文章目錄

• 一、網絡層功能
• 二、數據交換方式 ★
• 三、IP 數據報 ★
• 四、 IPv4 地址 ★★
• • 1 . IP 地址 發展 :
  • 2 . 分類 IP 地址
  • 3 . NAT 轉換
  • 4 . 子網劃分
  • 5 . 子網掩碼
  • 6 . 子網掩碼 計算示例
  • 7 . CIDR 無分類編址
• 五、重要協議 ( ARP | DHCP | ICMP | IGMP ) ★
• • 1 . ARP 協議
  • 2 . DHCP 協議
  • 3 . ICMP 協議
  • 4 . IGMP 協議
• 六、IPv6 協議
• 七、路由選擇協議 ★
• • RIP 協議
  • RIP 協議 信息交換
  • OSPF 協議
  • OSPF 協議 信息交換
• 八、路由算法 ★
• • 距離向量算法
  • 距離向量算法示例 1
  • 距離向量算法示例 2
  • 鏈路狀態路由算法

一、網絡層功能

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網絡層功能 :

① 路由與轉發 : 路由選擇 與 分組轉發 ; 根據路由選擇算法 , 選擇最佳路徑 , 將分組轉發出去 ;

② 異構網絡互連 : 實現 WIFI 網絡 , 4G/5G 基站網絡 , 光纖寬帶網絡 , 雙絞線局域網 等 網絡互相通信 ;

③ 擁塞控制 : 所有節點 都 來不及接受分組 , 丟棄大量分組 , 此時網絡處于擁塞狀態 , 此時要采用一定措施緩解該擁塞狀態 ; 流量控制 是 接收方 接受能力不足 , 讓發送方慢點發 ; 擁塞控制 是全局性概念 ;

• 開環控制 : 靜態 ; 網絡傳輸之前 , 將所有可能產生擁塞的情況都進行控制 ;

• 閉環控制 : 動態 ; 網絡運行過程中 , 根據發生的各種問題 , 動態處理 ;

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : 網絡層簡介 ( 功能 | 擁塞控制 )

二、數據交換方式 ★

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1 . 數據交換方式 :

① 電路交換

② 報文交換

③ 分組交換

• 數據報方式 : 為 網絡層 提供 無連接服務 ;
• 虛電路方式 : 為 網絡層 提供 連接服務 ;

2 . 電路交換、報文交換、分組交換 對比 :

① 存儲轉發 : 報文交換 和 分組交換 , 采用 存儲轉發 ;

② 電路交換使用場景 : 傳輸數據量巨大 , 傳送時間遠大于呼叫時間 , 此時使用電路交換 , 電路交換的傳輸時延最小 ;

③ 信道利用率 : 報文交換 和 分組交換 的信道利用率 高于 電路交換 ;

④ 時延 : 分組交換 > 報文交換 ;

3 . 分組交換、報文交換 計算示例 :

存儲轉發 , 是將整個報文 / 分組 存儲完畢后 , 才能轉發 , 數據分組越小 , 速率越快 ;

鏈路速率 : 所有的鏈路傳輸速率是 $1000$ 比特 / 秒 ; 源主機 -> 交換設備 , 交換設備 -> 交換設備 , 交換設備 -> 目的主機 , 每個鏈路的速率都是 1000 比特 / 秒 ;

報文交換 : 報文長度 $10000$ 比特 ;

分組交換 : 每個分組 $10$ 比特 ;

忽略條件 : 忽略 其它 傳播延遲 , 頭部開銷等問題 ;

求 從開始發送開始 , 到所有數據傳播完畢截止 , 計算傳播總時間 ;

報文交換 :

• 鏈路 $1$ : 從源主機 發送到 鏈路上 需要 : $\frac{10000}{1000}=10$ 秒 ; 需要將整個報文完整的傳輸到 交換設備 $1$ 上 , 花費 $10$ 秒 , 才能開始轉發 ;
• 鏈路 $2$ : 從 交換設備 $1$ 發送到 交換設備 $2$ 需要 : $\frac{10000}{1000}=10$ 秒 ; 需要將整個報文完整的傳輸到 交換設備 $2$ 上 , 花費 $10$ 秒 , 才能開始轉發 ;
• 鏈路 $3$ : 從交換設備 $2$ 發送到 目的主機 需要 : $\frac{10000}{1000}=10$ 秒 ; 需要將整個報文完整的傳輸到 交換設備 $3$ 上 , 花費 $10$ 秒 , 才能開始轉發 ;
• 總共花費了 30 秒時間 ;

分組交換 :

• 每個分組 大小 $10$ 比特 , 一個分組發送時延 : $\frac{10}{1000}=0.01$ 秒 ;
• 這里只考慮最后一個分組 , 從源主機發送出來 , 到達目的主機的時延 , 即 從 第一個分組開始發送計時, 到最后一個分組傳輸完畢就是所有分組傳輸結束 ;
• 第一個分組開始發送 到 最后一個分組開始發送 的時間 : $\frac{10000}{1000}=10$ 秒 ;
• 最后一個分組 從 交換設備 $1$ 到 交換設備 $2$ 用了 $0.01$ 秒 ;
• 最后一個分組 從 交換設備 $2$ 到 目的主機 用了 $0.01$ 秒 ;
• 分組交換使用的總時間是 $10.02$ 秒 ;

參考博客 :

• 【計算機網絡】網絡層 : 數據交換方式 ( 電路交換 | 報文交換 | 分組交換 )★
• 【計算機網絡】網絡層 : 分組交換方式 ( 數據報方式 | 虛電路方式 )

三、IP 數據報 ★

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1 . IP 數據報 首部格式 :

版本 : $4$ 比特 , $[0,3]$ 位 , IPv4 / IPv6 , 目前使用的是 IPv4 版本 ;

首部長度 : $4$ 比特 , $[4,7]$ 位 , 單位是 $4$ 字節 , 最小值是 $5$ , 那么最小的首都大小是 $5\times 4=20$ 字節 ;

區分服務 : $8$ 比特 . $[8,15]$ 位 , 期望獲取的服務類型 , 一般情況下不使用 ;

