网络层服务
从发送主机向接收主机传送数据段（segment ）
发送主机：将数据段封装到数据报（datagram ）中
接收主机：向传输层交付数据段（segment ）
每个主机和路由器都运行网络层协议
路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域
- 决策如何处理IP数据报
网络层核心功能-转发与路由
转发:将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口
路由:确定分组从源到目的经过的路径
路由算法(协议)确定通过网络的端到端路径
转发表确定在本路由器如何转发分组
网络层核心功能-连接建立
某些网络的重要功能
-
ATM,帧中继,X.25
数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接 -
网络设备(如路由器)参与连接的建立
网络层连接与传输层连接的对比
- 网络层连接: 两个主机之前(路径上的路由器等网络设备参与其中)
- 传输层连接: 两个应用进程之间(对中间网络设备透明)
网络层服务模型
无连接服务(connection-less service):
- 不事先为系列分组的传输确定传输路径
- 每个分组独立确定传输路径
- 不同分组可能传输路径不同
- 数据报网络(datagram network )
连接服务(connection service):
- 首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径(建立连接)
- 然后沿该路径（连接）传输系列分组
- 系列分组传输路径相同
- 传输结束后拆除连接
- 虚电路网络(virtual-circuit network )
数据报与虚电路网络
虚电路网络
数据报(datagram)网络与虚电路(virtual-circuit)网络是典型两类分组交换网络
数据报网络提供网络层无连接服务
虚电路网络提供网络层连接服务
类似于传输层的无连接服务（UDP）和面向连接
服务（TCP ），但是网络层服务：
- 主机到主机服务
- 网络核心实现
虚电路: 一条从源主机到目的地的主机,类似于电路的路径(逻辑连接)
- 分组交换
- 每个分组的传输利用链路的全部带宽
- 源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能
通信过程：
- 呼叫建立(call setup)→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设备(如路由器),维护每条经过它的虚电路连接状态
链路、 网络设备资源(如带宽、 缓存等)可以面向VC进行预分配 - 预分配资源=可预期服务性能
- 如ATM的电路仿真(CBR)
VC具体实现
每条虚电路包括:
1. 从源主机到目的主机的一条路径
2. 虚电路号（ VCID） ， 沿路每段链路一个编号
3. 沿路每个网络层设备（如路由器）， 利用转发表记录
经过的每条虚电路
沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址
同一条VC ，在每段链路上的VCID通常不同
路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号
转发表
| 输入接口 | 输入VC | 输出接口 | 输出VC |
|---|---|---|---|
| 1 | 12 | 3 | 22 |
| 2 | 63 | 1 | 18 |
| 3 | 7 | 2 | 17 |
| 1 | 97 | 3 | 87 |
VC路径上每个路由器都需要维护VC连接的状态
VC进入路由器后,路由器将VC头替换,然后转发出去
数据报网络
网络层无连接
* 每个分组携带目的地址
* 路由器根据分组的目的地址转发分组
* 基于路由协议/算法构建转发表
* 检索转发表
* 每个分组独立选路
路由器转发表
| 目的地址 | 输出链路 |
|---|---|
| 地址范围1 | 3 |
| 地址范围2 | 2 |
| 地址范围3 | 2 |
| 地址范围4 | 1 |
最长前缀匹配优先:
在检索转发表时，优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口(entry).
