5计算机网络复习提纲第五章Word格式.docx

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（3）传输层能获得的网络地址应采用统一的编号形式，即使跨越多个LAN和WAN。

5.2路由算法

路由算法是网络层软件的一部分，它负责确定一个进来的分组应该被传送到哪条输出线路上。

5.2.1路由算法选择的参考标准

路由算法选择有以下参考标准：

（1）正确性：

沿着路由表所指引的路由，分组一定能够传输到最终到达的目的网络和目的主机。

（2）最优化：

指路由算法选择最佳路径的能力。

（3）简洁性：

算法设计简洁，利用最少的软件和开销，提供最有效的功能。

（4）坚固性：

路由算法处于非正常或不可预料的环境时，如硬件故障、负载过高或操作失误时，都能正确运行。

（5）快速收敛：

收敛是在最佳路径的判断上所有路由器到达一致的过程。

收敛慢的路由算法会造成路径循环或网络中断。

（6）灵活性：

路由算法可以快速、准确地适应各种网络环境。

5.2.2路由算法种类

路由算法可以分为两大类：

非自适应的和自适应的。

非自适应路由算法，它是按照预先计算好的信息进行路由，它不会根据当前测量或者估计的流量和拓扑结构，来调整他们的路由决策。

非自适应路由算法主要包括静态路由算法、分散通信量以及洪泛算法。

自适应路由算法，它是根据网络拓扑结构和通信量的变化等改变路由。

主要有距离向量路由算法和链路状态路由算法等。

1.距离向量路由算法

距离向量路由算法要求每个路由器发送其路由表全部或部分信息，但仅发送到邻近节点上。

从本质上来说，链路状态算法将少量更新信息发送至网络各处，而距离向量算法发送大量更新信息至邻接路由器。

距离向量路由算法属于动态路由算法。

缺陷：

路由收敛速度慢，对好消息反应迅速，对坏消息反应迟钝；

选择路由时，没有考虑线路带宽。

2.链路状态路由算法

链路状态路由算法（也称最短路由算法）发送路由信息到互联网上所有的结点，然而对于每个路由器，仅发送它的路由表中描述了其自身链路状态的一部分。

该路由算法是以权值作为计算路由的基础的。

所谓权值是各种情况的综合考虑，主要包括路径长度、可靠性、路由延迟、负荷、通信代价等。

与距离向量路由不同，链路状态路由的信息交换准则是：

每隔一定时间（大约30分钟），与所有的路由器交换自己邻居的信息。

优点：

一次性可以获得网络上所有路由器的信息，而不需要逐点传递；

该算法以权值作为基础，在计算路由时，考虑了多种因素，所以优于距离向量路由算法；

在获得了所有路由器信息之后，每个路由器分别采用Dijkstra算法以得出它到其他各个路由器的最短路径。

二者的区别：

这两种算法在大多数环境下都能很好的运行，除了以下区别：

（1）链路状态算法收敛更快，因此在一定程度上比路由算法更不容易产生路由循环。

（2）链路状态算法要求比距离向量算法有更强的CPU能力和更多的内存空间，因此链路状态路由算法将会在实现时显得更昂贵一些。

（3）距离向量路由算法适用于简单的网络，而链路状态路由算法更适合于复杂程度较高的网络

5.3网络层协议

IP的任务是提供一种尽力投递的方法将数据报从源端传输到目标端，它并不关心源机器和目标将机器是否在同样的网络中，也不关心它们之间是否还有其他网络。

（P23协议数据单元）

网络层是路由选择和负责网络寻址的层。

IP（网际协议）是最普通的网络层协议，提供无连接的数据报传输机制。

5.3.1IPv4协议

IPv4的地址是32位长，由4个分段的十进制组成。

由网络号和主机号两部分构成。

1.IP地址的分类（P83）

IP地址有如下特点：

（1）网络号可用于将数据报路由到目的网络

（2）主机号可用于将数据报交付到本网络的主机

（3）简化了路由表

子网（Subnet）划分：

因特网规模的急剧增长，对IP地址的需求激增。

带来的问题是：

（1）IP地址资源的严重匮乏

（2）路由表规模的急速增长

解决办法：

从主机号部分拿出几位作为子网号

这种在原来IP地址结构的基础上增加一级结构的方法称为子网划分。

前提：

网络规模较小——IP地址空间没有全部利用。

例如：

三个LAN，主机数为20，25，48，均少于C类地址允许的主机数。

为这三个LAN申请3个C类IP地址显然有点浪费。

类别

最大网络数

网络号范围

每个网络中最大主机数

主机号范围

IP地址范围

A

126

1-126

16777214

0.0.1-

255.255.254

1.0.0.1-

126.255.255.254

B

16382

128.1-191.254

65534

0.1-255.254

128.1.0.1-

191.255.255.254

C

2097150

192.0.1-

223.255.254

254

1-254

192.0.1.1-

233.255.255.254

2.IP数据报的格式和内容

每个IP数据报包含一个头部和一个正文部分。