總長度 : $16$ 比特 , $[16,31]$ 位 , 首部長度 + 數據部分 的總長度 ; 單位是 $1$ 字節 ; 長度最大值是 $2^{1}6?1=65535$ 字節 ;

生存時間 : $8$ 比特 , $[32,39]$ 位 , IP 分組保質期 , 每經過一個路由器 , 生存時間 $?1$ , 如果生存時間變為 $0$ , 直接丟棄 ; 防止 無法交付的數據包 , 無限制的再網絡上傳輸 ;

協議字段 : $8$ 比特 , $[40,47]$ 位 , 數據部分使用的協議 ; 下面是協議名稱 與 字段值的對應關系 ;

• ICMP : 1
• IGMP : 2
• TCP : 6
• EGP : 8
• IGP : 9
• UDP : 17
• IPv6 : 41
• ESP : 50
• OSPF : 89

首部檢驗和 : 檢驗首部的字段 ;

源地址 / 目的地址 : 長度都是 32 位 , IPv4 的地址長度是 32 位 ;

可選字段 : 范圍是可變的 , 取值范圍 $0$ 到 $40$ 字節之間 , 用于排錯 , 測量 , 安全措施等 ;

填充字段 : 都是 $0$ , 用于將首部補全成 $4$ 字節的整數倍位數 ;

2 . IP 數據報 分片 : 要根據 首部的 標識 , 標志 , 片偏移 進行相應處理 :

標識 : 同一個 IP 數據報 的分片 , 使用相同的標識 ; IP 數據報大小超過 MTU 時 , 將數據報分片 , 分片完成的 IP 數據報分片 , 其標識都是相同的 ;

標志 : 由 $3$ 位組成 , $[48,50]$ , 只有 $2$ 位有意義 ;

• 最高位 : 是保留位 , 沒有意義 ;
• 中間位 : DF 位 , Don’t Fragment ; DF = 1 時 , 禁止分片 ; DF = 0 時 , 允許分片 ;
• 最低位 : MF 位 , More Fragment ; MF = 1 時 , 后面還有分片 ; MF = 0 時 , 本分片就是該分組的最后一個分片 , 后面沒有分片 ;
• 只有 DF = 0 時 , MF 才有意義 ;

片偏移 : 較長的分組的分片 , 中間的某個分片 , 在原來的 IP 分組中的相對位置 ; 單位是 $8$ 字節 ; 也就是說除了最后一個分片 , 每個分片的長度是 $8$ 字節的整數倍 ;

3 . 分片機制 示例 :

• IP 數據報 : 首部 $20$ 字節 , 數據部分 $3800$ 字節 ;

• 將其進行分片處理 : 每個分片不超過 $1420$ 字節 ;

• 標識 : $666$ ;

• 標志 : DF = 0 , 表示允許分片 ; MF = 0 , 表示后續沒有分片 ;

• 片偏移量 : $0$

分片后的結果是 : 分成 三片 ;

第一片 :

• 分片數據 : 首部 $1$ ( $20$ 字節 ) + $1400$ 字節數據部分 ;
• 標識 : $666$ , 同一個分組的分片 , 標識相同 ;
• 標志 : DF = 0 , 允許分片 ; MF = 1 , 后續還有分片 ;
• 片偏移量 : 片偏移量 是 0 , 單位是 $8$ 字節 , 本片偏移量相當于 $0$ 字節 ;

第二片 :

• 分片數據 : 首部 $2$ ( $20$ 字節 ) + $1400$ 字節數據部分 ;
• 標識 : $666$ , 同一個分組的分片 , 標識相同 ;
• 標志 : DF = 0 , 允許分片 ; MF = 1 , 后續還有分片 ;
• 片偏移量 : 片偏移量 是 175 , 單位是 $8$ 字節 , 本片偏移量相當于 $1400$ 字節 ;

第三片 :

• 分片數據 : 首部 $3$ ( $20$ 字節 ) + $1000$ 字節數據部分 ;
• 標識 : $666$ , 同一個分組的分片 , 標識相同 ;
• 標志 : DF = 0 , 允許分片 ; MF = 0 , 后續沒有分片 ;
• 片偏移量 : 片偏移量 是 350 , 單位是 $8$ 字節 , 本片偏移量相當于 $2800$ 字節 ;

片偏移量是從數據部分開始計數 , 數據部分的開始位置是 $0$ 字節 , 其單位是 $8$ 字節 , 片偏移量 $1$ 代表 $8$ 字節 ;

4 . IP 數據報首部中的相關數據長度單位 : 速記 : 一種 ( 總長度 ) 八片 ( 片偏移 ) 的 首 ( 首部長度 ) 飾 ( 四 )

• 總長度單位 : $1$ 字節 ;
• 片偏移單位 : $8$ 字節 ;
• 首部長度單位 : $4$ 字節 ;

參考博客 :

• 【計算機網絡】網絡層 : IP 數據報格式 ( IP 數據報首部格式 )
• 【計算機網絡】網絡層 : IP 數據報分片 ( 數據分片機制 | 分片示例 | 三種數據長度單位 )

四、 IPv4 地址 ★★

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1 . IP 地址 發展 :

• 第一階段 : 分類的 IP 地址

• 第二階段 : 子網的劃分

• 第三階段 : 構成超網 , 無分類編址方法

2 . 分類 IP 地址

IP 地址 : 由 $4$ 字節構成 , 表示路由器主機的接口 ;

IP 地址組成 : 網絡號 + 主機號 ;

IP 地址分類 :

• $A$ 類 : 網絡號占 $1$ 字節 , 第一位是 $0$ ;

• $B$ 類 : 網絡號占 $2$ 字節 , 前兩位是 $10$ ;

• $C$ 類 : 網絡號占 $3$ 字節 , 前三位是 $110$ ;

• $D$ 類 : 網絡號占 $4$ 字節 , 前四位是 $1110$ , 該類地址是多播地址 ;

• $E$ 類 : 前四位是 $1111$ , 暫時沒有啟用 , 保留 ;

$A$ 類網絡 IP 地址 :

• ① 最大可用的網絡數 : $2^7?2$ , 網絡號 $1$ 字節 , 第一位必須是 $0$ , 可以設置 $7$ 位 ; 網絡號全 $0$ , 即 $0.0.0.0$ 指的是本網絡 ; 網絡號 $127$ 是環回地址 , 也是不能使用的 ; 因此減去 $2$ 個不能使用的網絡號 ;

