MindMap Gallery 第四章-网络层
计算机网络部分详细思维导图,网络互联是通过路由器进行网络互联和路由选择,异构网络的链路层和物理层均不同,本图适合计算机相关专业期末复习,考研学习等。
Edited at 2023-10-11 11:46:52Einhundert Jahre Einsamkeit ist das Meisterwerk von Gabriel Garcia Marquez. Die Lektüre dieses Buches beginnt mit der Klärung der Beziehungen zwischen den Figuren. Im Mittelpunkt steht die Familie Buendía, deren Wohlstand und Niedergang, interne Beziehungen und politische Kämpfe, Selbstvermischung und Wiedergeburt im Laufe von hundert Jahren erzählt werden.
Einhundert Jahre Einsamkeit ist das Meisterwerk von Gabriel Garcia Marquez. Die Lektüre dieses Buches beginnt mit der Klärung der Beziehungen zwischen den Figuren. Im Mittelpunkt steht die Familie Buendía, deren Wohlstand und Niedergang, interne Beziehungen und politische Kämpfe, Selbstvermischung und Wiedergeburt im Laufe von hundert Jahren erzählt werden.
Projektmanagement ist der Prozess der Anwendung von Fachwissen, Fähigkeiten, Werkzeugen und Methoden auf die Projektaktivitäten, so dass das Projekt die festgelegten Anforderungen und Erwartungen im Rahmen der begrenzten Ressourcen erreichen oder übertreffen kann. Dieses Diagramm bietet einen umfassenden Überblick über die 8 Komponenten des Projektmanagementprozesses und kann als generische Vorlage verwendet werden.
Einhundert Jahre Einsamkeit ist das Meisterwerk von Gabriel Garcia Marquez. Die Lektüre dieses Buches beginnt mit der Klärung der Beziehungen zwischen den Figuren. Im Mittelpunkt steht die Familie Buendía, deren Wohlstand und Niedergang, interne Beziehungen und politische Kämpfe, Selbstvermischung und Wiedergeburt im Laufe von hundert Jahren erzählt werden.
Einhundert Jahre Einsamkeit ist das Meisterwerk von Gabriel Garcia Marquez. Die Lektüre dieses Buches beginnt mit der Klärung der Beziehungen zwischen den Figuren. Im Mittelpunkt steht die Familie Buendía, deren Wohlstand und Niedergang, interne Beziehungen und politische Kämpfe, Selbstvermischung und Wiedergeburt im Laufe von hundert Jahren erzählt werden.
