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计算机网络第5章网络层第5章网络层5.1概述5.1.1网络互联图5.1一个互联网的例子图5.2网络层实现分组穿越互联网的传输5.1.2分组交换5.1.3路由器1. 路由器的结构和功能图5.3路由器的结构2. 3层交换机5.1.4Internet网际层1. 网际层提供的服务及其特点2. 网际层的协议5.2网际协议(IP)5.2.1分类IPv4地址及划分子网1. 分类IPv4地址图5.4IP地址结构2. 划分子网图5.5子网号和子网掩码示例3. 私有地址5.2.2IP数据报格式图5.6IP数据报格式及服务类型子字段结构5.2.3IP差错检验算法1. 发送方生成检验和2. 接收方校验检验和3. 检验和算法示例图5.7检验和算法的例子5.2.4IP数据报的分片与重组1. IP数据报封装中的问题及解决方案2. IP数据报分片图5.8数据报分片示例3. 片重组4. 分片与重组控制5.2.5IP数据报转发1. IP数据报转发机制图5.9路由表示例2. 基本的IP数据报转发算法3. 统一的IP数据报转发算法图5.10子网IP数据报转发5.2.6IP数据报选项图5.11选项码5.3地址解析协议(ARP)5.3.1概述1. IP数据报传输过程中地址的使用图5.12IP地址和物理地址的使用2. 如何由IP地址得到物理地址图5.13R1中地址的查找和转换5.3.2ARP地址解析机制1. 基于动态绑定的解析机制图5.14ARP地址解析的工作过程2. 提高ARP解析效率5.4因特网控制报文协议(ICMP)5.4.1ICMP及其报文格式图5.15ICMP数据的封装5.4.2ICMP报文1. 差错报告报文2. ICMP控制报文图5.16ICMP路由重定向3. ICMP请求/应答(request/reply)报文4. 路由器发现(router discovery)报文5.5无类别域间路由选择(CIDR) 5.5.1CIDR编址1. CIDR产生的背景2. CIDR地址及记法3. CIDR地址分配示例5.5.2构造超网5.5.3最长前缀匹配5.6路由选择协议5.6.1概述1. 路由表的优化更新问题2. 两类路由选择协议3. 动态路由选择示例图5.17动态路由选择的简单例子5.6.2路由信息协议(RIP)1. 距离矢量路由算法图5.18距离矢量算法的例子图5.19路由更新2. 路由信息协议RIP图5.20RIP2报文格式5.6.3开放最短路径优先协议(OSPF)1. SPF路由选择算法图5.21Dijkstra算法示例图5.22以a为根的最短路径树2. OSPF路由选择协议概述3. OSPF报文图5.23OSPF报文格式4. 单区OSPF操作5. 链路状态信息的分区管理图5.24OSPF自治系统分区示例5.6.4边界网关协议(BGP)1. BGP及其特点2. BGP路由选择示例图5.25BGP路由选择示例3. BGP报文4. BGP的路由信息交换过程示例图5.26BGP路由信息交换的例子5.7IP多播5.7.1概述1. 什么是IP多播图5.27多播示例2. IP多播地址3. IP多播协议5.7.2因特网组管理协议(IGMP)1. IGMP报文图5.28IGMP报文格式及其封装2. IGMP工作机制3. 提高IGMP工作效率5.7.3距离矢量多播路由选择协议(DVMRP)1. 概述2. RPF构造广播树图5.29构造多播树3. 对广播树剪枝构造多播树4. 多播隧道图5.30多播隧道5.8下一代的网际协议IPv65.8.1概述5.8.2IPv6地址1. IPv6地址类型和地址空间2. IPv6地址记法3. 全球单播地址图5.31IPv6全球单播地址5.8.3IPv6数据报格式1. IPv6数据报图5.32IPv6数据报的一般形式2. IPv6数据报基本首部图5.33IPv6数据报基本首部格式3. IPv6数据报扩展首部图5.34有路由选择扩展首部的IPv6数据报5.8.4IPv4向IPv6过渡1. 