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网络层主要为应用层提供端对端的数据传输服务 网络层接受运输层的报文段#xff0c;添加自己的首部#xff0c;形成网络层分组。分组是网络层的传输单元。网络层分组在各个站点的网络层之间传输#xff0c;最终到达接收方的网络层。接收方网络层将运…一、网络层的服务和功能
网络层主要为应用层提供端对端的数据传输服务 网络层接受运输层的报文段添加自己的首部形成网络层分组。分组是网络层的传输单元。网络层分组在各个站点的网络层之间传输最终到达接收方的网络层。接收方网络层将运输层报文段上传给本地运输层。 二、IPInternet Protocol协议
2.1、定义 IP协议是TCP/IP体系网络层的主要协议为上层的TCP、UDP协议提供服务在TCP/IP体系的网络层中除了IP协议还有ICMP、IGMP协议。它负责将数据包从源主机传输到目标主机是整个互联网通信的基础。 IP协议是TCP/IP协议体系的核心协议通过IP协议可以连接各种不同的网络使整个Internet统一为一个巨大的IP网络。 2.2、特点 无连接性IP协议是一种无连接的协议即在发送数据之前不需要建立连接。每个数据包都是独立发送的没有建立持久的连接。不可靠性IP协议不提供数据包的可靠传输。当数据包在传输过程中丢失、损坏或重复时IP协议没有机制来修复或重新传输这些数据包。分组交换IP协议使用分组交换的方式传输数据。数据被分成较小的数据包每个数据包都带有源地址和目标地址。网络独立性IP协议可以在不同类型的网络上运行包括以太网、无线网络等。它允许不同类型的设备可以互相通信。简单性IP协议被设计为简单的协议只提供了数据包的路由功能不提供数据的校验、确认等功能。封装性IP协议使用分层的封装方式来传输数据。它将应用层的数据进行封装然后添加IP头部信息形成一个IP数据包。弹性和可扩展性IP协议是一种弹性和可扩展的协议可以适应不同的网络环境和需求。 2.3、IP地址
2.3.1、概念 IP地址是一个32比特4字节的二进制数字采用点分十进制。如下图 2.3.2、特点 IP地址是一个逻辑地址与具体的网络技术和硬件无关可以人为设定或通过DHCP服务器动态获取。IP地址需要分配给网络接口与网络接口相关联一个接口一个IP地址。每个IP地址分为两部分网络号和主机号。网络号代表主机或路由器所处的物理网络主机号代表所处物理网络中的编号。同一个物理网络中的IP地址它们的网络号相同主机号不同。 2.3.2、分类
...、五类IP地址 A类网络网络位占8个比特第一位固定为0所以最小的网络号为00000 0000最大的网络号为1270111 1111。B类网络网络位占16个比特前两位固定为10。C类网络网络位占24个比特前三位固定为110。D类网络以224~239之间的数字开头作为组播地址预留。因特网上A、B、C类网络都是单播地址D类网络为组播地址常用于电话会议或视频会议等。E类网络以240~254之间的数字开头作为保留地址。 注D、E类网络都不会用来分配给主机或路由器。 ...、特殊IP地址
全0和全1地址
全0和全1地址有特殊含义不分配给主机和路由器。如下图 环回地址
网络号为127的地址作为环回地址保留作为本地软件测试不分配。最常用的环回地址为127.0.0.1代表本机即无论网络接口分配的IP地址是多少127.0.0.1总是代表主机或路由器本身。 私有IP地址
私有IP地址Private IP Addresses是专门为内部网络使用的IP地址范围。这些地址在公共互联网上不可路由意味着它们不会与全球范围内的其他网络上的IP地址冲突。私有IP地址主要用于企业、组织或家庭网络中的设备如计算机、打印机、路由器等。