Projektmanagement ist der Prozess der Anwendung von Fachwissen, Fähigkeiten, Werkzeugen und Methoden auf die Projektaktivitäten, so dass das Projekt die festgelegten Anforderungen und Erwartungen im Rahmen der begrenzten Ressourcen erreichen oder übertreffen kann. Dieses Diagramm bietet einen umfassenden Überblick über die 8 Komponenten des Projektmanagementprozesses und kann als generische Vorlage verwendet werden.
第三章-网络层
1. 网络层的功能
i. 异构网络互联
网络互联
通过路由器进行网络互联和路由选择
异构网络
链路层和物理层均不同
ii. 路由转发
1. 路由选择
2. 分组转化
iii. 拥塞控制
拥塞
分组数量过多而引起的网络性能下降的现象
拥塞控制是一个全局性的过程,单一增加资源并不能解决拥塞
方法
开环控制
静态预防
闭环控制
动态监测
2. 路由算法
i. 静态路由与动态路由
1. 静态路由
又称非自适应路由算法
需网络管理员手工配置信息
缺点
大型和复杂的网络不宜采用
适用
高度安全的军事系统和较小的商业网络
2. 动态路由
又称自适应路由算法
路由表信息通过相邻路由器之间彼此交换信息,从而不断更新优化
缺点
算法复杂,增加了网络负担
常用两种
1. 距离向量路由算法
2. 链路状态路由算法啊
ii. 距离向量路由算法
1. 基本原理
所有结点都定期将整个路由表传送给所有相邻结点
实质
迭代计算一条路由中的站段数或延迟时间,从而得到一个最短或最小代价的通路
路由表结构
i. 目的网络N
ii. 距离d
这里的距离是一个抽象概念(指经过的路由器个数)
iii. 下一跳路由器X
2. 路由更新过程
a. 对地址X的路由器发来的RIP报文:把“下一跳”字段中的地址都改为X,并把所有距离字段加1
b. 对修改后的RIP报文,执行如下操作
1. 出现新的目的网络N,直接添加
2. 若原表中有目的网络N,且下一跳的地址是X时,直接更新
3. 若原表中有目的网络N,且下一跳的地址不是X时,仅当距离小于时才更新
c. 若180秒(RIP默认超时时间)没有收到相邻路由器的更新信息,就将此相邻路由器记为不可达路由器,即将距离字段标为16
3. 缺点
可能遇到路由环路等问题
慢收敛导致路由器接收了无效的路由信息(根本原因)
限制了网络规模,能使用的最大距离是15
4. 典型算法
RIP算法
特点
1. “好消息传得块,坏消息传得慢”
慢收敛
收敛后,每个路由器到达目标网络的距离都是最短的
2. 使用RIP的相邻路由器之间每30秒广播一次RIP路由更新信息(动态维护)
若干次RIP广播后,所有路由器都知道整个IP网络的路由表
3. RIP广播不支持子网掩码和CIDR(因此RIP每个网络的子网掩码必须相同,但RIP2支持变长子网掩码和CIDR)
注意事项
1. 以跳数作为距离的度量
距离为16表示不可达
跳数
经过路由器的个数
2. RIP是应用层协议,使用UDP(520)
3. RIP选择的路径不一定是时间最短的,但一定是具有最少路由器的路径
iii. 链路状态路由算法
1. 基本原理
各路由器之间频繁交换链路状态信息,最终每个结点都具有完全的网络拓扑信息
链路状态数据库的同步
任务
1. 主动测试所有邻接结点状态
并将测试信息发送给其他所有结点
每个结点都通过此方式接收包含链路状态的路由信息
一旦状态改变,就利用Dijsktra算法更新路由(各目的网络的最优路径;但路由表中只保存最优路径的“下一跳”)
2. 定期将链路状态传播给所有其他结点
2. 特征(也是与距离向量算法的区别)
1. 通过洪泛法(通过所有端口向所有邻接点发送消息,邻接点也重复这个过程(但不发送给原来那个))向所有路由器发送链路状态消息
2. 发送的信息是与路由器相邻的所有路由器的链路状态
(指本路由器与哪些路由器相邻及链路的度量(如费用,距离,带宽等))
3. 当且仅当状态变化时才发送
更新过程收敛地快,不会出现“坏消息传得慢”
3. 优点
1. 易于查找故障
链路状态报文不加改变的传播
2. 相比距离向量算法啊,扩展性更强
子主题
链路状态报文仅运载来自单个结点的关于直接链路的信息,大小与网络结点数无关