双协议栈技术图5.35双协议栈传送IPv6数据报示例2. 隧道技术图5.36隧道技术5.9IP主干网5.9.1异步传输模式(ATM)1. 信元交换2. ATM体系结构图5.37ATM层次结构3. 物理层图5.38ATM信元装载于STM-1帧的例子4. ATM层图5.39UNI(a)和NNI(b)的信元头部图5.40ATM信元传输示例5. AAL层图5.41AAL仅在ATM网络的端点出现图5.42AAL5 数据处理6. ATM服务质量(QoS)7. ATM通信量控制5.9.2IP over ATM1. IPOA的网络结构图5.43传统IPOA网络示例2. IP数据报通过ATM网络3. IPOA的协议结构图5.44IP over ATM协议结构5.9.3多协议标记交换(MPLS)1. MPLS网络结构图5.45MPLS网络示例2. 基于标记的分组转发5.9.4IP over SDH1. IP over SDH及其特点2. IP over SDH的协议结构图5.46IP over SDH协议结构5.9.5IP over WDM思考题5.1用一句话概述网际层提供什么样的网络服务。
计算机网络技术第五章知识点计算机网络技术的第五章通常涵盖了网络层的相关重要知识。
网络层作为计算机网络体系结构中的关键层次，承担着数据分组的路由选择和转发等核心任务。
网络层的主要功能之一是路由选择。
简单来说，就是确定数据分组从源节点到目的节点的最佳路径。
这就好比我们在出行时需要规划一条最优的路线，网络中的数据分组也需要找到一条最快捷、最可靠的路径来传输。
为了实现路由选择，网络层使用了各种各样的路由算法。
其中，距离矢量路由算法和链路状态路由算法是比较常见的两种。
距离矢量路由算法通过相邻路由器之间交换路由信息来更新路由表。
每个路由器会告诉邻居自己到各个目的地的距离（通常用跳数来衡量）。
然而，这种算法可能会存在计数到无穷大的问题，导致路由环路的出现。
链路状态路由算法则相对更加复杂和准确。
每个路由器需要了解整个网络的拓扑结构和链路状态信息，然后通过计算最短路径来构建路由表。
这种算法能够有效地避免路由环路，但计算量较大，对路由器的性能要求较高。
除了路由选择，网络层还负责数据分组的转发。
当数据分组到达路由器时，路由器会根据路由表中的信息将其转发到下一个合适的节点。
转发的过程通常是基于目的地址进行的。
网络地址转换（NAT）也是网络层的一个重要概念。
在私有网络中，使用的是私有 IP 地址，这些地址不能在公共网络中直接使用。
NAT 技术可以将私有 IP 地址转换为合法的公共 IP 地址，从而实现私有网络与公共网络的通信。
IPv4 是当前广泛使用的网络层协议，但由于其地址空间有限，IPv6 逐渐得到推广。
IPv6 具有更大的地址空间、更好的安全性和扩展性。
在网络层中，还涉及到一些控制和管理机制，比如拥塞控制。
当网络中的数据流量过大，导致网络拥塞时，需要采取相应的措施来缓解拥塞，保证网络的正常运行。
常见的拥塞控制方法包括慢开始、拥塞避免、快重传和快恢复等。
另外，网络层的服务质量（QoS）也是一个重要的方面。
不同的应用对网络性能有不同的要求，比如实时性要求较高的语音和视频通信需要较低的延迟和抖动，而文件传输则对可靠性要求较高。
计算机网络课件第5章网络层计算机网络课件第5章：网络层计算机网络中，网络层是整个网络结构的重要组成部分之一。
网络层的主要功能是实现网络之间的数据传输和路由选择，也是实现端到端通信的重要手段。
本文将介绍网络层的定义、结构、协议和技术，以及网络层在计算机网络中的作用和重要性。
一、网络层的定义在计算机网络中，网络层是数据传输过程中的一个层次。
它负责将上层传来的数据包进行转发，实现端到端的数据传输。
网络层还负责为每个数据包选择一个最佳的传输路径，以保证数据能够快速准确地传输到目的地。
二、网络层的结构网络层的结构通常由两部分组成：数据包和路由器。
