计算机网络课件网络层

计算机网络-网络层网络层是计算机网络体系结构中的第三层。它负责数据包的路由和转发，确保数据包在不同网络之间传输。网络层概述网络层的定义网络层是计算机网络体系结构中的第三层。它负责将数据包从源主机发送到目标主机，并处理网络间的通信。网络层的功能网络层负责网络寻址，路由选择，数据包转发，拥塞控制，以及网络层安全等。网络层的功能11.路由选择网络层负责确定数据报从源节点到目的节点的最佳路径。22.数据报封装网络层将来自上层的数据封装成数据报，并添加必要的头部信息。33.数据报转发网络层根据路由信息，将数据报从一台路由器转发到另一台路由器。44.拥塞控制网络层负责管理网络拥塞，防止网络资源过度使用。网络层的数据单元-数据报数据报的定义数据报是网络层传输数据的基本单元，用于封装来自上层协议的数据，并在网络中进行传输。数据报格式数据报的格式包含源地址、目的地址、协议类型、数据长度等信息，确保数据报在网络中的正确传输和路由。数据报传输数据报在网络中通过路由器进行转发，最终到达目的主机，完成数据传输过程。IP协议简介IP协议是互联网协议，属于网络层协议。IP协议负责数据报的封装、寻址、路由和传输。IP协议是无连接的，不可靠的，面向无连接的。IP地址及其分类IP地址定义IP地址是分配给网络设备的唯一标识符，用于识别网络中的计算机和设备。IP地址分类IP地址被分为五类：A类、B类、C类、D类和E类。每类地址都有不同的网络号和主机号范围。IPv4地址IPv4地址使用32位二进制数表示，通常用点分十进制表示，例如192.168.1.1。IPv6地址IPv6地址使用128位二进制数表示，通常用冒号分隔的十六进制表示，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IP地址的表示方法点分十进制使用四个十进制数字表示，每个数字代表一个字节，并用点号分隔。二进制使用32位二进制数表示，每个字节用8位二进制数表示。十六进制使用8位十六进制数表示，每个字节用2位十六进制数表示。IP数据报的格式IP数据报是网络层数据传输的基本单元，包含头部和数据部分。头部包含源地址、目的地址、协议类型、生存时间等信息，用于路由和数据传输。数据部分则包含应用层的数据，例如网页内容、邮件等。IP数据报格式是网络层协议的核心，它定义了网络数据传输的标准，保证了不同网络之间的数据互通。IP数据报的生存时间(TTL)TTL是TimetoLive的缩写，表示数据报在网络中可以存活的时间。它是以秒为单位计算的，每个数据报在创建时都包含一个TTL值。数据报在网络中转发时，每经过一个路由器，其TTL值就会减1。当TTL值为0时，数据报就会被丢弃。TTL机制可以有效地防止数据报在网络中无限循环，从而保证网络的稳定性和可靠性。子网划分与子网掩码子网划分将一个大型网络划分为多个较小的子网，每个子网都有自己的网络地址和子网掩码。子网掩码用来区分网络地址和主机地址，标识网络号和主机号的位数。优点提高网络效率增强网络安全性简化网络管理无类别域间路由(CIDR)CIDR的概念CIDR是一个用于网络地址分配的机制。它允许通过使用可变长度子网掩码来分配网络地址块，从而提高网络地址的利用率。CIDR的优势CIDR简化了网络地址管理，提高了路由效率，并减少了路由表的大小。CIDR的应用CIDR广泛应用于互联网，使互联网能够高效地管理和分配IP地址，并支持互联网的不断发展。ARP协议作用ARP协议是地址解析协议，用于将IP地址解析为物理地址（MAC地址）。当一个主机要向另一个主机发送数据时，它需要知道目标主机的MAC地址。ARP协议通过发送ARP请求报文来获取目标主机的MAC地址。工作流程主机在发送数据包之前，会先通过ARP协议查询目标主机的MAC地址。如果主机无法找到目标主机的MAC地址，它会广播一个ARP请求报文。收到请求报文的设备会查看自己的IP地址，如果匹配，则会发送一个ARP响应报文，包含自己的MAC地址。ARP协议如何工作1发送ARP请求源主机发送ARP请求广播包2接收ARP请求目标主机收到ARP请求3发送ARP响应目标主机发送ARP响应4接收ARP响应源主机收到ARP响应ARP协议使用请求和响应机制来获取目标主机的MAC地址。源主机首先发送ARP请求广播包，目标主机收到请求后会发送ARP响应，包含其MAC地址。源主机接收响应后，将目标主机的MAC地址与IP地址绑定到ARP缓存中，以便下次直接使用MAC地址通信。RARP协议逆地址解析协议RARP协议是逆地址解析协议，用于获取IP地址。主机获取IP地址主机通过RARP协议向网络上的RARP服务器发送请求。网络设备IP地址RARP服务器根据主机的MAC地址，将对应IP地址发送给主机。引导过程RARP协议在引导过程中使用，帮助没有IP地址的主机获取IP地址。ICMP协议互联网控制报文协议ICMP是一种网络层协议，用于在网络设备之间传递控制信息。错误和状态信息ICMP用于报告错误、确认数据包接收和探测网络连接性。网络管理网络管理员可以使用ICMP进行故障排除、诊断和网络性能监控。ICMP协议的特点和作用错误报告ICMP协议能够报告网络层出现的错误，例如目标主机不可达或数据报超时等。