4. 典型算法
OSPF算法
开放最短路径优先
注意事项
1. 与RIP区别
1. OSPF通过洪泛法向所有路由器发送消息;RIP仅向相邻路由器发送信息
2. OSPF发送的信息是链路状态;RIP发送的信息是整个路由表
3. OSPF支持子网划分和CIDR;RIP不支持
4. OSPF 是网络层协议,直接使用IP 传送;RIP 是应用层协议,使用UDP
5. OSPF每隔10秒,与系统内所有路由器交换信息;RIP每隔180秒,与相邻路由器交换信息
6. OSPF不会出现“坏消息传得慢”;RIP会出现
2. 特点
1. 对于不同类型的业务可以计算不同的路由(灵活选取不同的链路状态)
2. 多路径间负载平衡
对于有多条相同代价路径的的目的地,可将任务同时分配给它们
3. 保证仅在可信赖的路由器之间交换链路状态信息
4. 每个链路状态都带上一个32位的序号,序号越大状态越新
分组类型
1. 问候分组
维持与邻站可达性(通常每隔10 秒),由hello分组实现
2. 数据库描述分组
向邻站给出自己状态数据库的详细信息
3. 链路状态请求分组
请求发送链路状态详细信息
4. 链路状态更新分组
洪泛法对全网更新链路状态
5. 链路状态确认分组
对更新分组的确认
iv. 层次路由
1. 原理
路由器被划分为区域,路由选择按层次方式进行;处在上层的称为主干区域
只知道本区域内的拓扑结构
不必知道其他区域网络拓扑
优点
洪泛法交换链路状态信息的范围只局限于每个区域而非整个自治系统;减少网络的通信量
2. 自治系统(AS)
包含了很多的局域网
可以自己决定采用何种路由选择协议
3. 路由选择协议的划分
i. 内部网关协议(IGP)
自治系统内使用
也称域内路由选择
如RIP,OSPF
ii. 外部网关协议(EGP)
自治系统间使用
也称域间路由选择
举例
BGP
i. 目的
尽可能寻找一条能够达到目的网络且比较好(不兜圈子)而非最佳的路由
因为自治系统间寻求最佳路由不现实
ii. 特点
1. BGP是基于路径向量路由选择协议的
路径向量路由选择协议与距离向量和链路状态有很大区别
2. 应用层
TCP
3. 支持CIDR
4. 刚开始运行时,与邻站交换整个BGP路由表,但以后只需再发生变化时更新变化的部分
iii. 工作原理
i. 每个自治系统选择至少一个路由器作为BGP发言人
ii. 在与其他AS的BGP发言人交换信息时先建立TCP连接,然后在此连接基础上交换报文以建立会话,在利用BGP会话交换路由信息
iii. 所有BGP发言人交换了网络可达性信息(到达某个网络所经历的一系列AS)后,各BGP发言人就可找到到达各AS的较好路由
iv. 注意事项
各BGP发言人除必须运行BGP协议外,还必须运行所有AS内部网关协议
v. BGP-4使用的四种报文
打开报文(OPEN)
建立连接
更新报文(UPDATE)
保活报文(KEEPALIVE)
确认打开报文并周期性地确认与邻站关系
通知报文(Notification)
检测到的差错和关闭连接
3. IPV4
I. IPV4分组
i. 分组格式
1. 首部长度(4~8)
占4位
以32位为单位(最大60B)
常用
20B
2. 总长度(16~31)
占16位
以1B为单位(最大65535B)
以太网帧MTU=1500B
当分组长超过1500B时,需要分片
3. 标识(5B~7B)
占2B
一个计数器
每产生一个数据报就加1,并赋值给标示字段
标识不等于序号
当数据报长度超过MTU时,就要分片,每一片都携带一个标识号,便于接收方还原数据报
4. 标志(7B~7B 3b)
占3位
最低位MF
MF=1
还有分片
MF=0
没有分片
中间位DF
DF=0
允许分片
5. 片偏移(7B 3b~9B)
占13位
指出分组在分片后,某片在原分组的相对位置
以8B为为单位
每个分片长度一定是8B整数倍
对于不是8B 整数倍的,向上取整直到是8B 的整数倍
一般最后一片不是8B的整数
6. 首部校验和(11B~13B)
占16位
只校验首部
7. 生存时间(9B~10B)
占8位
数据报在网络中可通过路由器的最大值
当TTL=0时,丢弃分组
防止造成网络拥塞
8. 协议(10B~11B)
占8位
标识分组携带的数据使用何种协议
6
TCP
17
UDP
9. 源地址(13B~17B)
占4B
发送方IP地址
10. 目的地址(17B~20B)
占4B
接收方IP地址
ii. IP数据报分片
片在目的主机网络层被重新组装
通过标识,标志和片偏移字段完成组装
数据报分片后,每片具有相同的标识号
通过片偏移确定在原始数据报的位置
iii. 转发分组流程