数据包是网络层传输的基本单位，它包含了数据和一些元信息，如源地址、目的地址等。
路由器是网络层的核心设备，它负责数据包的路由选择和转发，是保障数据传输的重要环节。
三、网络层的协议在网络层中，常用的协议有IPv4和IPv6。
IPv4是目前使用最广泛的网络协议之一，它采用32位地址，能够支持约42亿个地址。
IPv6则是IPv4的升级版本，采用了128位地址，能够支持更多数量的地址。
此外，网络层还涉及到一些其他的协议，如ICMP、ARP、RARP等。
ICMP是Internet控制报文协议，主要用于网络故障诊断和错误报告。
ARP（Address Resolution Protocol）是地址解析协议，它解决了网络层地址与物理层地址之间的映射问题。
RARP则是反向地址解析协议，可以根据物理地址找到对应的网络地址。
四、网络层的技术网络层的技术主要涉及到路由选择算法和路由协议。
路由选择算法负责选择最佳的传输路径，其中最常用的算法有Dijkstra算法、Bellman-Ford算法和SPF算法等；而路由协议则负责路由器之间的通信和信息交换，包括OSPF协议、BGP协议、RIP协议等。
此外，网络层还涉及到一些技术，如IP负载均衡、VPN、VLAN等。
IP负载均衡能够将流量分散到多个服务器上，提高服务的可靠性和性能；VPN则提供了网络隔离和保密的功能，适用于企业间互联和远程访问等场景；VLAN则将整个局域网分成若干个虚拟网络，提高了网络的安全性和可维护性。
第5章网络层教学目标：1、掌握网络层功能2、理解IP地址分类3、理解划分子网的方法4、了解路由器的功能5、掌握路由和路由协议的概念6、理解网络层协议和功能教学重点：1、IP地址分类2、划分子网3、路由和路由协议的概念教学难点：子网的划分教学课时：2课时教学方法：讲授法、讲解法、演示法、讨论法、练习法教学过程及内容：第5章网络层5.2 网络层功能一、网络层功能：完成数据包寻址和路由的功能走哪一条？二、网络层地址：1、网络层协议定义了识别网络中主机的地址2、地址包括网络部分和主机部分三、网络层协议：在TCP/IP协议栈中，运行在网络层的协议主要有：⏹IP（Internet Protocol ）协议：负责网络层寻址、路由选择、分段及包重组。
⏹地址解析协议（ARP ，Address Resolution Protocol)：负责把网络层地址解析成物理地址，比如MAC地址。
⏹逆向地址解析协议（RARP ，Reverse ARP）：负责把硬件地址解析成网络层地址。
⏹Internet控制信息协议(ICMP ，Internet Control Message Protocol)：负责提供诊断功能，报告由于IP数据包投递失败而导致的错误。
⏹Internet组管理协议(IGMP ，Internet Group Management Protocol)：负责管理IP组播组。
5.3 IP地址一、IP地址的概念：1、IP地址的结构：IP地址是32位的二进制数。
每个IP地址被分为两部分，网络ID和主机ID网络ID主机ID2、 IP 地址的表示方法：在计算机内部，IP 地址是用二进制数表达的，共32bit 。
例如：11000000 10101000 00000101 01111011；然而，使用二进制表示，很不方便我们记忆，通常把32位的IP 地址分成四段，每个8个二进制为一段，每段二进制分别转换为我们习惯的十进制数。
并用点隔开。
第五章网络层5.1 中间设备1、物理层：集线器、转发器·全部的计算机都在一个冲突域中，有一台机器发信息，则它就占有整个链路，其他的计算机都不会发送信息。
2、数据链路层：网桥（透明网桥），交换机·将一个冲突域变成多个，但是所有的机器都在一个广播域中。
3、网络层：路由器（网关）·将一个广播域分成多个。
5.2 网络层的协议一、各协议的作用1、IP协议：解决了路由的问题。
主要是IP地址。
2、ARP协议（地址解析协议）：根据IP地址来寻找MAC地址。