以下是三个主要的私有IP地址范围 10.0.0.0/8此范围包括从10.0.0.0到10.255.255.255的所有IP地址。172.16.0.0/12此范围包括从172.16.0.0到172.31.255.255的所有IP地址。不过有时这个范围会被细分为更小的子网例如172.16.0.0/16, 172.17.0.0/16等。192.168.0.0/16此范围包括从192.168.0.0到192.168.255.255的所有IP地址。这个范围是家庭和小型办公室网络中最常见的。 当内部网络中的设备需要访问公共互联网时通常会使用网络地址转换NAT技术。NAT允许私有IP地址与公共IP地址之间进行映射这样内部网络中的设备就可以通过公共IP地址与外部网络进行通信同时保持其私有IP地址的隐私性。 2.4、IP子网
2.4.1、定义
子网Subnet或子网络是指在一个更大的网络中划分出来的较小的、相对独立的网络单元。子网允许将一个给定的网络分为若干个更小的部分这些更小的部分被称为子网。 2.4.2、作用
2.4.2.1、充分利用IP地址
IP地址由网络号和主机号组成但并非所有的网络号和主机号都会被使用尤其在大型网络中。子网划分可以把一个大的网络地址分配给更多较小的网络更有效地使用IP地址空间。
2.4.2.2、限定广播的传播
子网划分将原有的同处于同一个网段上的主机分成了不同的网段或子网同时也将原来的一个广播域划分成了若干个较小的广播域。广播数据包只能在它特定的广播域中传播减少广播风暴对网络的影响。
2.4.2.3、更安全的管理网络
网络中处于同一个子网内的主机才能直接互通不同子网之间不能直接通信但可通过路由器或网关进行。这种划分方式增加了网络的安全性尤其对于人事、财务等敏感性部门。 2.4.3、子网掩码 不能单独存在必须结合IP地址一起使用。作用区分IP地址中的 网络地址 和 主机地址 。32位的子网掩码由前面连续的若干个1和后面连续的0组成1的个数就是对应IP地址网络前缀的长度。 IP地址和子网掩码 按位与 操作得到地址对应的网络地址。 1 ? ? , 0 ? 0 2.4.4、子网划分
2.4.4.1、固定长度子网划分
每个子网包含相同数量的主机地址适用于小型网络或对IP地址规划要求不太复杂的场景。
特点子网大小固定简化管理。 示例 有一个C类IP地址如192.168.1.0/24并且你希望将其划分为4个子网每个子网包含62台主机减去网络地址和广播地址可以使用/26的子网掩码255.255.255.192。使用/26的子网掩码你可以将192.168.1.0/24网络划分为以下四个子网 子网1192.168.1.0/26地址范围192.168.1.1-192.168.1.62子网2192.168.1.64/26地址范围192.168.1.65-192.168.1.126子网3192.168.1.128/26地址范围192.168.1.129-192.168.1.190子网4192.168.1.192/26地址范围192.168.1.193-192.168.1.254 2.4.4.2、可变长度子网划分VLSM
允许每个子网包含不同数量的主机地址更适用于大型网络。
特点子网大小不固定更高效的地址利用。 示例 假设一个组织拥有一个C类IP地址段192.168.1.0/24并希望将其划分为以下子网 子网1需要50台主机子网2需要100台主机子网3需要20台主机 可以使用VLSM进行如下划分 子网1使用/25的子网掩码255.255.255.128子网地址为192.168.1.0/25可分配主机地址为192.168.1.1-192.168.1.126。子网2同样使用/25的子网掩码子网地址为192.168.1.128/25可分配主机地址为192.168.1.129-192.168.1.254。子网3由于只需要20台主机可以使用更长的子网掩码来节省IP地址。这里可以使用/27的子网掩码255.255.255.224子网地址为192.168.1.192/27可分配主机地址为192.168.1.193-192.168.1.222。 2.5、无分类编址CIDR
2.5.1、定义