a. 从分组首部提取目的IP地址D,得出目的网络地址N。
b. 若N与该路由器直接相连
直接交互
否则间接交互
c. 若表中有D的特定主机路由,传送给路由表中指明的下一跳路由
d. 若没有到达N的特定路由主机,就直接交互给路由表指明的下一跳
e. 否则,若路由表中有默认路由,则将数据包发送给默认路由
f. 注意事项
得到下一跳路由的IP地址后,还要将IP地址转化为下一跳的物理地址后,才能装入MAC帧首部发送
iv. 路由表基本结构
目的网络地址
下一条地址
目的网络子网掩码
II. IPV4地址与NAT
1. IPV4地址
i. 分类IP地址
A类地址
0
8位网络号
可用网络数:2^7-2(网络号为0和127的不指派)
最大主机数:2^24-2
主机号全0和全1(下同)
B类地址
10
16位网络号
可用网络数:2^14-1(128.0不指派)
最大主机数:2^16-2
C类地址
110
21位网络号
可用网络数:2^21-1(192.0.0不指派)
最大主机数:2^8-2
D类地址
1110
多播地址
E类地址
1111
保留今后使用
ii. 特殊IP地址
1. 主机号全0
表示本网络
2. 主机号全1
表示本网络上的广播地址
3. 127 .0.0.0
环路自检地址(127打头),表任意主机本身(可用作源地址和目的地址)
4. 32位全0(0.0.0.0)
本网络的本主机(只能用作源地址)
5. 32为全1(255.255.255.255)
整个TCP网络的广播地址
实际使用时由于路由器隔离广播域,因此等效为本网络的广播地址
iii. IP地址特点
1. 路由器仅根据目的主机网络号来转发分组
2. IP地址是标志一台主机(或路由器)和一条链路的接口
每个路由器至少具备两个不同网络号的IP地址
3. 用转发器或网桥连接的若干局域网仍然是同一个网络(同一个广播域)
因此该网络上所有主机的网络号必须相同
2. 网络地址转换
i. 目的
将专用网络地址转化为公用网络地址(将私有IP地址转换成外网IP)
对外隐藏内网IP
ii. 特点
可以重用(多个内网IP通过NAT转换为外网IP后访问互联网)
节省了IP;降低了内网受攻击的风险
NAT路由器至少有一个有效的外网地址
iii. 私有IP地址
A类(1个网段)
10.0.0.0~10.255.255.255
B类(16个网段)
172.16.0.0~172.31.255.255
C类(255个网段)
192.168.0.0~192.168.255.255
注意事项
对于目的地址是私有地址的数据报,所有路由器均不转发
本地(专用)互联网
采用了私有IP地址的网络
iv. NAT转换表
{本地IP:端口}
{全球IP:端口}
v. NAT路由器与普通路由器的区别
1. NAT路由器在转发分组时,一定更换其IP地址(源或目的)
2. NAT转发数据时需查看和转换传输层的端口号,所以工作在传输层
III. 子网划分与子网掩码,CIDR
i. 子网划分
占用若干位主机号用作子网号
三级IP地址结构
{网络号:子网号:主机号}
现在子网号全0和全1也可以用
但主机号全0和全1仍然不可用
ii. 子网掩码
特点
将网络号和子网号全置换为1,主机号全置0即可
iii. CIDR
1. 作用
路由聚合,构成超网
大大地减少路由表的表目
2. 特点
消除了传统的ABC类地址及划分子网;由网络前缀代替子网络概念;也不使用全0和全1
结构
网络前缀
主机号
3. CIDR地址块
网络前缀相同的连续IP地址集合
数目是2的整数次幂
N为主机号,对应2^N-2个地址块
4. 最长前缀匹配原则(最佳匹配原则)
使用CIDR时路由表结构为{网络前缀:下一跳}
查找路由表后可能得到不止一个匹配结果,此时应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由(因为前缀越长,其地址部分就越短,查找路由就越具体)
5. CIDR查找路由表方法
二叉线索
IV. ARP,DHCP,ICMP
1. 硬件地址和MAC地址
寻址方式
不同网段
IP
路由选择寻址
同一网段
MAC
广播寻址
网络通信
转发时,分组在每个网络中都被路由器拆分和组装
分组的源和目的IP地址在拆分组装过程中始终不发生变化,但MAC地址不断变化
MAC地址只具有本地意义
2. ARP
I. 地址解析协议
1. 将IP地址转换为MAC地址(路由器转发分组时寻找下一跳;网络层以下必须使用硬件地址)
2. 每台主机都有一个ARP 高速缓存,用于实现本局域网上主机和路由器的IP 地址到MAC 地址的映射,又称ARP 表