3、RARP协议（逆向地址解析协议）：根据MAC地址来寻找IP地址。
4、ICMP协议（因特网控制报文协议）：用于在IP主机、路由器之间传递控制信息。
5、IGMP协议（因特网组管理协议）：主要用来解决网络上广播时占用带宽的问题。
二、IP地址·IP地址有很多版本，现在常用的是IPV4，4个字节（32bit）表示一个地址。
·IP地址由两部分组成：网络号（net-id）+主机号（host-id）·IP地址分为五类。
A类地址：·网络号（1B）+主机号（3B），且网络号的首位必须是0。
·网络的区间是：1~126（0 000 0001~0 111 1110）·如果网络号全为0：说明是本网络。
·如果网络号为127：用作本地软件回送测试。
B类地址：·网络号（2B）+主机号（2B），且网络号的前两位是10。
·网络的区间是：128.0~191.255C类地址：·网络号（3B）+主机号（1B），且网络号的前三位是110。
·网络的区间是：192.0.0~223.255.255·主机号区间是：1~254（0000 0001~1111 1110）·主机号全为0：表示本主机。
·主机号全为1：表示广播。
D类地址：·前4位必须是1110。
数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端，从而向传输层提供最
基本的端到端的数据传送服务。
网络层关系到通信子网的运行控制，体现了网络应用中资源子网访问通信子网的方式，是OSI模型中面向数据通信的底三层中最为复杂，关键的一层。
网络层具体功能：路由选择，拥塞控制和网际互联
端点之间的通信是靠通信子网中的节点间的通信来实现的，网络层是网络节点中的最高层，所以网络层将体现通信子网向端系统提供的网络服务。
在分组交换方式中，通信子网向端系统提供虚电路和数据报两种网络服务。
在虚电路操作方式中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要先建立一条逻辑通路，因为这条逻辑通路不是专用的，所以称之为虚电路
节点间的物理信道在逻辑上均可看作由多条逻辑信道组成，这些逻辑信道实际上是由节点内部的分组缓冲器来实现，所谓占用某条逻辑信道，实质上是指占用了该段物理信道上节点分配的分组缓冲器，不同的逻辑信道在节点内部通过逻辑信道号加以区分，各条逻辑信道异步地分时复用同一条物理信道。
一条虚电路可能要经过若干个中间节点，在节点间的各段物理信道上都要占用一条逻辑信道用以传送分组，所以个节点内部必须建立一张虚电路表。
每个节点的虚电路表中要记录两个逻辑信号道，前一个节点所选取的是逻辑信道号和本节点所选取的逻辑信道号，这样使得虚电路所跨越的每一段连接上的逻辑信道号都是唯一的。
个节点的虚电路表空间和逻辑信道号都是网络资源，当虚电路拆除时必须收回。
在数据报操作方式中，每个分组被称为一个数据报，若干个数据报构成一次要传送到报文或数据块。
每个数据报自身携带有足够的信息，他的传送是被单独处理的
由于各行其道，个数据报不能保证按顺序到达目的节点，有些数据报甚至还可能在途中丢失，在整个数据报传送过程中，不需要建立虚电路，但网络节点要为每个数据报做路由选择。
虚电路服务是网络层向传输层提供的一种使所有分组按顺序到达目的端系统的可靠的数据传送方式。
提供虚电路服务的通信子网内部的实际操作即可以是虚电路方式的，也可以是数据包方式的。
OSI中面向连接的网络服务就是虚电路服务。
SNA就是采用虚电路操作支持虚电路服务方式的实例。
以数据报方式操作的网络，也可以是提供虚电路服务，即通信子网内部节点按数据报方式交换数据，而与端系统相连的网络节点则向端系统提供虚电路服务。
网络节点在收到一个分组后，要确定向下一节点传送到路径，这就是路由选择。
在数据报方式中，网络节点要为每个分组路由做出选择，而在虚电路方式中，只需要连接建立时确定路由。
确定路由选择的策略成为路由选择算法。
路由选择的核心是路由选择算法。
