数字通信与计算机网络技术基础

第5章 网络层 本章学习目标 了解广域网提供的两种类型的服务 了解路由选择机制，路由选择算法及拥塞控制原理 第5章 网络层 本章学习目标 了解广域网提供的两种类型的服务 了解路由选择机制，路由选择算法及拥塞控制原理 掌握IP地址的分类，IP地址与MAC地址的转换与ARP协议 掌握IP地址的申请、分配管理与子网划分，子网掩码的运用 了解IP数据报的格式与工作原理、ICMP的作用 了解IPv6的机理和工作模式

第5章 网络层 5.1 网络层所涉及的有关问题 5.2 路由选择机制 5.3 拥塞控制 5.4 INTERNET 网际协议IP 第5章 网络层 5.1 网络层所涉及的有关问题 5.2 路由选择机制 5.3 拥塞控制 5.4 INTERNET 网际协议IP *5.5 下一代网际协议IPv6 退出

5.1 网络层所涉及的有关问题 5.1.1 广域网的概念 5.1.2 网络层提供的服务

5.1.1 广域网的概念 网络层是广域网涉及的概念。一般来说，物理层、数据链路层与网络层大部分可以由硬件来实现，而高层基本上是通过软件来实现的。假设应用进程A要与应用进程B交换数据。进程A与进程B分别处于计算机A与计算机B的本地系统环境中，即处于OSI环境之外。 它们进行通信的过程如下图所示：

5.1.2 网络层提供的服务 网络层向上所提供的服务可以有两大类： （1）无连接的网络服务—数据报服务； 5.1.2 网络层提供的服务 网络层向上所提供的服务可以有两大类： （1）无连接的网络服务—数据报服务； （2）面向连接的网络服务—虚电路服务。 数据报服务（Datagram）：特点是:主机只要想发送数据就随时可发送，每个分组独立地选择路由。 虚电路服务（Virtual circuit）：通信前主机要先发起一个虚呼叫（Virtual Call），即发送一个特定格式的呼叫分组到目的主机，要求进行通信，同时寻找一条合适的路由。

数据报和虚的电路比较 项目 数据报 虚电路 建立连接 不需要 需要 寻址方式 每个分组都有源端和目的端的全地址 在连接建立阶段使用目的端地址，分组使用短的虚电路号 路由选择 每个分组独立选择路由 在虚电路建立好时进行，所有分组均按同一路由 结点失败的影响 出故障的路由器可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化 所有经过出故障的路由器的虚电 路均不能工作 分组的顺序 不一定按发送顺序到达目的站 总是按发送顺序到达目的站 端到端的差错处理 由主机负责 由通信子网负责 端到端的流量控制 拥塞控制 难 如果有足够的缓冲区分配给已经建立的每一条虚电路，则容易控制

5. 5.2 路由选择机制 5.2.1 结点交换机中的路由表 5.2.2 路由选择的一般原理

5.2.1 结点交换机中的路由表 广域网在给接入到网络的每一台计算机进行编址时，采用“层次结构的编址方案”。 5.2.1 结点交换机中的路由表 广域网在给接入到网络的每一台计算机进行编址时，采用“层次结构的编址方案”。 最简单的层次编址方案就是把一个地址分成前后两部分。前一部分表示分组交换机，后一部分表示连接在分组交换机上的计算机。结点交换机的一个重要作用就是提供一个路由表，供转发分组时使用。路由表中没有源站地址。在专门研究广域网的路由问题时，可用图论中的“图”来表示整个广域网。用结点表示广域网上的结点交换机，用结点之间的连线表示广域网中的链路。在路由表中默认路由的目的站记为符号“*”。

5.2.2 路由选择的一般原理 理想的路由算法 ： 理想的路由算法应具备的条件： 算法必须是正确的和完整的。 算法在计算上应简单。 5.2.2 路由选择的一般原理 理想的路由算法 ： 理想的路由算法应具备的条件： 算法必须是正确的和完整的。 算法在计算上应简单。 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化。 算法应具有稳定性。 算法应是公平的。 算法应是最佳的。 2. 路由算法的分类 从路由算法能否随网络的通信量或拓扑自适应的进行调整变化来划分，分为：非自适应路由选择策略和自适应路由选择策略。

（1）非自适应路由选择 固定路由算法 分散通信量法 洪泛法 随机走动法 （２）自适应路由选择 分布式路由选择策略 集中式路由选择策略 混合式路由选择策略

5.3 拥塞控制 5.3.1 拥塞控制的概念 5.3.2 拥塞控制的基本原理 5.3.3 拥塞预防策略

5.3.1 拥塞控制的概念 当（一部分）通信子网中有太多的分组时，其性能降低。这种情况叫做拥塞。造成拥塞有若干因素。如果突然之间，分组流同时从3个或4个输入线到达，并且要求输出到同一线路，就将建立起队列。如果没有足够的空间来保存这些分组，有些分组就会丢失。处理器速度慢也能导致拥塞。拥塞会导致恶性循环。如果路由器没有空余缓冲区，它必须丢掉新到来的分组。拥塞控制和流量控制既有联系又有差异