• ② 網絡號取值 : $1$ ~ $126$ ;

• ③ 最大主機數 : $2^{24}?2$ , 主機號 $3$ 字節 , 有 $24$ 位 ; 主機號全 $0$ 表示的是本網絡號 , 不能支配給主機 ; 主機號全 $1$ 表示廣播地址 , 不能分配給指定主機 ; 因此減去 $2$ 個不能使用的主機號 ;

$B$ 類網絡 IP 地址 :

• ① 最大可用的網絡數 : $2^{14}?1$ , 網絡號 $2$ 字節 , 前兩位必須是 $10$ , 可以設置 $16?2=14$ 位 ; 網絡號全 $0$ , 即 $128.0$ 指的是本網絡 ; 因此減去 $1$ 個不能使用的網絡號 ;

• ② 網絡號取值 : $128.1$ ~ $191.255$ ;

• ③ 最大主機數 : $2^{16}?2$ , 主機號 $2$ 字節 , 有 $16$ 位 ; 主機號全 $0$ 表示的是本網絡號 , 不能支配給主機 ; 主機號全 $1$ 表示廣播地址 , 不能分配給指定主機 ; 因此減去 $2$ 個不能使用的主機號 ;

$C$ 類網絡 IP 地址 :

• ① 最大可用的網絡數 : $2^{21}?1$ , 網絡號 $3$ 字節 , 前兩位必須是 $110$ , 可以設置 $24?3=21$ 位 ; 網絡號全 $0$ , 即 $192.0.0$ 指的是本網絡 ; 因此減去 $1$ 個不能使用的網絡號 ;

• ② 網絡號取值 : $192.0.1$ ~ $223.255.255$ ;

• ③ 最大主機數 : $2^8?2$ , 主機號 $1$ 字節 , 有 $8$ 位 ; 主機號全 $0$ 表示的是本網絡號 , 不能支配給主機 ; 主機號全 $1$ 表示廣播地址 , 不能分配給指定主機 ; 因此減去 $2$ 個不能使用的主機號 ;

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : IPv4 地址 ( IP 地址分類 | 特殊 IP 地址 | 私有 IP 地址 | A 類、B 類、C 類 IP 地址網絡號主機號數量 )★

3 . NAT 轉換

私有 IP 地址 : 只適用于在內部網絡中使用 , 在互聯網上使用私有 IP 地址 , 路由器并不識別這些 IP 地址 ;

• $A$ 類 私有 IP 地址 : $10.0.0.0$ ~ $10.255.255.255.255$ , 有 $1$ 個網段 , 即可分配 $1$ 個網絡號 ;
• $B$ 類 私有 IP 地址 : $172.16.0.0$ ~ $172.31.255.255$ , 有 $16$ 個網段 , 即可分配 $16$ 個網絡號 ;
• $C$ 類 私有 IP 地址 : $192.168.0.0$ ~ $192.168.255.255$ , 有 $256$ 個網段 , 即可分配 $256$ 個網絡號 ;

路由器 不轉發 私有 IP 地址 的 目的地址 ;

NAT 轉換表 : 每個 LAN 局域網 IP 地址 : 端口號 , 與 WAN 廣域網 IP 地址 : 端口號 的對應關系 ;

NAT 轉換表 對應示例 :

• WAN 廣域網地址 $172.38.1.5:44444$ , 對應 LAN 局域網地址 $192.168.0.3:22222$ ;
• WAN 廣域網地址 $172.38.1.5:44445$ , 對應 LAN 局域網地址 $192.168.0.2:11111$ ;

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : NAT 網絡地址轉換 ( 私有 IP 地址不被路由器轉發 | NAT 轉換表 )

4 . 子網劃分

子網劃分 :

① 二級 IP 地址 : 網絡號 + 主機號 ;

② 三級 IP 地址 : 子網劃分中 , 在主機號中 , 拿出一部分地址 , 作為子網號 , 那么子網劃分 IP 地址組成是 : 網絡號 + 子網號 + 主機號 ; 其中 子網號 + 主機號 , 相當于 二級 IP 地址中的主機號 ;

三級 IP 地址 :

① 子網劃分對外透明 : 劃分子網后, 對外仍然表現為一個網絡 , 外部是不知道內部子網劃分的詳細信息的 ;

② 主機號位數 : 主機號 至少要留下 兩位 , 因為如果留下 一位 , 只能取值 $0$ 或 $1$ , 這兩位都是不可使用的 , 一個代表網絡, 一個代表廣播地址 ;

③ 子網號 : 是否能夠設置成全 $0$ , 或者 全 $1$ , 看前提情況 ;

④ 主機號 : 不能設置成 全 $0$ , 全 $1$ ;

5 . 子網掩碼

兩級 IP 地址 : 網絡號 + 主機號 ; 如 : $145.13.3.10$ ; 其中 $145.13$ 是網絡號 , $3.10$ 是主機號 ;

子網掩碼 : 網絡號對應位數全部設置成 $1$ , 主機號對應的位數 , 全部設置成 $0$ ; 上述 兩級 IP 地址對應的子網掩碼是 $11111111111111110000000000000000$ , 寫成點分十進制就是 $255.255.0.0$ ;

三級 IP 地址 : 網絡號 + 子網號 + 主機號 ; 如 $145.13.3.10$ ; 其中 $145.13$ 是網絡號 , $3$ 是子網號 , $10$ 是主機號 ;

子網掩碼 : 網絡號 和 子網號 對應位數全部設置成 $1$ , 主機號對應的位數 , 全部設置成 $0$ ; 上述 兩級 IP 地址對應的子網掩碼是 $11111111111111111111111100000000$ , 寫成點分十進制就是 $255.255.255.0$ ;

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : 子網劃分 ( 三級 IP 地址 | 子網劃分 | 子網掩碼 | 子網掩碼計算示例 | 子網的分組轉發 )

6 . 子網掩碼 計算示例

1 . 示例 1

IP 地址 $141.14.72.24$ , 子網掩碼是 $255.255.192.0$ , 求對應的網絡地址 ?