网络探测ICMP协议可用于网络探测，例如ping命令就是利用ICMP协议来测试网络连接。路由器信息ICMP协议可用于获取路由器的信息，例如路由器的类型和地址等。流量控制ICMP协议还可以用于流量控制，例如限制数据报的传输速率。路由器的作用和功能数据转发路由器根据数据报中的目的地址信息，选择合适的路径将数据报转发到下一个网络节点。网络连接路由器连接不同的网络，将多个网络连接成一个更大的网络，实现不同网络之间的互联互通。网络管理路由器提供网络管理功能，例如监控网络流量，配置网络参数，诊断网络问题等。网络安全路由器可以实现网络安全功能，例如防火墙、入侵检测等，保护网络安全。静态路由与动态路由静态路由管理员手动配置的路由信息，适用于网络结构稳定、路由信息变化较少的场景。动态路由路由器通过协议自动学习和更新路由信息，适用于网络结构复杂、路由信息频繁变化的场景。常见的动态路由协议1RIP(路由信息协议)RIP是一种距离矢量路由协议，它使用跳数作为度量指标来计算最短路径。2OSPF(开放式最短路径优先协议)OSPF是一种链路状态路由协议，它使用Dijkstra算法来计算最短路径。3BGP(边界网关协议)BGP是一种路径矢量路由协议，它用于在不同的自治系统之间交换路由信息。RIP协议距离矢量路由协议RIP使用距离矢量算法，通过交换路由信息来更新路由表。跳数作为度量RIP使用跳数来衡量网络路径的距离，每个路由器到目标网络的距离称为跳数。广播更新信息RIP通过广播数据包向所有相邻路由器发送路由信息，每个路由器都会周期性地将自己的路由信息广播出去。最大跳数限制RIP协议限制最大跳数为15，以防止路由循环和无限循环。OSPF协议开放式最短路径优先协议OSPF是一个内部网关协议，用于在自治系统内部的路由器之间交换路由信息。它使用Dijkstra算法计算最短路径，并根据路径的代价进行路由选择。链路状态协议OSPF属于链路状态协议，每个路由器维护一个完整的网络拓扑图，并向其他路由器广播链路状态信息。区域划分OSPF可以将网络划分为不同的区域，每个区域运行独立的OSPF实例，降低了网络的复杂度。安全性OSPF使用身份验证机制，确保路由信息的安全性和完整性，防止非法路由信息的传播。BGP协议边界网关协议BGP是一种用于互联网AS之间路由信息交换的协议。它是一种路径矢量路由协议，在AS之间传递路由信息，并根据这些信息选择最佳路由。功能BGP支持多种路由策略，例如，路径选择、路径过滤和路径聚合，这使得网络管理员可以控制路由信息在AS之间的传播。路由表的维护与路由选择算法1路由表的维护路由表由路由器维护，用于存储网络中各个网络或主机可达的路由信息。路由表维护过程包括路由表的创建、更新和删除。2路由选择算法路由选择算法用于根据路由表中的信息选择最佳路径，以达到目的地。常见的路由选择算法包括最短路径算法、距离向量算法和链路状态算法。3动态路由协议动态路由协议可以自动维护路由表，根据网络拓扑变化进行更新。RIP、OSPF和BGP都是常用的动态路由协议，它们通过在路由器之间交换路由信息来维护路由表。网络层中的拥塞控制机制数据包拥塞网络层拥塞控制机制用于防止过多的数据包进入网络，从而导致网络性能下降和延迟增加。流量控制拥塞控制与流量控制密切相关。流量控制侧重于端到端的流量管理，而拥塞控制则侧重于网络节点上的流量管理。控制机制网络层常用的拥塞控制机制包括：丢弃数据包、流量整形、速率限制等。分片与重组数据报过大当网络层发送的数据报过大时，可能会超出网络接口的最大传输单元（MTU）限制。分片处理为了解决这个问题，网络层会将数据报分成多个更小的数据报片，每个数据报片包含原始数据报的一部分。重组过程当数据报片到达目的地时，网络层会根据数据报片中的标识符将它们重新组合成完整的数据报。IPv4与IPv6IPv4IPv4是互联网协议的第四版，是目前互联网中使用的主要版本。IPv4地址空间有限，已接近枯竭。IPv6IPv6是互联网协议的第六版，旨在解决IPv4地址空间不足的问题。IPv6地址空间大，能够满足未来互联网发展的需求。IPv6的特点11.地址空间更大IPv6提供了更大的地址空间，可以满足未来数十年的网络发展需求。22.安全性更高IPv6采用更安全的地址分配机制，减少了安全风险。33.自动配置更便捷IPv6支持自动地址配置，简化了网络配置过程。44.网络管理更灵活IPv6提供了更灵活的网络管理功能，方便网络的扩展和维护。IPv6地址的表示方法1十六进制表示法IPv6地址使用十六进制表示，每个十六进制数占4位，一共8组，用冒号分隔。2压缩表示法如果地址中连续出现多个0，可以用双冒号（::）进行压缩，省略中间的0。3接口标识符IPv6地址中包含接口标识符，用于识别同一个网络中的不同设备。4全球唯一性IPv6地址在全球范围内都是唯一的，确保网络中每个设备都有一个唯一的标识。IPv6数据报格式IPv6数据报格式与IPv4存在较大差异。它包含固定长度的头部信息，长度为40字节，并支持多种扩展头部。IPv6数据报格式更简洁，去除了IPv4中的一些可选字段，例如服务类型、标识、片段偏移等。IPv6数据报格式的设计充分考虑了未来网络的需求，例如安全性、移动性、多播等。IPv4