设计路由算法时要考虑诸多的技术要素，首先考虑是旋律最短路由还是选择最佳路由，其次是要考虑通信子网是采用虚电路的还是数据报的操作方式。
第三是采用分布式路由算法，即由中央节点或始发节点来决定整个路由，第四是要考虑关于拓扑，流量，延迟等网络信息的来源。
最后确定是采用静态路由选择策略，还是动态路由选择策略。
最优化原则是：如果路由器J在从路由器I到K的最佳路由上，那么从J到K 的最佳路就会走统一路由之中。
最优化原则和汇集树为路由选择算法提供了一种衡量标准。
静态路由选择算法，是一类不用测量也不需要利用网络信息，而按某种固定规则进行路由选择的算法。
静态路由选择算法三种：最短路由选择算法，扩散法和基于流量的路由选择算法。
最短路由选择的基本思想，建立一个子网图，途中每个节点代表一台路由器，每条弧线代表一条通信线路，弧上的数字代表该线路的权重。
扩散法是一种最简单的路由算法，又叫泛设路由选择法。
基于流量的路由选择，是一种既考虑拓扑结构又兼顾网络负载的静态路由选择算法。
静态算法不考虑网络的当前负载情况，节点的路由选择要依靠网络当前的状态信息来决定策略，成为动态路由策略。
也称为自适应路由选择算法。
这种策略能较好的适应网络流量，拓扑结构的变化，有利于改善网络的性能，即距离矢量路由算法和链路状态路由算法。
距离矢量路由算法是这样的：每个路由器维护一张路由表，以子网中的每个路由器为索引，表中列出了当前已知的路由器到每个目标路由器的最佳距离，以及所使用的线路，通过在邻居之间相互交换信息，路由器不断地更新太慢内部的路由表。
链路状态路由算法，每个路由器必须完成的工作是：1发现他的邻居节点，并知道其网络地址2测量到个邻居节点的延迟或者开销 3 构造一个分组，分组中包含所有他刚刚知道的信息 4 将这个分组发送给所有其他的路由器5计算出到每一个其他路由器的最短路径
链路状态路由算法在因特网中被广泛使用的OSPF开发最短路径有限协议。
移动主机是指那些离开了原始站点还想继续连接网络的主机。
主机需要给其他多个主机发送消息，同时给所有的目标发送给一个分组，这成为广播。
第四种广播算法显示的使用率以发广播的路由器为根的汇集树。
最后一种广播算法是即使当路由器根本不知道任何关于生成树的信息的时候，也要试图到达前一种方法的近似效果。
基本的想法称为逆向路径转发。
给这样一个组发送消息称为多点播送，简称多播，又称组播，他的路由算法称为多播路由选择。
对于路由器来说，他们的那些主机属于那些组是非常重要的，当主机与组织之间的从属关系发生变化的时候，主机必须将这些变化告诉路由器，或者路由器定期地询问他们的主机。
拥塞现象，是指到达通信子网中某一部分分组数据过多，是得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降下来，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。
拥塞发生的原因：1多条流入线路有分组到达，并需要同一输出线路，此时，如果路由器没有足够的内存来存放所有这些分组，那么有的分组就会丢失。
2路由器的慢速处理器的缘故，以至于难以完成必要的处理工作。
拥塞控制的任务是确保子网能够承载所达到的流量，流控制只与特定的发送方不会持续地超过接收方吸收的能力的速率传输数据，流控制通常涉及的做法是接收方发送方提供某种直接的反馈。
拥塞控制解决办法：开环的和闭环的
共同之处都是在作出决定的时候不考虑网络的当前状态。
开环算法可以分成在源端采取动作还是在目的端采取行动作两类算法。
闭环方案则建立在反馈环路的概念基础之上。
一旦出现拥塞，两种解决方案，增加资源，降低负载
虚电路中用，进行资源预留
实施负载脱落，是指当路由器因为来不及处理分组而被淹没的时候，只要将这些分组丢弃即
可。
从一个源到一个目标的分组刘称为一个流，在面向连接的网络中，属于同一个流的所有分组会走同样的路由路径，而在无连接的网络中，他们可能会走不同的路径。
流的需求特征：可靠性，延迟，抖动和带宽。