① 子網掩碼 前兩位 是 $255$ , $141.14$ 與 $255.255$ 與運算結果是 $141.14$ ;

② 子網掩碼最后一位是 $0$ , 因此 $24$ 與 $0$ 相與后 , 結果是 $0$ ;

③ 只需要計算第三位 $72$ 與 $192$ 相與的結果 :

$(01001000)\&(11000000)=01000000$

轉為十進制后為 $64$ ;

網絡地址為 : $141.14.64.0$ ;

2 . 示例 2

IP 地址 $141.14.72.24$ , 子網掩碼是 $255.255.224.0$ , 求對應的網絡地址 ?

① 子網掩碼 前兩位 是 $255$ , $141.14$ 與 $255.255$ 與運算結果是 $141.14$ ;

② 子網掩碼最后一位是 $0$ , 因此 $24$ 與 $0$ 相與后 , 結果是 $0$ ;

③ 只需要計算第三位 $72$ 與 $224$ 相與的結果 :

$(01001000)\&(11100000)=01000000$

轉為十進制后為 $64$ ;

網絡地址為 : $141.14.64.0$ ;

$255.255.224.0$ 子網掩碼 與 $255.255.192.0$ 子網掩碼對比 :

• $255.255.192.0$ 子網掩碼中 , $192$ 對應的二進制數為 $11000000$ , 其中有 $6$ 位是主機號 , 加上剩余的最后 $1$ 字節 , 主機號共有 $14$ 位 ;
• $255.255.224.0$ 子網掩碼中 , $224$ 對應的二進制數為 $11100000$ , 其中有 $5$ 位是主機號 , 加上剩余的最后 $1$ 字節 , 主機號共有 $13$ 位 ;

3 . 示例 3

主機 IP 地址是 $180.80.77.55$ , 其子網掩碼是 $255.255.252.0$ , 寫出該主機所在的子網的廣播地址 ;

廣播地址 , 網絡號正常 , 主機號都是 $1$ ;

先求出其網絡號 , 然后設置全 $1$ 的主機號 ;

主機地址 $180.80.77.55$ 與 子網掩碼 $255.255.252.0$ 進行與運算 , 就可以得到其子網號 ;

$77\&252=01001101\&11111100=01001100$

將 $01001100$ 轉為十進制是 $76$ ;

網絡號是 : $180.80.76.0$

廣播地址 : 將主機號都設置為 $1$ , 即可得到 廣播地址是 : $180.80.79.255$

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : 子網劃分 ( 三級 IP 地址 | 子網劃分 | 子網掩碼 | 子網掩碼計算示例 | 子網的分組轉發 )

7 . CIDR 無分類編址

1 . CIDR 發展

無分類編址 CIDR 發展 : “無分類編址” 又稱為 “無分類域間路由選擇” ;

① 分類 IP 地址 : 原來的 分類 IP 地址 , A 類 , B 類 , C 類 , IP 地址組成 : 網絡號 + 主機號 ;

② 子網劃分 IP 地址 : 在 分類 IP 地址基礎上 , 劃分子網 , IP 地址組成 : 網絡號 + 子網號 + 主機號 ;

③ 無分類編址法 : 由 網絡前綴 + 主機號 組成 ;

2 . CIDR 地址記法

無分類域間路由選擇 CIDR 記法 : IP 地址后面加上 “/” , 表示網絡前綴的長度 ;

如 : $128.14.35.7/20$ , 表示該 IP 地址 , 前 $20$ 位 是網絡前綴 ;

CIDR 地址塊 : CIDR 將 網絡前綴 相同的 , 連續的 , IP 地址 , 組成一個 “CIDR 地址塊” ;

CIDR 地址塊相關計算 : 上述示例中 , $128.14.35.7/20$ 地址 , 是某個 CIDR 地址塊中的地址 , 根據該地址可以得到該 CIDR 地址塊 , 以及計算出該地址塊的 最大地址 和 最小地址 ;

① 先將 $128.14.35.7/20$ 地址轉為 二進制 形式 ;

$10000000000011100010001100000111$

前 $20$ 位是 網絡前綴 , 為 :

$10000000000011100010$

② 地址塊地址 : 二進制形式如下 :

$10000000000011100010$ $000000000000$

轉為十進制為 :

$128.14.32.0/20$

③ 最小地址 : 最小地址就是 主機號 全 $0$ ; 也就是地址塊地址 ;

$10000000000011100010$ $000000000000$

④ 最大地址 : 最大地址就是 主機號 全 $1$ ;

$10000000000011100010$ $111111111111$

⑤ 子網掩碼 : 又稱為 “地址掩碼” , 網絡前綴對應的前 $20$ 位 為 $1$ , 主機號對應的位數為 $0$ ;

$11111111111111111111$ $000000000000$

轉為十進制為 : $255.255.240.0$

3 . 構成超網 : 將 多個 CIDR 編址的 子網 聚合成一個較大的子網 , 又稱為 “路由聚合” ;

方法 : 縮短網絡前綴 ;

構成超網示例 :

• 子網塊 $1$ : $206.1.0.0/17$ ;
• 子網塊 $2$ : $206.1.128.0/17$ ;

上述網絡前綴都是 $17$ 位 , 將網絡前綴縮短 $1$ 位 , 即可構成一個新的超網 , 網絡前綴為 $16$ 位 ;

新的超網為 : $206.1.0.0/16$

4 . 最長前綴匹配 : 使用 CIDR 編址時 , 路由查找時 , 將可能得到的幾個匹配結果 , 選擇 符合 網絡前綴 的 , 具有最長網絡前綴 的路由 ;

原理 : 因為 前綴越長 , 主機號選擇性就越小 , 越容易找到對應的主機 ;

計算示例 :

路由表如下 :

• 目的網絡 $1$ : $132.0.0.0/8$ , 下一跳路由 $R1$ ;
• 目的網絡 $2$ : $132.0.0.0/11$ , 下一跳路由 $R2$ ;
• 目的網絡 $3$ : $132.19.232.0/22$ , 下一跳路由 $R3$ ;
• 目的網絡 $4$ : $0.0.0.0/0$ , 下一跳路由 $R4$ ;