3. 对于不同局域网之间,若源主机和目的主机不在一个局域网上,则需要通过ARP找到一个本局域网上的某个路由器的硬件地址,再将分组发送给此路由器,其再转发至下一网络(作用范围在本局域网内)
II. 工作原理
i. 若A想发送数据给本局域网上的B,先检查ARP表中有无B的IP地址,若有直接查出硬件地址,并将其填入MAC帧,然后发送给此硬件地址
ii. 若没有,就发送MAC全1的广播ARP请求分组
iii. B收到ARP请求后,向A发出响应ARP分组(单播方式,因为B已经知道了A的IP),分组中包含了B的IP到MAC的映射
III. 拓展
RARP
将MAC地址转换为IP地址
3. DHCP
i. 作用
给主机动态分配IP地址(基于UDP的应用层协议)
C/S工作模式
ii. 原理
a. 新加入的主机通过向DHCP服务器发送广播分组
b. DHCP服务器从其数据库中查找该计算机的配置信息。若未找到,则从IP地址池中取一个地址分配给该计算机。 DHCP回答报文称为提供报文(也是以广播的形式发送)
iii. 租用期
因为DHCP服务器分配给主机的IP地址是临时的,DHCP客户只能在有限的时间内使用
4. ICMP
网际控制报文协议
用于向源主机报告差错和异常情况;ICMP报文封装成IP数据报发送
种类
ICMP差错报文
用于目标主机或到目标主机路径上的路由器向源主机报告差错和异常情况
(可发送)类型
1. 终点不可达
2. 源点抑制
用于拥塞而丢弃分组
3. 超时
TTL=0时被丢弃
4. 参数问题
首部错则丢弃
5. 改变路由(重定向)
可通过更好的路由发送
不可发送情况
1. 对于ICMP差错报文不再发送ICMP差错报文
(错了就错了)
2. 对第一分片的数据报片的后续所有都不发送ICMP差错报文
(知道后面都错了)
3. 具有特殊地址(127.0.0.0或0.0.0.0)的数据报不发送ICMP差错报文
ICMP询问报文
类型
1. 回送请求和回答
PING(测试主机连通性)
2. 时间戳请求和回答
Traceroute(分组经过的路由)
3. 掩码地址请求和回答
4. 路由器询问和通告
4. IPV6
i. 作用
解决地址耗尽的根本方法
ii. 重要特点
1. 128位
2. 支持即插即用
3. 支持资源预分配
4. 只有在源节点允许分片,端到端的,中间路由器不允许分片
5. 增大了安全性。身份验证和保密功能是IPV6的关键特性
6. 无校验和
iii. IPV6地址
类型
1. 单播
点对点
2. 多播
3. 任播
任播目的站是一组计算机,但交互时只交互给其中某一台
省略写法
iv. IPV4到IPV4的过渡
1. 双协议栈
主机同时支持两种协议
2. 隧道技术
将IPV6数据报封装到IPV4的数据部分
5. IP组播
1. 基本原理
一次发送单个分组可以抵达用一个组地址标识的若干目标主机,并被他们正确接收
使用D类地址
仅UDP
主机使用IGMP协议来加入组播组
2. 组播地址
注意事项
1. 并非所有D类地址都可作为组播地址
2. 组播数据报“尽最大了努力交互”
3. 组播地址只能用于目的地址
4. 不产生ICMP报文
3. IGMP与组播路由算法
因特网组管理协议
让连接到本地局域网的组播路由器知道本局域网上是否有主机参加或退出某个组播组
注意事项
1. IGMP不是对所有的组播成员进行管理
2. IGMP不知道组播组包含的成员数
3. IGMP不知道成员分布的网络
组播路由算法
基于链路状态的路由选择
基于距离向量的路由选择
可以建立在任何路由器协议之上的协议无关的组播(PIM)
6. 移动IP
i. 基本功能
移动节点以固定的IP地址实现跨越不同网段的漫游功能
移动节点
将其连接点从一个网络或子网改变到另一个子网或网络的主机
ii. 目标
将分组自动投递给移动节点
iii. 特点
每个移动节点都有一个唯一不变的本地地址(主地址)
辅地址动态改变
iv. 注意与动态IP(DHCP)的区别
7. 网络层设备
1. 路由器
i. 基本原理
连接不同的网络并完成路由转发
隔离广播域
ii. 特点
实现了ISO的下三层
可以互连不同协议的网段
iii. 组成
1. 路由选择
也称控制部分
核心是路由选择处理机
根据路由选择协议构造转发表
涉及多个路由(转发只涉及一个路由)
2. 分组转发
1. 交换结构
处理分组
2. 输入端口
从比特流中提取出链路层帧,进而从帧中提取出网络层数据报
3. 输出端口
与输入端口相反
3. 检测到拥塞,合理丢弃分组
iv. 与网桥的区别
网桥与高层协议无关,而路由器是面向协议的
2. 路由表
标准结构
a. 目的IP
b. 子网掩码
c. 下一跳
默认路由
目的网络
0.0.0.0
子网掩码
0.0.0.0
d. 接口