计算机网络之网络层（二）
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2019-05-17
2.分组交换
将报文根据各网络传输规定的MTU（最大传输单元）分成多个组，进行传输。
分组交换是结合报文交换和线路交换两种交换方式的优点而新开发的一种数据交换方式。
1、分类：
①数据报方式
在要转发的数据包头部加上源节点和目的节点的IP地址，成为数据报，然后通过路由技术一级级地把数据转发下去
数据报：报文被分成多个组后，在每个分组前部增加了源地址和目的地址信息字段的报文分段。
每个数据报自身携带有足够的信息，其中包括源地址、目的地址、结点间的路由信息等，数据报的发送就是通过这些地址和路由信息来保证数据准确发送到目的节点的
特点：
各结点可根据数据报中所包括的地址和路由信息，选择不同的路由路径进行发送。另外，各个结点也可能随时根据网络的流量、故障等情况选择最佳路径。
各数据报各行其道，很难保证全部按顺序到达目的节点，有些数据报甚至还可能在途中丢失
②虚电路方式（面向连接）
在进行数据分组转前先在源节点和目的节点间的所有路由器间建立一条虚拟的通信通道，然后再把数据分组从这个虚拟通道中转发到目的节点。每个分组均不必带目的地址、源地址等信息
在虚电路分组交换中，分组被发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条专用的逻辑连接（虚电路，VC），并且以一个在所有经过的节点或结点上均唯一的虚电路标识符（Virtual Circuit Identifier,VCI）进行标识。这条VC所代表的就是所有经过的节点和结点的串连。
注意：每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接，每条物理线路可以建立无数条虚电路连接，每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传输。
虚电路交换的阶段：
（1）建立虚电路
（2）传输数据
（3）拆除虚电路
2、虚电路交换和数据报交换的比较：
（1）传输方式上的区别
（2）数据格式的区别
（3）转发路径的区别
（4）可靠性方面的区别
（5）适应性方面的区别
（6）拥塞控制能力方面的区别
四、网络层协议及报文格式
1、IP协议（本文介绍IPv4）
IP协议是用于将多个分组交换网络（数据报交换方式）连接起来的最典型通信协议。
该协议是无连接的服务，负责在源地址和目的地址之间传送数据报，然后为了适应不同网络对分组大小的要求，需要对上层传来的报文进行分割，最后调用本地网络协议将数据报传送给下一个网关或目的计算机。
1.主要功能
把数据报在互连的网络上传送，将数据报在一个个IP模块间传送直到传送到目的模块。网络中每个主机和网关上都有IP模块。数据报在一个个模块间通过路由处理网络地址传送到目的地址。
（1）寻址
在同一以太局域网内部，结点间的寻址可以通过二层MAC地址进行，但在不同网络之间，是不能通过MAC地址的，因为用于MAC地址寻址的广播帧只能在同一个以太网段内部进行
在不同网络中只能通过三层地址(该协议中为IP地址)进行寻址.
（2）数据报的封装
从传输层到达的数据段都需要经过IP协议进行重新封装的。因为IP协议是无连接的服务，并且采用数据报交换方式，所以封装后形成的是IP数据报。
IP封装的目的就是标识此IP数据报发送节点和接收节点的IP地址及控制信息
（3）分段与重组
不同网络上的链路可以传输的最大报文大小是不同的，这就是我们通常所说的MTU（最大传输单元）。为了使我们要传输的数据报能在不同网络中传输，当一些尺寸较大的数据报要在某个MTU值比较小的网络链路上传输时就可能需要对原来的数据报进行拆分，形成一个个小的分段，然后再把这些分段依次传输出去。
在接收节点自然就要把这些被拆分的分段重新组合起来，还原成原来的大的数据报的问题
2.IPv4数据报
①IPv4数据报头部格式
若在不同网络上，主机A向主机B发送数据，则主机A要先使用ARP协议询问本网络网关地址，然后发数据给网关后，网关再在主机B所在网络询问主机B的地址，并发送数据。
（1）版本（Version）
版本字段指定IP数据报中使用的IP协议版本，占4位。此处是IPv4版本，值为4（0100）。
（2）头部长度（Header Length）
IP数据报头部的总长度，IP数据报头部的总长度以4字节为单位，该字段占4位 报头长度必须是32位（4字节）的整数倍，如果不是，需在选项字段的填充（PAD）子字段中补0凑齐。
（3）区分服务（Differentiated Services）
又称服务类型（ToS）字段，用于表示数据报的优先级和服务类型，占8位。
（4）总长度（Total Length）
标识整个IP数据报的总长度，包括报头和数据部分，整个IP数据报总长度以字节为单位，该字段占16位。由此可得出，IPv4数据报的最大长度为216-1字节即65535字节（即64KB）。
（6）标志（Flags）
指出该IP数据报后面是否还有分段，也就是这个字段是分段标志，占3位。目前只有前两位有意义：最低1位记为MF（More Fragment），如果MF=1，即表示后面还有分段，如果MF=0表示这已是某个数据报的最后一个分段；中间1位记为DF（Don’t Fragment），当DF=1时表示不允许分段，DF=0时表示允许分段；最高1位没有使用。