无分类编址CIDR这是一种IP地址分配方案它消除了传统的IP地址分类A类、B类、C类的概念并通过使用可变长度的子网掩码VLSM来定义网络地址和主机地址的边界。 2.5.2、特点 灵活性CIDR允许根据实际需求分配不同大小的IP地址块从而提高了IP地址的利用率。可扩展性由于CIDR不再受限于固定的IP地址分类因此它可以更好地适应网络规模的扩展。简化路由CIDR使用路由聚合技术将多个小的IP地址块合并为一个大的IP地址块从而减少了路由器中的路由表项提高了路由效率。 2.5.3、工作原理 子网掩码CIDR使用可变长度的子网掩码VLSM来定义网络地址和主机地址的边界。子网掩码的长度决定了网络地址部分和主机地址部分的位数。前缀表示法CIDR使用前缀表示法来表示IP地址和子网掩码。例如/24表示子网掩码为255.255.255.0/16表示子网掩码为255.255.0.0。地址块计算通过指定前缀长度可以计算出子网内的可用IP地址数量。例如/24表示的子网有256个IP地址包括网络地址和广播地址其中254个可用于主机。 2.5.4、应用 网络设计CIDR在网络设计中被广泛应用用于规划和分配IP地址空间。通过CIDR可以更容易地实现网络的层次化设计和路由聚合。IP地址分配服务提供商ISP使用CIDR来分配IP地址给其客户。由于CIDR的灵活性ISP可以根据客户的需求分配适当大小的IP地址块。 2.5.5、示例 假设一个ISP拥有一个C类IP地址段192.168.1.0/24并希望将其划分为两个子网每个子网包含128个主机地址。使用CIDRISP可以将该地址段划分为两个/25的子网 子网1192.168.1.0/25地址范围192.168.1.1-192.168.1.126子网2192.168.1.128/25地址范围192.168.1.129-192.168.1.254 2.6、IP数据报
2.6.1、组成 IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度共20字节是所有IP数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段其长度是可变的。 2.6.2、首部字段 版本号Version占4比特表示IP协议的版本。接收方会首先检查这个字段如果不支持其中声明的版本就会拒绝该数据报。广泛使用的版本号为4即IPv4该字段值为0100。首部长度Header Length占4比特表示IP数据报首部的长度最大十进制数值是15单位为32位字长即4字节。因此当首部长度为15时首部长度就达到60字节。区分服务Type of Service, TOS占8比特用于获取更好的服务但在实际中较少使用多数为全0。总长度Total Length指首部和数据之和的长度单位为字节。总长度字段为16比特因此数据报的最大长度为2^16-165535字节。但实际上很少有超过1500字节的IP数据报。标识Identification占16比特用于标识一个数据报。当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片时这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。标志Flags占3比特包含以下标志位最低位是MFMore Fragments用于指示是否还有后续的分片。中间位是DFDont Fragment用于指示路由器是否可以对数据报进行分片。最高位保留必须为0。片偏移Fragment Offset占13比特当数据报被分片时此字段表示该片在原始数据报中的相对位置以8字节为单位。生存时间Time to Live, TTL占8比特用于限制数据报在因特网上的生存时间防止数据报在网络中无限循环。每经过一个路由器TTL值减1当TTL值为0时数据报将被丢弃。协议Protocol占8比特用于指示数据报所携带的数据所使用的协议如TCP、UDP、ICMP等。首部校验和Header Checksum占16比特用于校验IP数据报首部的完整性。源地址Source Address占32比特4字节表示发送数据报的设备的IP地址。