网络层服务

从源主机向接收主机发送数据段，发送主机需要将数据段封装到数据报（datagram），接收主机需要向传输层交付数据段。网络层协议不是端到端，在每一个主机、路由器设备都需要网络层协议，完成网络层功能。中间的路由器需要提取网络层数据报，决策如何转发。

网络层的核心功能——转发和路由。

转发（forwarding）：将分组从路由器的输出端口转移到合适的输出端口。每个路由器需要维护转发表，决定如何转发。

路由（routing）：确定分组从源到目的地经过的路径。由路由算法确定。

连接建立：某些网络需要。数据分组传输之前在两端主机建立虚拟/逻辑连接，路径上的每一个设备都参与连接的建立（与传输层协议不同）。

传输层连接与网络层连接的不同：网络层连接为两个主机之间（路径上的每个路由器等设备都需要参与），传输层连接为两个应用进程之间的连接，对中间网络设备透明。

网络层服务模型：best effort（Internet），CBR，VBR，ABR，UBR，对带宽、丢失、顺序、时序、拥塞控制等提供的保障不同

无连接服务：不事先为系列分组确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，同一个源发出的分组可能有不同的传输路径，如数据报网络（datagram）

连接服务：事先为系列分组确定源到目的的路径，后续分组都按该路径传输，系列分组的传输路径相同，传输顺序可以得到保障，传输结束后拆除连接，如虚电路网络（virtual-circuit）

虚电路网络

虚电路：一条从源主机到目的主机类似于电路的路径（逻辑连接），使用分组交换，每个分组利用链路的全部带宽

通信过程：呼叫建立-数据传输-拆除呼叫

每个分组携带虚电路标识（VCID），而不是目的主机地址

虚电路经过的每个网络层设备都需要维护虚电路的连接状态

可以保障某些性能，如带宽分配

每条虚电路包括：

  • 从源主机到目的主机的一条路径
  • 虚电路号（VCID），链路带宽越大，允许的虚电路遇到，虚电路号可以越大，因此难以保障全局统一，所以使用局部管理。同一条虚电路，在每段链路上的VCID通常不同
  • 沿路的每个网络层设备，需要利用转发表记录经过的每条虚电路，同时进行VCID的替换

虚电路信令协议（signaling protocol）

  • 用于VC的建立、维护、拆除、路径选择
  • 应用于虚电路网络
  • Internet不采用

数据报网络

网络层无连接，每个分组需要携带目的地址，路由器根据目的地址转发分组（转发表），每个分组独立选择路径

转发表并不是针对某一个具体的目的地址，而是针对一系列的地址范围，将地址聚合

地址与路由表中多个范围匹配时，选择前缀更长（地址更具体）的

数据报网络一般用于弹性服务，对时间没有严格的要求，可能经过不同的链路，难以统一服务，端系统为计算机，可以自适应、性能控制、差错恢复，简化网络，复杂边缘

VC网络从电话网络演化而来，核心业务是实时对话，有严格的时间、可靠性要求，端系统非智能，简化边缘，复杂网络

IPv4协议

Internet网络层

路由协议：RIP、OSPF、BGP

路由表

IP协议：寻址规约、数据报格式、分组处理规约

ICMP协议：差错报告、路由器信令

IP数据报

IP数据报：首部+数据（TCP、UDP段）

版本号：IP协议的版本号，4bit

首部长度：4bit，以4字节为单位

服务类型（TOS）：8bit，指示期望获得的服务，后来改名为区分服务，只有在网络提供区分服务时才有用，一般情况下不使用

总长度：16bit，以字节为单位，包括头部和数据

标识、标志位、片偏移：与分片有关

生存时间（TTL）：8bit，标识IP分组在网络中可以通过的路由器数，路由器每转发一次分组，TTL减一，如果TTL等于0，路由器会丢弃分组

协议：8bit，指示IP分组封装的是哪个协议的数据包，实现复用/分解

首部校验和：16bit，差错检测，计算时该字段全置0

源IP地址：32bit

目的IP地址：32bit

选项字段，填充（符合32位对齐）

IP数据报分片

最大传输单元（MTU）：链路层数据帧可封装数据的上限，不同链路的MTU不同

大IP分组向较小的MTU链路转发时，可以分片（如果允许），目的主机进行重组（只分不装）

标识字段：16bit，IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1

标志位：3bit，未定义比特，DF（don’t fragment），MF（more fragment）

片偏移：13bit，相对偏移量，8字节为单位

假设原IP分组总长度为L，MTU为M，DF=0，L>M

分片时每个分片的标识取原IP分组的标识，除最后一个分片，一般其他分片均取MTU允许的最大分片

IP编址

源地址

目的地址

接口：主机/路由器与物理链路的连接，实现网络层功能，路由器通常有多个网络接口，主机通常有一个或两个接口（以太网、WiFi），IPv4协议使用32bit对接口编号

IP地址的高位比特称为网络号（NetID），低位比特称为主机号（HostID），具有相同网络号的一组接口称为IP子网，描述一个区域的网络，一般不跨越路由器设备，可以彼此物理联通

有类IP地址

  • A类地址：最高位为0，前8位为网络号，0.0.0.0-127.255.255.255
  • B类地址：最高位为1，次高位为0，前16位为网络号，128.0.0.0-191.255.255.255
  • C类地址：第三位为0，前24位为网络号，192.0.0.0-223.255.255.255
  • D类地址，第四位为0，不区分网络号和主机号
  • E类地址，剩余，不区分

特殊地址：

  • 0.0.0.0：在本网范围内表示本机，只能用于源地址

  • 网络号全0，主机号特定值：表示本网范围内某个特定主机，只能用于目的地址

  • 255.255.255.255：本网广播地址（路由器不转发），作为目的地址

  • 网络号为特定值，主机号全0：网络地址，表示一个网络

  • 网络号为特定值，主机号全1：直接广播地址，对特定网络的所有主机广播，只能作为目的地址

  • 网络号为127，主机号不是全0也不是全1：用于本地软件的环回测试

私有地址：

  • A类网络，网络号为10
  • B类网络，172.16-172.31
  • C类网络，192.168.0-192.168.255

在所有私有网络内都可以使用

IP子网划分

有类IP地址的划分存在不灵活的情况，需要对大的网络进行进一步的划分

将之前的IP地址中的主机号划分为子网号和主机号，不同子网通过路由器连接

子网掩码

IP地址与子网掩码按位与，得到子网地址