头部有一个20字节的定长部分和一个可选的变长部分

版本号：

在处理每个接收到的IP数据报之前，首先要检验它的版本号，以确保用正确的协议版本来处理它。

长度字段：

IP数据报之中有两个长度字段：

头长度和总长度。

一个表示IP数据报头的长度，占用4位，另一个表示IP数据报的总长度，占用16位，它的值是以字节为单位的。

服务类型：

结构示意图：

12345678

优先权

D

T

R

保留

优先权取值范围0-7，值越大，优先级越高。

D：

Delay要求有更低的时延。

T：

Throughput要求有更高的吞吐量

R：

Reliability要求有更高的可靠性

C：

要求选择更低廉的路由

数据报的分段和重组：

IP数据报要放在物理帧中再进行传输，这一过程叫做封装。

一般来说，在传输过程中要跨越若干个物理网络，由于不同的物理网络采用的帧格式不一样，而且所允许的最大的帧长度不同，而IP数据报的最大长度可达64KB，远大于大多数物理网络的最大传输单元（MTU），因此IP协议需要一种分段机制，把一个大的IP数据报分成若干个小的分段进行传输，最后到达目的地再重新组合成原来的样子。

数据报生存周期（TTL）：

IP数据报传输的特点就是每个数据报单独寻址。

每个新生成的数据报中，其数据报头的生存周期字段被初始化设置为最大值255，该数据报每经过一个路由器，其生存周期就减1，以此来避免数据报在网络中无休止的循环。

协议类型：

指出IP数据报中的数据部分是哪一种协议

头检验和：

用于保证数据的正确性

源IP地址和目的IP地址：

分别表示该数据报的发送者和接受者

IP数据报选项：

主要用于额外的控制和测试

3.IP报文的转发

当一个路由器收到主机A发送给主机B的IP数据报时，路由器的数据链路层根据帧中的以太网类型确定帧中的数据是IP报文，于是交给IP协议来处理，IP协议首先要校验IP报文投中的各个域的正确性，包括版本号、校验以及长度等，如果发现错误，则丢弃该数据报；

如果全部正确，则把TTL的值减1,。

若TTL的值为0，数据报到期，应该丢弃；

TTL大于0，根据IP数据报中的目的地址查询路由器的路由表，如果找到合适的路由，把该数据向下一站转发，这需要知道下一站的MAC地址，进行帧封装；

如果没有合适的路由，则丢弃该数据报。

4.IP路由表

路由表中至少有目的地址、掩码、网关以及接口名称等。

目的地址和掩码是整个表的关键字，唯一地确定到某目的地的路由。

网关表示下一站路由器的地位，而接口名称则指出了应该向本机的哪个网络接口进行转发。

路由表中每个表项还有两个标志：

标志H表示该路由器是主机路由，即该路由项指明了到一台主机的具体路由；

G则表示该地址是个有效路由的地址。

确定一条路由是否符合要求的方法就是把IP报文中的目的地址跟路由表的每一项中的掩码做“与”运算，看其结果是否与相应的路由项中的目的子网地址相等。

在查找路由表时，要求使用最佳匹配原则。

因为在路由表中，每条路由的掩码长度不一样，如果有多条成功匹配的路由项，则选择掩码最长的项所对应的路由。

例题：

路由器R的路由表如下

序号

目的网络

子网掩码

下一跳

转发端口

1

166.111.64.0

255.255.240.0

R1端口1

Port2

2

166.111.16.0

直接交付

Port1

3

166.111.32.0

4

166.111.48.0

Port3

5

0.0.0.0（默认路由）

0.0.0.0

R2端口2

现路由器收到下述分别发往6个目的主机的数据报，路由器如何交付？

H120.134.245.78

H2166.111.64.129

H3166.111.35.72

H4166.111.31.168

H5166.111.60.129

H6192.36.8.73

H1：

20.134.245.78∧255.255.240.0=20.134.240.0路由器通过R2端口2交付给Port1

H2：

166.111.64.129∧255.255.240.0=166.111.64.0路由器通过R1端口1交付给Port2

H3：

166.111.35.72∧255.255.240.0=166.111.32.0路由器直接交付给Port2

H4：

166.111.31.168∧255.255.240.0=166.111.16.0路由器直接交付给Port1

H5：

166.111.60.129∧255.255.240.0=166.111.48.0路由器直接交付给Port3

H6：

192.36.8.73∧255.255.240.0=192.36.0.0路由器通过R2端口2交付给Port1

5.3.2IPv6协议

在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题之外，还考虑了在IPv4中解决不好的其他问题，主要有端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。