目的地址Destination Address占32比特4字节表示接收数据报的设备的IP地址。选项Options可变长度用于携带额外的控制信息。在标准IPv4中选项字段很少使用但在某些特殊情况下如源路由可能会被用到。数据Data包含IP数据报的有效载荷即上层协议如TCP、UDP的数据。 2.6.3、特点 无连接IP协议不维护网络单元即路由器中数据报相关的任何链接状态信息。不可靠IP协议不保证数据能准确地到达接收端只是尽自己最大努力传送。无状态通信双方不同步传输数据的状态信息发送、传输、接收都是相互独立的、没有上下文关系的。 2.6.4、作用
IP数据报可以携带各种类型的信息如文本、音频和视频等实现互联网上的连接功能。
它对数据包传输进行监测和确认有助于保证数据传输的完整性和可靠性。
IP数据报还可以用于管理和监测网络性能以及网络安全方面的追踪和防御。 2.6.5、IPv4与IPv6的区别
IPv4数据报头部大小为20字节固定部分除非存在选项少见。
IPv6数据报头部长度固定为40字节不存在选项但可以有扩展头部。 2.6.6、应用
所有TCP、UDP、ICMP和IGMP数据都通过IP数据报传输。
IP数据报提供了一种尽力而为、无连接的数据报交付服务。 三、路由协议
3.1、定义 路由协议Routing Protocol是一种在路由器之间共享路由信息以支持可路由协议的机制。它通过创建路由表来描述网络拓扑结构并与路由器协同工作执行路由选择和数据包转发功能。 3.2、作用
路由协议的主要作用包括 寻找最佳路径路由协议通过建立和更新路由表寻找到达目标节点的最佳路径。它考虑了各种因素如距离、带宽、拥塞状况等以确保数据包能够快速、可靠地传输。转发数据包根据路由表信息路由协议将数据包从源节点转发到目标节点。它负责选择适当的路径并在网络中的各个节点上进行转发操作以确保数据包按照正确的路径到达目标。 3.3、分类
路由协议可以根据不同的标准进行分类包括 根据作用范围 内部网关协议IGP在一个自治系统AS内部运行常见的IGP协议包括RIP、OSPF和IS-IS。外部网关协议EGP运行于不同自治系统之间BGP是目前最常用的EGP。根据使用算法 距离矢量Distance-Vector协议包括RIP和BGPBGP也被称为路径矢量协议。链路状态Link-State协议包括OSPF和IS-IS。根据目的地址类型 单播路由协议包括RIP、OSPF、BGP和IS-IS等。组播路由协议包括PIM-SM、PIM-DM等。根据IP协议版本 IPv4路由协议包括RIP、OSPF、BGP和IS-IS等。IPv6路由协议包括RIPng、OSPFv3、IPv6BGP和IPv6IS-IS等。 3.4、路由表 路由表是计算机网络中的一个关键组件特别是在互联网协议IP网络中。它用于决定数据包从源地址到目的地址的最佳路径。简单来说路由表就是路由器用来选择数据包传输路径的决策表。通过路由表才能精确定位网络传输信息。 路由表的基本信息和重点 目的网络/子网这是路由表中最关键的一列它表示了数据包的目标IP地址或子网。路由器会检查数据包的目的IP地址并在路由表中查找匹配项。子网掩码子网掩码用于确定目的IP地址的网络部分。路由器将目的IP地址与子网掩码进行逻辑与操作然后与路由表中的网络部分进行比较。下一跳地址这是数据包应该发送到的下一个路由器的IP地址。在某些情况下下一跳可能是直接连接的设备如主机但在大多数情况下它是另一个路由器。输出接口这是数据包应该离开路由器的物理或逻辑接口。它可以是特定的以太网端口、Wi-Fi接入点或其他任何网络接口。度量值或称为“成本”或“距离”这是一个可选字段用于表示到达目的网络的成本或距离。路由器可以使用这个字段来选择最佳路径例如使用最短路径优先算法。管理距离这也是一个可选字段用于确定路由来源的可信度。不同的路由协议如RIP、OSPF、BGP等有不同的管理距离值。当路由器有多个可用的路由时它将选择具有最低管理距离的路由。路由类型这表示路由是如何被学习或发现的。路由可以是静态的手动配置的或动态的通过路由协议自动学习的。 3.5、路由类型
