位二进制值表示数据包传送的数据负载类型。
网络层参照协议字段将数据传送到相应的上层协议。
典型的值包括:
∙01ICMP
∙06TCP
∙17UDP
服
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- CCNA1 OSI 网络层 网络