分析 :

• 其中 目的網絡 $4$ 是 默認路由 , 如果上述 $3$ 個都不符合 , 就選擇默認路由 ;

• 目的網絡 $1$ 的 網絡前綴 符合要求 , 網絡前綴長度為 $8$ , 該路由選擇 比 默認路由 要好 ;

• 目的網絡 $2$ 的 網絡前綴 符合要求 , 網絡前綴長度為 $11$ , 該路由選擇 比 目標網絡 $2$ 要好 ;

• 目的網絡 $3$ 的網絡前綴是 $132.19.236.0$ , 該網絡前綴不符合要求 , 必須不能選擇 ;

因此這里選擇 目的網絡 $3$ , 作為 下一跳路由 ;

5 . 計算示例

某網絡 IP 地址為 $192.168.5.0/24$ , 采用 定長子網劃分 , 子網掩碼為 $255.255.255.248$ , 求網絡中的最大子網個數 , 每個子網的最大可分配地址個數 ?

網絡地址是 $192.168.5.0/24$ , 前 $24$ 位 是網絡前綴 ;

在 CIDR 基礎之上 , 進行定長子網劃分 , 后面 $8$ 位 , 一部分作為 子網號 , 一部分作為主機號 ;

子網掩碼為 $255.255.255.248$ , 轉為二進制是 :

$11111111111111111111$ $0000$ $11111000$

由上面的子網掩碼可得 , 子網號 占 $5$ 位 , 主機號 占 $3$ 位 ;

最大子網個數是 $2^5=32$ 個 , 在 CIDR 子網中 , 子網號可以全 $0$ , 全 $1$ ;

每個子網的最大主機個數是 : $2^3?2=6$ , 要減去 全 $0$ 和 全 $1$ 兩種情況 ;

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : 無分類編址 CIDR ( 編址發展 | CIDR 優點 | CIDR 相關計算 | 構成超網 | 最長前綴匹配 | 計算示例 )★

五、重要協議 ( ARP | DHCP | ICMP | IGMP ) ★

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1 . ARP 協議

ARP 協議 使用過程 :

① 檢查 ARP 高速緩存 :

• 存在對應物理地址 : 如果有 目的 IP 地址對應的 MAC 地址 , 就直接寫入該 MAC 地址 ;
• 不存在對應物理地址 : 如果沒有 目的 IP 地址對應的 MAC 地址 , 則 使用 “FF-FF-FF-FF-FF-FF” 作為 MAC 地址 , 封裝并廣播 “ARP 請求分組” , 該局域網內所有的主機都能收到該請求 ;

② “ARP 請求分組” 處理 : 目的主機 收到 “ARP 請求分組” 后 , 向源主機 單播 “ARP 請求分組” , 源主機收到 該 “ARP 請求分組” 后 , 將 MAC 地址映射寫入到 ARP 緩存中 ;

③ 更新周期 : 每隔 $10$ ~ $20$ 分鐘 , 更新一次 ARP 高速緩存 ;

計算示例 :

源主機 發送 IP 數據報給目的主機 , 經過了 $5$ 個路由器 , 期間使用了多少次 ARP 協議 ?

源主機 , 使用 ARP 協議 , 獲取第 $1$ 個路由器的 物理地址 ;

第 $1$ 個路由器 , 使用 ARP 協議 , 獲取第 $2$ 個路由器的 物理地址 ;

第 $2$ 個路由器 , 使用 ARP 協議 , 獲取第 $3$ 個路由器的 物理地址 ;

第 $3$ 個路由器 , 使用 ARP 協議 , 獲取第 $4$ 個路由器的 物理地址 ;

第 $4$ 個路由器 , 使用 ARP 協議 , 獲取第 $5$ 個路由器的 物理地址 ;

第 $5$ 個路由器 , 使用 ARP 協議 , 獲取 目的主機 的 物理地址 ;

總共使用了 $6$ 次 ARP 協議 ;

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : ARP 協議 ( 使用 ARP 協議查找 目的主機 / 路由器 物理地址 )★

2 . DHCP 協議

DHCP 協議 流程 :

① 主機 廣播 DHCP 發現報文 ; 該主機是想要申請 IP 地址的主機 ;

② DHCP 服務器 廣播 DHCP 提供報文 ;

③ 主機 廣播 DHCP 請求報文 ;

④ DHCP 服務器 廣播 DHCP 確認報文 ;

每個步驟都是廣播 ;

廣播的內容是 四種類型的報文 :

• DHCP 發現報文
• DHCP 提供報文
• DHCP 請求報文
• DHCP 確認報文

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : DHCP 協議 ( DHCP 協議概念 | DHCP 協議特點 | DHCP 協議流程 )

3 . ICMP 協議

ICMP 協議 簡介 :

① ICMP 協議 全稱 : 網際控制報文協議 ;

② ICMP 協議 功能 :

• 差錯報告 : 對應 發送 差錯報文 ;
• 網絡探尋 : 對應 發送 探尋報文 ;

③ ICMP 報文 在 IP 數據報中位置 : ICMP 報文 屬于 IP 數據報 的 數據部分 ;

ICMP 報文內容 : 其中的類型是 差錯報文 / 探詢報文 ;

ICMP 五種差錯報告報文 :

① 終點不可達報文 : 路由器 / 主機 不能交付數據報時 , 就會向源點 發送 終點不可達報文 ;

② 源點抑制報文 : 路由器 / 主機 擁塞 , 丟棄 IP 數據報 , 向源點發送源點抑制報文 , 讓源點降低發送速率 ;

③ 時間超過報文 :

• 生存周期為 $0$ : 路由器 生存周期 TTL = $0$ 時 , 丟棄該報文 , 同時向源點發送 時間超過報文 ;
• 分組丟失 : 終點 在預定時間內 沒有收到 數據報的全部數據分組時 , 就會將已收到的數據分組全部丟棄 , 向源點發送時間超過報文 ;

④ 參數問題報文 : 路由器 / 主機 收到的 數據報 首部 字段由錯誤值 , 丟棄該數據報 , 向源點發送 參數問題報文 ;

⑤ 改變路由報文 : 路由器 將 改變路由報文 發送給主機 , 讓主機下次將數據報發送給另外的路由器 ; 又稱為 “重定向報文” ;

