网络层教学课件：计算机网络的基石

网络层教学课件：计算机网络的基石课程大纲网络层的作用网络层的功能网络层协议的分类IP协议简介IP地址的概念IPv4地址结构IPv4地址分类子网划分子网掩码计算CIDR表示法IPv6地址结构IPv6地址分配路由器的作用静态路由与动态路由路由算法概述链路状态路由算法距离矢量路由算法IP数据报的封装格式IP数据报的首部格式IP数据报的生存时间TTLIP数据报的分片与重组网关的作用主机与网关的通信ARP协议的工作机制ICMP协议的报文类型ICMP协议的差错报告ICMP协议的查询报文基于ICMP的网络诊断网络层安全威胁网络层安全防护技术总结与展望网络层的作用网络层作为计算机网络体系结构中的核心层，其作用至关重要。它负责将数据从源主机传输到目的主机，并确保数据在传输过程中能够正确地到达目的地。网络层为上层协议提供了一种独立于底层物理网络的通信机制，使得应用程序能够在不同的网络环境下进行数据传输，而无需关心底层的网络细节。网络层的功能寻址为网络中的每个节点分配唯一的地址，以便识别和定位网络中的设备。路由选择最佳路径将数据从源节点传输到目的节点，并根据网络拓扑结构进行数据包的转发。数据报封装将数据包封装成网络层数据报，并添加首部信息以标识数据包的来源、目的地、类型等信息。差错控制检测数据传输过程中的错误，并进行必要的处理，确保数据的完整性。网络层协议的分类互联网协议主要用于互联网，例如IP协议、ICMP协议、ARP协议等。局域网协议主要用于局域网，例如NovellNetWare的IPX协议、AppleTalk协议等。无线网络协议用于无线网络通信，例如无线局域网协议802.11。IP协议简介1核心协议作为互联网的核心协议，负责数据包的寻址、路由和传输。2无连接协议IP协议不提供数据传输的可靠性保证，需要依靠上层协议进行可靠性控制。3面向连接协议TCP协议是面向连接的，需要建立连接才能进行数据传输，并提供可靠的数据传输服务。4用户数据报协议UDP协议是无连接的，不需要建立连接即可进行数据传输，但无法保证数据的可靠性。IP地址的概念1逻辑地址IP地址是逻辑地址，用于标识网络中的每个节点，与物理地址不同。2标识节点每个网络节点都有一个唯一的IP地址，用于标识该节点在网络中的位置。3用于寻址网络层协议使用IP地址进行寻址，以便将数据包传输到正确的节点。4用于路由路由器使用IP地址进行路由，将数据包转发到目标节点。IPv4地址结构32位数IPv4地址由32位二进制数字组成。4段数IP地址通常用点分十进制表示，分成4个字节，每个字节用0-255之间的十进制数表示。IPv4地址分类A类地址第一个字节的最高位为0，用于大型网络，例如公司内部网。B类地址第一个字节的最高两位为10，用于中等规模网络，例如大学网络。C类地址第一个字节的最高三位为110，用于小型网络，例如家庭网络。D类地址第一个字节的最高四位为1110，用于多播地址，用于向多个节点发送数据包。子网划分划分网络将一个大的网络划分为多个小的子网，以便更好地管理和控制网络。提高效率子网划分可以提高网络效率，减少广播域的大小，从而降低网络流量。增强安全性子网划分可以提高网络安全性，通过隔离不同的子网，防止攻击者入侵网络。子网掩码计算1子网掩码是一个32位的二进制数，用于标识网络地址和主机地址之间的界限。2子网掩码的计算方法取决于子网的大小，可以通过掩码位数来确定子网的大小。3子网掩码通常用点分十进制表示，例如255.255.255.0。CIDR表示法无类域间路由CIDR表示法是一种用于简化网络地址表示的方案，它使用斜杠表示子网掩码的位数。简化地址CIDR表示法可以简化地址的表示，例如192.168.1.0/24表示一个子网掩码为255.255.255.0的网络。灵活分配CIDR表示法允许网络管理员灵活地分配网络地址，根据需要分配不同的子网大小。IPv6地址结构IPv6地址分配1全球唯一每个IPv6地址在全球范围内都是唯一的，确保了网络通信的可靠性。2层次结构IPv6地址分配采用层次结构，方便管理和分配地址。3灵活分配IPv6地址分配更加灵活，能够满足未来网络发展的需求。路由器的作用数据转发路由器根据数据包的目的地地址进行数据转发，将数据包发送到正确的网络。网络连接路由器连接不同的网络，例如局域网和广域网，实现网络互联。流量控制路由器可以控制网络流量，防止网络拥塞，确保网络的稳定运行。静态路由与动态路由静态路由由网络管理员手动配置，用于指定数据包的转发路径，适用于网络拓扑结构较小的网络。动态路由由路由器自动学习网络拓扑结构，并根据网络状况自动调整路由，适用于网络拓扑结构复杂的网络。