5.3.2 拥塞控制的基本原理 所有解决方案被分为两类:一类是开环，一类是闭环。开环控制工具的功能包括决定何时接受新的通信，何时丢弃分组，以及丢弃哪些分组，还包括在网络的不同点作计划表。所有这些的共同之处在于，它们在做出决定时并不考虑当前网络的状况。 与之相比较，闭环的解决方案是建立在反馈环路的概念之上的。当用于拥塞控制时，这种方法有3个部分： l         监视系统，检测何时何地发生了拥塞。 l         将此信息传送到可能采取行动的地方。 调整系统操作以更正问题。

5.3.3 拥塞预防策略 层 次 策 略 传输层 • 重发策略 • 乱序缓存策略 • 确认策略 • 流量控制策略 • 超时终止 网络层 5.3.3 拥塞预防策略 层 次 策 略 传输层   • 重发策略 • 乱序缓存策略 • 确认策略 • 流量控制策略 • 超时终止 网络层 • 子网内的虚电路与数据报 • 分组排队和服务策略 • 分组丢弃策略 • 路由选择算法 • 分组生命期管理 数据链路层

5.4 INTERNET 网际协议IP 5.4.1 TCP/IP参考模型及协议栈 5.4.2 IP地址及其转换 * 5.4.5 ICMP简介 退出

5.4.1 TCP/IP模型及协议栈 TCP/IP体系结构与协议栈之间的关系：

5.4.2 IP地址及其转换 IP地址及其表示方法 IP地址是一个32bit的二进制数，采用点分十进制记法，例如：130.9.44.192。实际上IP地址的结构并不是分为四个部分，而是两部分，一部分为网络号：net-id，另一部分为主机号：host-id。每一部分所占的二进制位数按IP地址的类别不同而有所不同。常用的有A、B、C三类地址。网络号字段net-id：A类、B类和C类地址的网络号字段分别为1，2和3字节长。主机号字段host-id：A类、B类和C类地址的主机号字段分别为3，2和1字节长。

IP地址的转换 在网络层使用IP地址，但真正标志主机地址的是机器的物理地址，又称为MAC地址。MAC地址是集成在网卡上的，所以又叫做硬件地址。MAC地址是一个6字节（48bit）二进制数，采用16进制表示法，例如：09 E0 AC 00 9B 0D。从IP地址到物理地址的转换是由地址解析协议ARP来完成主机A就自动运行ARP，按以下步骤找出主机B的物理地址。 （1）ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组，上面有主机B的IP地址； （2）在本局域网上的所有主机上运行的ARP进程都收到此ARP请求分组； （3）主机B在ARP请求分组中见到自己的IP地址，就向主机A发送一个ARP响应分组，写入自已的物理地址； （4）主机A收到主机B的ARP响应分组后，就在其ARP高速缓存中写人主机B的IP地址到物理地址的映射。

RARP的工作过程大致如下： 为了使RARP能工作，在局域网上至少有一个主机要充当RARP服务器，无盘工作站先向局域网发出RARP请求分组（在格式上与ARP请求分组相似），并在此分组中给出自己的物理地址。 RARP服务器有一个事先做好的从无盘工作站的物理地址到IP地址的映射表，当收到RARP请求分组后。RARP服务器就从这映射表查出该无盘工作站的IP地址。然后写入RARP响应分组，发回给无盘工作站。无盘工作站用此方法获得自己的IP地址。

5.4.3 IP地址的分配与管理 IP地址的申请与管理 IP地址由Internet网络信息中心NIC（Network Information Center）来管理，NIC管理的是IP地址中的net-id字段，而host-id部分则由获得了地址的机构来管理。 2. 子网划分 子网的划分纯属本单位内部的事，在本单位以外是看不见这样划分的。子网划分是靠子网掩码 （subnet mask） 来实现的。例如： IP地址：130.10.4.1 子网掩码：255.255.252.0

3. 动态IP地址 在IP地址资源较少，网络中的设备较多的情况下，无法给每一个设备分配一个固定的IP地址。此时可采用动态IP地址技术。 动态IP地址技术是指：在网络上设置有动态IP地址分配服务器，将若干IP地址配置在服务器上。当某台主机登录到网络上的时候，动态IP地址分配服务器查看当前是否有剩余的IP地址，如果有便分配给该主机，此时该主机便将所获得的IP地址作为自己的IP地址去构成数据报进行通信。当该主机退出网络时，便释放掉此IP地址，动态IP地址分配服务器将其收回，以便分配给其他登录到网络上的设备。