ICMP 差錯報文 不發送 情形 :

① ICMP 差錯報文錯誤 : IP 數據報 中 , 如果 ICMP 差錯報文部分出錯 , 就不用再發送 ICMP 差錯報告報文了 ;

② 后續數據報分片 : ICMP 差錯報文只針對數據報的第一個分片 , 后續分片就不發送 ICMP 差錯報告報文了 ;

③ 組播地址 : 如果 IP 數據報的地址是 組播地址 , 不發送 ICMP 差錯報文 ;

④ 特殊地址 : 如果 IP 數據報的地址是 特殊地址 , 不發送 ICMP 差錯報文 ; 如 : 默認路由地址 等 ;

ICMP 詢問報文 :

① 回送請求 和 回答報文 : 主機 / 路由器 詢問特定主機 , 目的主機收到該報文后 , 必須給源主機 發送 ICMP 回答報文 ; 目的是 測試該 目的主機是否可達 ;

② 時間戳請求 和 回答報文 : 請求 主機 / 路由器 當前的日期 和 時間 ; 用于進行時鐘同步 和 時間測量 ;

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : ICMP 協議 ( ICMP 差錯報文 | 差錯報文分類 | ICMP 詢問報文 | ICMP 應用 | Ping | Traceroute )

4 . IGMP 協議

IGMP 協議 :

全稱 : 網際組管理協議 ;

作用 : IGMP 協議 讓 路由器 知道 本局域網 內的主機 , 是否 參加 / 退出 了 某個組播組 ; 如 : 小王 進入了 某主播直播間 , 那么小王的手機參加了組播組 ;

IGMP 協議在 TCP / IP 協議棧中的位置 : 處于 網絡層 上層 , ICMP 與 IGMP 都使用 IP 數據報 傳遞報文 ;

IGMP 工作流程 :

① 第一階段 : 加入組播組 ;

• 加入組播組 : 主機 向 組播組 的 組播地址 發送 IGMP 報文 , 聲明自己成為該組的成員 ;

• 組播路由器更新數據 : 本地組播路由器 收到 IGMP 報文后 , 利用 組播路由選擇協議 , 將組播組 成員關系發送給 因特網上的 其它組播路由器 ;

② 第二階段 : 定期輪詢組播組成員 ;

• 周期詢問 : 本地組播路由器 每隔一段時間 , 詢問 本地局域網的 組播組 $1$ 的主機 $A$ , 詢問該 主機 $A$ 是否是 組播組 $1$ 成員 ;
• 如果 主機 $A$ 是組播組 $1$ 成員 : 如果有主機 $A$ 對 組播組 $1$ 相應 , 組播路由器 認為 該組播組 $1$ 是 活躍的 ;
• 如果 主機 $A$ 不是組播組 $1$ 成員 : 如果沒有主機響應 , 組播路由器 認為 本網絡上沒有 組播組 $1$ 的成員 , 不再將本組的 $A$ 主機當做組播組 $1$ 的成員 發送給其它組播路由器 ;

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : IP 組播 ( IP 數據報傳輸方式 | 組播 IP 地址 | 組播 MAC 地址 | IGMP 協議 | 組播路由選擇協議 )

六、IPv6 協議

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IPv6 地址表示 :

① 冒號十六進制記法 : $2B2B:0000:0000:0000:002B:2B2B:2B2B:2B2B$ , 使用 $7$ 個 冒號 , 將 $8$ 個 short 短整型數字 使用 十六進制數表示出來 ;

② 壓縮形式 : 如果每個 short 短整型數字 前面若干位為 0 , 可以省略 , 如果四位全是 $0$ , 那么可以使用 一個 $0$ 代替 ;

上述 IPv6 地址 使用壓縮形式 可以表示成 $2B2B:0:0:0:2B:2B2B:2B2B:2B2B$ ;

③ 零壓縮 : 連續的 $0$ 使用一對冒號表示 , 但是一個 IPv6 地址中只能使用一次 ;

零壓縮表示上述 IPv6 地址 : $2B2B::2B:2B2B:2B2B:2B2B$

IPv4 向 IPv6 過渡策略 :

① 雙棧協議 : 同一臺設備上 同時啟用 IPv4 和 IPv6 協議棧 , 該設備既能使用 IPv4 通信 , 又能與 IPv6 網絡進行通信 ;

• 路由器 : 不同的接口 分別 配置 IPv4 地址 和 IPv6 地址 ;
• 計算機 : 計算機同時擁有 IPv4 地址 和 IPv6 地址 , 可同時處理兩種協議 ;

② 隧道技術 : 隧道技術 是 使用 互聯網 基礎設施 , 在網絡之間傳遞數據的方式 ; 使用 隧道 傳遞不同協議的數據 , 將其它協議的數據重新封裝然后通過隧道傳輸 ;

參考博客 : 【計算機網絡】網絡層 : IPv6 協議 ( IPv6 數據包格式 | IPv6 地址表示 | IPv6 地址類型 | IPv4 與 IPv6 協議對比 | IPv4 -＞ IPv6 過渡策略 )

七、路由選擇協議 ★

---

路由選擇協議分類 :

① 內部網管協議 IGP : 在 自治系統 ( Autonomous System ) 內部 使用的協議 ;

• RIP 協議 : 使用 距離向量 算法 ; 用于 小型網絡 ;
• OSPF 協議 : 使用 鏈路狀態 算法 ; 用于 大型網絡 ;

② 外部網關協議 EGP : 在 自治系統 ( Autonomous System ) 之間 使用的協議 ;

下圖中 自治系統 $A$ 內部使用 RIP 協議 , 自治系統 $B$ 內部使用 OSPF 協議 , 兩個自治系統 $A,B$ 之間使用 BGP 協議 ;

RIP 協議

RIP 協議 :

① 概念 : RIP 協議 是 分布式的 , 基于 距離向量 的 , 路由選擇協議 ; 該協議是因特網協議標準 ;

② 特點 : 簡單 ;

③ RIP 協議內容 : 要求網絡中 , 每個路由器 都維護一個路由表 , 路由表內容是 從 路由器本身 到 目的網絡 的 唯一最佳距離記錄 ;