3.5.1、静态路由
3.5.1.1、定义 路由表可以手动配置。 当网络管理员配置了路由器接口的IP地址、子网掩码启动接口后路由表中就会出现直连网络的路由。 网络管理员还可以手动配置到达其他网络的路由创建路由表项。这样的网络就是静态路由。配置静态路由要求管理员对网络拓扑结构和网络状态有清晰的了解并且当网络变化时要手动配置。 3.5.1.2、特点 手动配置静态路由需要网络管理员根据实际网络拓扑结构和需求进行手动配置。管理员需要指定目标网络的IP地址、子网掩码、下一跳地址如果有的话以及数据包离开路由器的接口。路由路径相对固定由于静态路由是手动配置的因此每个配置的静态路由在本地路由器上的路径基本上是不变的除非管理员自己修改。永久存在一旦静态路由被配置它会永久地存在于路由表中除非管理员手动删除或相关接口关闭、下一跳IP地址不可达。不可通告性静态路由信息在默认情况下是私有的不会向其他路由器通告。但管理员可以通过其他手段如重发布静态路由来使其他路由器获知这些信息。单向性静态路由只提供单向的路由信息即只指定了数据包从当前路由器到达目标网络的路径。为了实现双向通信需要在相关路由器上配置回程静态路由。接力性如果某条静态路由需要经过多个路由器跳数大于1则必须在每个中间路由器上配置到达相同目标网络或节点的静态路由。 3.5.1.3、适用范围 静态路由适用于中小型网络尤其是网络拓扑结构相对固定、不需要频繁变动的场景。它的优点包括配置简单、网络安全保密性高因为不需要路由器之间频繁交换路由信息、不占用网络带宽因为不会产生更新流量。然而在大型和复杂的网络环境中静态路由可能难以适应网络拓扑结构和链路状态的变化需要大范围地调整路由信息因此不太适用。 3.5.2、动态路由
3.5.2.1、定义 路由器之间可以通过路由协议自主学习来获得的路由信息这样的路由被称为动态路由。使用路由协议动态构建路由表不需要人工参与并能自动适应网络状态的变化更新路由表大型网络或状态变化频繁的网络通常会采用动态路由协议。 3.5.2.2、特点 自动计算与调整动态路由允许路由器之间通过交换路由信息来自动计算路由并根据网络状态的变化实时调整路由表。这种机制使得路由器能够自动适应网络拓扑结构的变化无需人工干预。基于路由协议动态路由的实现依赖于特定的路由协议如RIP、OSPF、IS-IS、BGP等。这些协议定义了路由器之间如何交换路由信息以及如何计算路由。占用网络带宽由于动态路由需要路由器之间频繁地交换路由信息因此会占用一定的网络带宽。但是这种占用通常是可接受的因为动态路由能够带来更高的网络灵活性和可用性。灵活性高动态路由能够自动适应网络状态的变化因此具有很高的灵活性。当网络拓扑结构发生变化时动态路由能够迅速调整路由表确保数据包的正常传输。 3.5.2.3、原理 路由信息交换路由器之间通过特定的路由协议交换路由信息包括目标网络的IP地址、子网掩码、下一跳地址等。这些信息被用于计算路由表。路由表计算路由器根据收集到的路由信息使用特定的路由算法如距离向量算法、链路状态算法等计算路由表。这些算法会考虑多个因素如路径长度、带宽、延迟等以确定最佳路径。路由表更新当网络状态发生变化时如链路故障、路由器宕机等路由器会重新计算路由表并更新相应的路由信息。这种更新过程是自动的无需人工干预。 3.5.2.4、优缺点 优点 自动适应网络状态变化无需人工干预。能够迅速响应网络拓扑结构的变化确保数据包的正常传输。提高了网络的灵活性和可用性。 缺点 需要占用一定的网络带宽来交换路由信息。在某些情况下可能会产生路由环路等问题需要采取相应的措施来解决。 3.5.2.5、常见的动态路由协议 RIP路由信息协议基于距离向量的路由协议实现简单开销较小。但是它只支持小型网络并且存在路由环路的风险。RIP配置博客链接OSPF开放式最短路径优先基于链路状态的路由协议适用于大型网络。它使用Dijkstra算法来计算最短路径并且具有较高的收敛速度。BGP边界网关协议用于在自治系统之间交换路由信息的协议。它是唯一一个用来处理像因特网大小的网络的协议。