5.4.4 格式与工作原理 4 8 16 31 版本 首部长度 服务类型 总长度 标 识 标志 片移量 寿命 协议 首部检验和 源端IP地址 5.4.4 格式与工作原理 4 8 16 31 版本 首部长度 服务类型 总长度 标 识 标志 片移量 寿命 协议 首部检验和 源端IP地址 目的端IP地址 长度可变的任选字段 填充 数 据 …

* 5.4.5 ICMP简介 报文格式：

下面介绍几个常用的ICMP询问报文。 l    ICMP Echo请求报文：是由主机或路由器向一个特定的目的主机发出的询问。 l    ICMP时间戳请求报文：是请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。 l    ICMP地址掩码请求报文：可使主机向子网掩码服务器得到某个接口的地址掩码。

*5.5 下一代网际协议IPv6 5.5.1 概述 5.5.2 IPv6基本格式 5.5.3 IPv6的地址空间 5.5.1 概述 5.5.2 IPv6基本格式 5.5.3 IPv6的地址空间 5.5.4 IPv6扩展首部介绍

* 5.4.5 ICMP简介 尽管IPv4的设计是健全的，但地址空间耗尽是IPv4最主要的问题之一。IETF所建议的IPv6协议保持了IPv4所赖以成功的许多特点。事实上，IPv6基本上与IPv4类似，只是做了一点修改。例如，IPv6还支持无连接的传递 （即，允许每个数据报独立地进行路由选择）；允许发送方选择数据报的大小，要求发送方指明数据报在到达终点前的最大跳数（Maximum hops）。我们将会看到，IPv6保持了IPv4选项的大多数概念。IPv6还改变了许多协议的细节。

IPv6所引进的变化可以分成五类：  更大的地址空间：新的地址大小是IPv6最显著的变化。它把IPv4的32比特地址增大到了128比特。 灵活的首部格式：IPv6使用一种全新的、不兼容的数据报格式。在IPv4中使用了固定格式的数据报首部，在该首部中，除选项外，所有的字段都在一个固定的偏移位置上占用固定数量的字节数，而IPv6与此不同，它使用了一组可选的首部。 增强的选项：同IPv4一样，IPv6允许数据报包含可选的控制信息。IPv6还包含了IPv4所不具备的新的选项，可以提供新的设施。 支持资源分配：允许对网络资源的预分配 。 对协议扩展的保障：最重大的变化是协议允许新增特性。

5.5.2 IPv6基本格式

5.5.3 IPv6的地址空间 目的地址可以是以下三种基本类型之一： 单播（unicast）：就是传统的点对点通信。 多播（multicast）：是一点对多点的通信 。 任播（anycast）：目的站是一组计算机，但数据报在交付时只交付给其中的一个，通常是距离最近的一个。 IPv6标准将实现IPv6的主机和路由器均称为结点，并将IPv6地址分配给结点上面的接口。一个接口可以有多个单播地址。一个结点接口的单播地址可用来唯一地标识该结点。 在IPv6中，每个地址占128 bit，地址空间大于3.4x1038。

IPv6使用冒号十六进制记法 （colon hexadecimal notation），它把每个16 位的二进制量用十六进制值表示，各量之间用冒号分隔。例如： 6C6E：8C0B：0000：FFFF：0000：1D80：096A：FFFF 冒号十六进制记法还包含两个技术使它尤其有用。首先，冒号十六进制记法可以允许零压缩（zero compression），即一连串连续的零可以由一对冒号所取代。其次，冒号十六进制记法可结合有点分十进制记法的后缀。 推广使用IPv6的一个重要问题就是要和IPv4兼容。现在采用的方法是将32位的IPv4地址嵌入到IPv6地址中的低32位。

5.5.4 IPv6扩展首部介绍 IPv6的扩展首部的模式与IPv4的任选项相似。扩展首部提供了最大限度的灵活性。概括来说就是： l    IPv6的扩展首部的模式与IPv4的任选项相似。 每个数据报包含的扩展首部只提供那些它所要使用的设施。 每个基本首部和扩展首部都包含一个next header字段。每个中间的路由器以及最终目的站上的软件需要对数据报进行处理，它们必须使用next header 字段中的值以便对数据报进行分析。为了从IPv6数据报中提取所有首部信息，要求通过各个首部进行顺序查找。例如，图5-26展示了三个数据报的next header字段，它们分别包含0，l，2个扩展首部。

下面我们介绍几种扩展首部及其功能。 1.逐跳选项扩展首部 2.路由选择扩展首部 分片扩展首部