④ 距離 : 路由器 跳數 , 每經過一個路由器 , 跳數加一 ;

⑤ 直接連接距離 : 路由器 到 直接連接的網絡 , 距離是 $1$ ;

⑥ 最大距離 : RIP 協議中要求 , 一條路由只能包含 $15$ 個路由器 ( 包含其本身 ) , 距離 最大是 $15$ , 如果距離為 $16$ , 該目標主機就會被判定為 網絡不可達 ;

路由表 形成 需要進行信息 交換 , 需要與 指定的路由器 , 在指定的時機 , 交換指定信息 ;

RIP 協議 信息交換

RIP 協議 信息交換 :

① 交換對象 : 本路由器 只 與 相鄰路由器 進行信息交換 ;

② 交換信息 : 交換的信息是路由器的 本身的路由表 ; 將本路由器的路由表所有信息, 封裝在 RIP 報文中 , 發送給相鄰路由器 ;

③ 交換周期 : 每隔 $30$ 秒 , 交換一次路由信息 , 根據新的信息更新路由表 , 如果超過 $180$ 秒沒有收到 鄰居路由器的 交換信息 , 則判定旁邊的 鄰居路由器沒了 , 更新自身的路由表 ;

交換過程 : 剛開始時 , 每個路由器 只知道 直連的網絡的距離 $1$ , 之后每個路由器想換交換信息 , 并更新路由信息 , 若干次交換后 , 所有的路由器都知道 本 自治系統 ( Autonomous System ) 中從任何路由器 到達 任何網絡的最短距離 , 和 下一跳路由地址 ;

路由表內容 : 網絡地址 , 跳數 , 下一跳地址 ;

RIP 協議是 應用層協議 , 使用 UDP 協議傳輸數據 ;

單個 RIP 報文中 , 最多存儲 $25$ 個路由信息 , 如果路由表很大 , 那么發送多個 RIP 報文 ;

RIP 協議特點 : 好消息更新快 , 壞消息更新慢 ; 網絡出現故障后 , 要經過幾分鐘 , 才能將該信息送達所有的路由 , 收斂慢 ;

OSPF 協議

OSPF 協議 簡介 :

① 全稱 : 開放最短路徑優先協議 ;

• “開放” 說明該協議是公開發表的
• “最短路徑優先” 指的是使用了 最短路徑算法 ;

② 主要特征 : 使用 分布式 鏈路狀態協議 ;

OSPF 協議 信息交換

OSPF 協議 信息交換 細節 :

① 交換對象 : OSPF 中使用 洪泛法 向 自治系統 ( Autonomous System ) 內部 所有路由器 發送消息 ; 本路由器 向 相鄰路由器 發送消息 , 相鄰路由器 再向 其相鄰路由器 發送消息 , 直到所有的路由器收到消息為止 , 相當于廣播 ;

② 交換信息 : OSPF 中發送消息內容是 , 本路由器 與 所有 相鄰路由器 的鏈路狀態 , 包括 有哪些相鄰路由器 , 鏈路狀態 如 距離 , 時延 , 帶寬 等指標 ;

③ 交換時機 : 只有當 鏈路狀態發生變化 時 , 路由器才使用 洪范法 向 AS 內所有路由器 廣播 本身與所有相鄰的路由器的鏈路狀態 ;

最終目的 : 所有的路由器 都有一個 鏈路狀態數據庫 ( 全網拓撲圖 ) ;

八、路由算法 ★

---

距離向量算法

距離向量算法 :

① 修改 RIP 報文 : 修改 相鄰 路由器 發送的 RIP 報文 中的 所有表項 ;

相鄰路由器 地址為 $X$ , 發送來 RIP 報文 , ① 將 下一跳 地址改為 $X$ 相鄰路由器地址 , ② 將距離 加一 ;

② 更新 本路由器 路由表 :

路由表內容 : 網絡地址 , 跳數 , 下一跳地址 ;

針對修改后的 RIP 報文 , 執行下面的操作 :

• 沒有的表項 : 沒有報文中路由表表項的 網絡地址 , 直接插入即可 ;
• 已有的表項 : 存在報文中路由表表項的 網絡地址 , 查看下一跳路由器地址 ,
  • 下一跳就是 $X$ 相鄰路由器 : 使用該新的路由表項替換原來的路由表項 ; 這種情況下 , 不管距離變大還是變小 , 只要下一跳路由器一樣 , 就更新 , 這說明了網絡拓撲發生了改變 ; 始終以新的數據為標準 ;
  • 下一跳不是 $X$ 相鄰路由器 : 比較距離 , 如果 本次的距離 比 原來的距離 近 , 就更新路由表項 , 如果遠 , 不做處理 ; ( 更新原則是 , 同一個目的地址 , 始終保持跳數較少的路由路徑 )

③ 刪除路由 : 如果 $180$ 秒 , 還沒有收到相鄰路由器 $X$ 的 RIP 報文數據 , 那么將 路由器 $X$ 記為不可達路由器 , 將距離設置為 $16$ ;

④ 返回 ;

距離向量算法示例 1

距離向量算法 計算示例 :

$R6$ 本身路由表 :

• 表項 $1$ : 目的網絡 Net $2$ , 距離 $3$ , 下一跳路由 $R4$ ;
• 表項 $2$ : 目的網絡 Net $3$ , 距離 $4$ , 下一跳路由 $R5$ ;

收到 $R4$ 發來的 RIP 報文 ( 路由更新信息 ) :

• 表項 $1$ : 目的網絡 Net $1$ , 距離 $3$ , 下一跳路由 $R1$ ;
• 表項 $2$ : 目的網絡 Net $2$ , 距離 $4$ , 下一跳路由 $R2$ ;
• 表項 $3$ : 目的網絡 Net $3$ , 距離 $1$ , 下一跳路由 直接交付 ;

計算更新后的 $R6$ 路由器路由表 ?