路由算法概述链路状态路由算法通过收集网络中所有节点的信息，构建网络拓扑图，然后计算最短路径。距离矢量路由算法每个路由器维护一个路由表，记录到其他节点的距离信息，并与邻居节点交换路由信息。链路状态路由算法1链路状态路由算法是一种基于全局信息的路由算法，它需要收集网络中所有节点的信息，并构建网络拓扑图。2每个节点维护一个链路状态数据库，记录到其他节点的距离和带宽信息。3链路状态路由算法通常使用Dijkstra算法计算最短路径，并更新路由表。距离矢量路由算法距离矢量每个路由器维护一个距离矢量表，记录到其他节点的距离信息，以及到达该节点的下一跳路由器。交换信息路由器定期交换距离矢量表，以更新路由信息，并根据距离信息选择最佳路径。动态调整距离矢量路由算法能够根据网络状况动态调整路由，适应网络拓扑结构的变化。IP数据报的封装格式1首部IP数据报的首部包含数据包的源地址、目标地址、协议类型、数据报长度等信息。2数据IP数据报的数据部分包含上层协议的数据，例如TCP数据段或UDP数据报。IP数据报的首部格式1版本标识IP协议版本，例如IPv4或IPv6。2首部长度标识IP数据报首部长度，以4字节为单位。3服务类型指示数据包的优先级和服务质量要求。4总长度标识整个IP数据报的长度，包括首部和数据部分。5标识用于区分不同的数据包，可以用来识别重复的数据包。6标志指示数据包是否需要分片，以及分片后的顺序。7片段偏移指示数据包分片后的偏移量，用于重组数据包。8生存时间标识数据包在网络中可以传输的最大时间，用于防止数据包在网络中无限循环。9协议标识上层协议的类型，例如TCP或UDP。10首部校验和用于校验IP数据报首部是否出现错误。11源地址标识数据包发送节点的IP地址。12目标地址标识数据包接收节点的IP地址。13选项用于提供一些可选功能，例如安全选项、路由选项等。IP数据报的生存时间TTL255默认值IP数据报的生存时间TTL默认值为255，表示数据包可以传输255次。1递减每个路由器转发数据包时，都会将数据包的TTL值减1。0丢弃当数据包的TTL值降为0时，路由器会丢弃数据包。IP数据报的分片与重组分片当数据包的长度超过网络中允许的最大传输单元MTU时，路由器会将数据包分片。重组目的节点收到分片数据包后，会根据数据包的标识和片段偏移量进行数据包重组。网关的作用连接网络网关连接两个或多个不同的网络，例如局域网和广域网。协议转换网关可以进行协议转换，将不同协议的数据包进行转换，以便在不同网络之间传输。安全防护网关可以提供防火墙功能，阻止来自外部网络的攻击，保护内部网络安全。主机与网关的通信1数据包封装主机将要发送的数据包封装成网络层数据报，并添加IP地址和端口号等信息。2路由转发数据包通过路由器进行转发，最终到达目的主机所在的网络。3网关接收网关接收数据包，并根据数据包的目的地地址进行转发。4数据包解封装目的主机收到数据包后，会解封装数据包，并提取数据部分。ARP协议的工作机制1ARP协议是一种地址解析协议，用于将IP地址转换为物理地址（MAC地址）。2当主机要向另一个主机发送数据包时，需要先获取该主机的物理地址。3主机发送一个ARP请求广播，询问网络中是否有对应IP地址的主机。4目标主机接收到ARP请求后，会发送一个ARP响应，告知自己的物理地址。5主机收到ARP响应后，将IP地址和物理地址映射到ARP缓存中，以便下次直接发送数据包。ICMP协议的报文类型差错报告当网络设备发现数据包无法到达目的地时，会发送差错报告。查询报文用于查询网络状态，例如ping命令使用ICMP协议发送查询报文。ICMP协议的差错报告目的地不可达当数据包无法到达目的地时，会发送目的地不可达的差错报告。时间超过当数据包在网络中传输时间过长时，会发送时间超过的差错报告。重定向当数据包到达错误的路由器时，会发送重定向的差错报告。ICMP协议的查询报文回声请求ping命令使用ICMP协议发送回声请求，用于测试网络连接性。回声应答目标主机收到回声请求后，会发送回声应答，用于确认网络连接正常。基于ICMP的网络诊断ping命令ping命令使用ICMP协议发送回声请求，用于测试网络连接性。traceroute命令traceroute命令使用ICMP协议发送时间超过的差错报告，用于追踪数据包的路径。网络层安全威胁IP欺骗攻击者伪造数据包的源地址，进行攻击行为。拒绝服务攻击攻击者向目标节点发送大量数据包，导致目标节点无法正常工作。中间人攻击攻击者截获通信数据，并进行篡改或窃取。网络层安全防护技术防火墙防火墙可以过滤网络流量，阻止来自外部网络的攻击