IP协议
主机、路由器网络层主要功能:
- 路径选择
- RIP
- OSPF
- BGP
- IP协议
- 寻址规约
- 数据报(分组)格式
- 分组处理规约
- ICMP协议
- 差错报告
- 路由器命令
IP数据报格式
| 首部 | 描述 |
|---|---|
| 版本号(4bit) | 描述IP协议的版本号,目前主要有V4和V6两个版本 |
| 首部长度(4bit) | 以四字节为单位例如: 5 -> IP首部长度为20(5 * 4)字节,不这么计算的话,长度描述根本不够 |
| 服务类型(8bit) |
指示期望获得哪种类型的服务 1 .只有在网络提供区分服务(DiffServ)时使用 2.一般情况下不使用，通常IP分组的该字段(第2字节)的值为00H |
| 总长度(16bit) |
IP分组的总字节数(首部 + 数据) 1. 最大IP分组的总长度: 65535B 2.最小的IP分组首部: 20B 3. IP分组可以封装的最大数据:65535 - 20 = 65515B |
| 生存时间TTL(8bit) |
IP分组在网络中可以通过的路由器数(或跳步数) 1.路由器转发一次分组， TTL减1 2.如果TTL=0，路由器则丢弃该IP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(16位) |
实现对IP分组首部的差错检测 1.计算校验和时，该字段置全0 2.采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段 3.逐跳计算、逐跳校验 |
| 源IP地址、目的IP地址字段(各占32bit) | 分别标识发送分组的源主机/路由器(网络接口)和接收分组的目的主机/路由器（网络接口）的IP地址 |
| 选项字段(长度可变，范围在1~40B之间) | 携带安全、源选路径、时间戳和路由记录等内容(实际上很少被使用) |
| 填充(长度可变，范围在0~3B之间) | 目的是补齐整个首部，符合32位对齐，即保证首部长度是4字节的倍数 |
| 标识字段(16bit) | 标识一个IP分组,IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识 |
| 标志位(3bit) |
1. DF (Don’t Fragment) 2. MF (More Fragment) DF =1：禁止分片； DF =0：允许分片 MF =1：非最后一片； MF =0：最后一片(或未分片) |
| 片偏移(13bit) |
一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量 片偏移字段以8字节为单位 |
IP分片
网络链路存在MTU (最大传输单元)—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MTU链路转发时， 可以被“分片” (fragmented)
- 1个IP分组分为多片IP分组
- IP分片到达目的主机后进行“重组”(reassembled)
IP首部的相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序
- 总长度、标识、标志位和片偏移
假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M
若L>M，且DF=0，则可以/需要分片
分片时每个分片的标识复制原IP分组的标识
通常分片时，除最后一个分片，其他分片均分为MTU允许的最大分片
一个最大分片可封装的数据应该是8的倍数， 因此， 一个
最大分片可封装的数据为:
需要的总片数为:
每片片偏移字段取值为
每片的总长度字段为
每片MF标志位为:
IP编址
接口(interface): 主机/路由器与物理链路的连接
- 实现网络层功能
- 路由器通常有多个接口
- 主机通常只有一个或两个接口(e.g.，有线的以太网接口，无线的802.11接口)
IP地址: 32比特(IPv4)编号标识主机、路由器的接口
IP地址与每个接口关联
IP地址:
- 网络号(NetID) – 高位比特
- 主机号(HostID) – 低位比特
IP子网
- IP地址具有相同网络号的设备接口
- 不跨越路由器（第三及以上层网络设备）可以彼此物理联通的接口
IP子网划分与子网掩码
“有类”编码
如图: 
特殊IP地址 
私有IP地址
子网划分
IP地址:
- 网络号(NetID) – 高位比特
- 子网号(SubID) – 原网络主机号部分比特
- 主机号(HostID) – 低位比特
如何确定是否划分了子网？利用多少位划分子网？
- 子网掩码
形如IP地址:
- 32位
- 点分十进制形式
取值：
- NetID、 SubID位
- HostID位全取0
将IP分组的目的IP地址与子网掩码按位与运算，提取子网地址
无类域间路由(CIDR: Classless InterDomain Routing)
- 消除传统的 A 类、 B 类和 C 类地址界限
- NetID+SubID→Network Prefix (Prefix)可以任意长度
- 融合子网地址与子网掩码，方便子网划分
- 无类地址格式： a.b.c.d/x，其中x为前缀长度
子网201.2.3.64， 255.255.255.192→201.2.3.64/26
无类域间路由(CIDR: Classless InterDomain Routing)
- 提高IPv4 地址空间分配效率
- 提高路由效率
- 将多个子网聚合为一个较大的子网
- 构造超网（ supernetting）
当一个子网无法聚合所有的子网时,需要零碎出去的”子网片”利用最长前缀匹配原则向路由器通告,以便正确收发消息.