計算過程 :

① 修改 RIP 報文 :

• ① 將 下一跳 地址改為 $X$ 相鄰路由器地址
• ② 將距離 加一 ;

按照上述 兩個步驟 修改 收到 $R4$ 發來的 RIP 報文 ( 路由更新信息 ) :

• 表項 $1$ : 目的網絡 Net $1$ , 距離 $4$ , 下一跳路由 $R4$ ;
• 表項 $2$ : 目的網絡 Net $2$ , 距離 $5$ , 下一跳路由 $R4$ ;
• 表項 $3$ : 目的網絡 Net $3$ , 距離 $2$ , 下一跳路由 $R4$ ;

② 更新 路由表 :

針對 "表項 $1$ : 目的網絡 Net $1$ , 距離 $4$ , 下一跳路由 $R4$ " , 原來 $R6$ 路由表中沒有 目的網絡 Net $1$ , 直接將該路由表表項插入到 $R6$ 路由表zh9ong ;

針對 "表項 $2$ : 目的網絡 Net $2$ , 距離 $5$ , 下一跳路由 $R4$" , 原來 $R6$ 路由表中 有 目的網絡 Net $2$ , 對比下一跳地址 , 原來的路由表項中下一跳地址是 $R4$ , 不管距離是否遠近 , 這說明網絡的拓撲結構發生變化 , 直接使用新的路由表項 , 替換原來的 ;
( 本步驟與距離遠近無關 , 是網絡拓撲發生的變化 )

針對 "表項 $3$ : 目的網絡 Net $3$ , 距離 $2$ , 下一跳路由 $R4$" , 原來 $R6$ 路由表中 有 目的網絡 Net $3$ , 對比下一跳地址 , 下一跳地址不同 , 那么開始對比距離遠近 , 原來的距離是 $4$ , 新的距離是 $2$ , 這里選擇距離較近的 , 即將 RIP 報文中的路由表表項更新到 $R6$ 路由器中 ;

更新后的 $R6$ 路由器表項 : ( 全都更改了一遍 )

• 表項 $1$ : 目的網絡 Net $1$ , 距離 $4$ , 下一跳路由 $R4$ ;
• 表項 $2$ : 目的網絡 Net $2$ , 距離 $5$ , 下一跳路由 $R4$ ;
• 表項 $3$ : 目的網絡 Net $3$ , 距離 $2$ , 下一跳路由 $R4$ ;

距離向量算法示例 2

某子網 有 $A,B,C,D,E,F$ 六個路由器 , 使用 距離-向量 算法 , 下面的向量 , 達到路由器 $C$ :

• 來自 $B$ 的向量為 $(5,0,8,12,6,2)$
• 來自 $D$ 的向量為 $(16,12,6,0,9,10)$
• 來自 $E$ 的向量為 $(7,6,3,9,0,4)$

$C$ 到 $B,D,E$ 的延遲分別是 $6,3,5$ , 求 $C$ 到達所有節點的最短路徑 ;

計算過程 :

$B$ 的向量為 $(5,0,8,12,6,2)$ , 即 $B$ 到 $A,B,C,D,E,F$ 六個路由器的跳數 ;
$D$ 的向量為 $(16,12,6,0,9,10)$ , 即 $D$ 到 $A,B,C,D,E,F$ 六個路由器的跳數 ;
$E$ 的向量為 $(7,6,3,9,0,4)$ , 即 $E$ 到 $A,B,C,D,E,F$ 六個路由器的跳數 ;

$C$ 到 $B$ 再到 其它路由器跳數為 $(11,6,14,18,12,8)$
$C$ 到 $D$ 再到 其它路由器跳數為 $(19,15,9,3,12,13)$
$C$ 到 $E$ 再到 其它路由器跳數為 $(12,11,8,14,5,9)$

$C$ 到 $A$ 最短 跳數 是 $11,19,12$ 中最小值 $11$ ;
$C$ 到 $B$ 最短 跳數 是 $6,15,11$ 中最小值 $6$ ;
$C$ 到 $C$ 最短 跳數 是 $0$ ;
$C$ 到 $D$ 最短 跳數 是 $8,3,14$ 中最小值 $3$ ;
$C$ 到 $E$ 最短 跳數 是 $12,12,5$ 中最小值 $5$ ;
$C$ 到 $F$ 最短 跳數 是 $8,13,9$ 中最小值 $8$ ;

$C$ 達到所有節點的路徑是 $(11,6,0,3,5,8)$

鏈路狀態路由算法

鏈路狀態路由算法 :

① HELLO 問候分組 : 路由器 通過發送 HELLO 問候分組 , 發現鄰居節點 ;

② 度量 : 設置 路由器 到 每個鄰居 的成本度量 ;

③ DD 數據庫描述分組 : 路由器 向 相鄰路由器 給出自己的 鏈路狀態數據庫 中 所有鏈路狀態 的 摘要信息 ; ( 注意不是所有信息 )

④ LSR 鏈路狀態請求分組 :

• 存在摘要對應信息 : 如果 收到的 DD 數據庫描述分組 中的摘要 , 自己都有 , 不做任何處理 ;
• 不存在摘要對應信息 : 如果 沒有 或者 有最新的 , 發送 LSR 鏈路狀態請求分組 , 請求自己 沒有 或者 有更新 的詳細信息 ; ( 這一這里是詳細信息 )

⑤ LSU 鏈路狀態更新分組 : 收到 LSR 鏈路狀態請求分組 后 , 發送 LSU 鏈路狀態更新分組 , 更新對方路由器的 鏈路狀態數據庫信息 ;

⑥ LSAck 鏈路狀態確認分組 : 收到 LSU 鏈路狀態更新分組 后 , 返回 LSAck 鏈路狀態確認分組 進行確認 ;

某個 路由器 鏈路狀態 發生變化 后的操作 :

① LSU 鏈路狀態更新分組 : 泛洪法 發送 LSU 鏈路狀態更新分組 , 更新所有路由器的 鏈路狀態數據庫 ;

② LSAck 鏈路狀態確認分組 : 路由器更新完畢后 , 回送 LSAck 鏈路狀態確認分組 ;

③ 構造最短路徑 : 每個路由器 根據自身的 鏈路狀態數據庫 , 構造本節點到其它節點的最短路徑 ;

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【计算机网络】网络层 : 总结 ( 功能 | 数据交换 | IP 数据报 | IPv4 地址 | IPv6 地址 | 路由选择协议 | 路由算法 )★★★的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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