（7）段偏移（Fragment Offset）
用以指出该分段在数据报中的相对位置，也就是说，相对于用户数据字段的起点，该分段从何处开始，占13位 若有分段，段偏移以8字节为偏移单位，即每个分段的长度一定是8字节（64位）的整数倍
（8）生存时间（Time To Live,TTL）
标识IP数据报在网络中传输的有效期，以秒来计数，占8位。 现在通常认为这个TTL是指数据报允许经过的路由器数，每经过一个路由器，则TTL减1，当TTL值为0时，就丢弃这个数据报。
（9）协议（Protocol）
标识此IP数据报在传输层所采用的协议类型（如TCP、UDP或ICMP等），以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个处理过程，占8位。
（10）校验和（checksum）
校验和字段用来检验IP数据报的报头部分。 校验原理： 先在发送端校验和字段中填上一个特定的值，然后在接收端把包括校验和字段在内的报头部分进行二进制反码求和，再取反，如果结果为0，则表示报头部分在传输过程中没有发生变化，否则表示在传输过程中出现了差错。 特定的值=把源数据报头部(校验和字段置0)看成由以16位（2字节）为单位的数字组成，对每16位的二进制反码进行求和的结果
（11）源地址/目的地址（Source Address/Destination Address）
（12）选项（Options）
选项字段(可无)支持各种选项，提供扩展余地。根据选项的不同，该字段是可变长的，从1字节到40字节。用来支持排错、测量以及安全、控制报头长度等措施。
②IPv4数据报的封装与解封装
（1）封装：
以上所述是经过一个网络的情形，如果一个IP数据报在整个传输过程中要经过几个网络时，怎么办呢？
（2）解封装
数据报传输过程中，变化的只是在不同网络数据链路上传输的帧头信息（不同网络的链路层协议可能不同，所以要根据不同协议，重新封装成帧），而IP数据报信息不变
在不同网络链路上传输的帧，源MAC地址和目的MAC地址会改变（用于在每个经过的局域网内寻址）。
③IPv4数据报的分段与重组
在网络层中还涉及一个分段的问题，那是因为不同网络线路上可以传输的数据报大小是有限制的，且可能是不同的，也就是我们通常所说的MTU（最大传输单元），所以如果一个网络中收到的数据报太大，不能在目的网络中一次传输的话，就要对原来的包进行拆分，分成一个个小的数据报再进行传输。
为了解决这个问题，就需要在路由器上对接收到的主机A发来的IP数据报进行分段（数据报的片偏移会修改），然后再将每个分段独立地进行发送，可以像正常的IP数据报一样经过独立的路由选择等处理过程，最终到达目的主机。最后，还需要在目的主机上对这些分段进行重组，恢复原始的大IP数据报。
2、ARP协议
ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）是将IP地址解析为以太网MAC地址（或称物理地址）的协议。
在局域网中，当主机或其他网络设备有数据要发送给另一个主机或设备时，它必须知道对方的网络层地址（即IP地址）。但是仅仅有IP地址是不够的，因为IP数据报文必须封装成帧才能通过物理网络发送，因此发送站还必须有接收站的物理地址，所以需要一个从IP地址到物理地址的映射。
1.ARP报文格式
ARP是一个独立的三层协议，所以ARP报文在向数据链路层传输时不需要经过IP协议的封装，而是直接生成自己的报文，然后再到数据链路层封装成帧
2.ARP映射表
无论是主机，还是交换机都会有一个用来缓存同一网段设备IP地址和MAC地址的ARP映射表，用于数据帧的转发。
（1）动态ARP表项：由ARP协议通过ARP报文自动生成和维护
（2）静态ARP表项：通过手工配置（通过对应设备的IP地址与MAC地址绑定命令进行）和维护
注意：静态ARP表项又分为短静态ARP表项和长静态ARP表项，区别在于地址表项是否绑定了VLAN。
若在不同网络上，主机A向主机B发送数据，则主机A要先使用ARP协议询问本网络网关地址，然后发数据给网关后，网关再在主机B所在网络询问主机B的地址，并发送数据。
3、ICMP协议及报文格式
ICMP是（Internet Control Message Protocol）Internet控制报文协议。它是IPv4协议簇中的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。
但与ARP协议不同，ICMP依靠IP协议来完成其任务，所以ICMP报文中要封装IP头部。
1.ICMP消息类型
2.报头格式
2.报头格式
3.常见的ICMP报文
（1）响应请求
（2）目标不可到达、源抑制和超时报文
（3）时间戳请求
五、路由和路由算法
路由功能其实是一种数据报分组交换路径选择行为，是网络层的一种基本功能。
编辑：航网科技 来源：腾讯云 本文版权归原作者所有 转载请注明出处
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