1.IPv6报文结构

IPv6基本报头

扩展报头

上层协议数据单元

2.IPv6地址

单播地址

组播地址

泛播地址

3.IPv6地址分配情况

5.3.3IPv4向IPv6的过渡

1.兼容IPv4的IPv6地址

2.双IP协议栈

3.基于IPv4隧道的IPv6

5.4网络控制协议

5.4.1ICMP协议（Internet控制报文协议）

专门用于发送差错报文的协议。

ICMP协议与IP协议相互依赖：

IP在需要发送一个差错报文时要使用ICMP，而ICMP利用IP来传递报文。

ICMP差错报文分别包括一下5种：

源抑制；

超时；

目的不可达；

重定向；

要求分段。

ICMP的信息报文包括以下几种：

应答/回应请求；

地址掩码请求/应答。

（P92）

5.4.2地址解析协议（ARP）

IP数据报的报头使用的是IP地址，MAC帧的帧头使用的是物理地址，在网络层以上使用IP地址，以下则使用的是物理地址。

在以太网等局域网中，使用地址解析协议来实现IP地址和MAC地址的转换。

5.4.3反向地址解析协议（RARP）

RARP协议可以实现MAC地址到IP地址的转换。

RARP包和ARP包的格式类似，不同的是，在RARP请求包中是发送者填充的源端物理地址，而源端IP为空。

5.5网络层设备

物理层设备：

又称一层设备，比如粗缆或者细缆的中继器（Repeater），在物理层实现互联，通过对传输信号的放大和再生扩展网络的物理覆盖范围。

数据链路层设备：

又称为二层设备，比较典型的是交换机和网桥。

网络层设备：

又称三级设备，路由器是代表性的互连设备，提供了在不同网络上的分组转发和协议转换。

高层设备：

网络层以上的互连设备，通称为网关，主要进行高层协议的转换。

5.5.1路由器

路由器是工作在OSI参考模型的第三层即网络层的互连设备。

硬件路由：

专用软件（CPU、各类内存、各种端口）加上专用的特殊操作系统来实现。

软件路由：

普通的计算机安装通用操作系统软件来实现。

1.路由器的功能特点

两个最基本的功能：

路由选择和数据转发。

路由器已经不仅仅局限于在广域网上提供最短路径查找、数据包转发功能，它还能提供包过滤、多播、数据加密和阻隔非法访问等高级网络数据控制功能，还能进行流量控制、拥塞控制、计费等网络管理功能。

2.路由器的工作原理

路由器通过路由选择算法，建立并维护一张路由表。

路由表包含着目的地址和下一跳路由器地址等多种路由信息。

路由表中的路由信息指明每一台路由器应该把数据包转发给谁，它的下一跳路由器地址是什么等。

路由器根据路由表提供的下一跳路由器地址，将数据包转发过去。

通过把数据包一级级的转发到下一跳路由器的方式，最终把数据包传送到目的地。

路由器的工作原理如下图所示。

3.路由表

路由表是路由器最主要的部分。

路由表有4个重要的字段：

目的网络地址、子网掩码、下一跳地址和发送接口。

目的网络地址

下一跳地址

发送接口

11.0.0.0

255.0.0.0

2.2.2.2

S1

3.0.0.0

14.14.14.14

S0

7.7.7.7

S2

具体的计算案例见前文。

5.5.2三层交换机

补充：

路由器在网际互连中的作用（重点）

路由器的结构：

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。

也就是说，将路由器某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地（即目的网络），把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。

下一跳路由器也按照这种方法处理分组，直到该分组到达终点为止。

典型的路由器的结构：

“转发”和“路由选择”的区别：

“转发”（forwarding）就是路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去。

“路由选择”（routing）则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由。

路由表是根据路由选择算法得出的。

而转发表是从路由表得出的。

在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发表和路由表的区别，