第五章 网络 之 计算机网络
文章目录
计算机体系结构
计算机网络概念、组成与功能
计算机网络分层结构
一. 物理层
二. 数据链路层
组帧
以太网MAC层
链路层设备
三. 网络层
网络层主要任务：
- 通过路由选择算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径；
- 网络层使用数据链路层的服务，实现路由选择、拥塞控制与网络互连等基本功能，向传输层的端到端传输连接提供服务。
异构网络互联（互联网）
互联网是使用IP协议，通过路由器（网关）将各种物理网络互连起来的虚拟互连网络。
互连起来的各种物理网络的异构性是客观存在的，利用IP协议可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络（屏蔽物理网络的异构性）。
从网络层看IP数据报：
- 网络地址不变（源IP地址、目的IP地址）
- 链路层地址变化（源MAC地址、目的MAC地址）
路由与转发
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转发
转发就是路由器根据路由/转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去。 -
路由选择
按照分布式算法根据从各相邻的路由器得到关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择地路由。路由表是根据李由选择算法得出地。 - 路由表
- 为什么不用目的主机号制作路由表 / 为什么不直接用MAC地址/寻址？
（1）根据目的主机的MAC地址制作路由表，使得路由表过于庞大。
（2）由于物理网络的异构性使不同链路主机的地址不统一，需要转化。
有四个A类网络通过三个路由器连接在一起。每一个网络上都可能有成千上万个主机。可以想象，若按目的主机号来制作路由表，则所得出路由表就会过于庞大。但若按主机所在网络地址来制作路由表，那么每一个路由器中的路由表就只包含4个项目。可以使路由表简化。
- 路由表 工作原理
在路由表中，对每一条路由，包含（目的网络地址，下一跳地址）
路由表项主要字段：目的网络、子网掩码、下一跳路由、经由接口
根据目的网络地址就能确定下一跳路由器，因此IP数据报最终一定可以找到目的主机所在目的网络上的路由器（可能经过多次间接交付）。只有到达最后一个路由器时，才试图向目的主机进行直接交付。
注：
IP数据报首部中没有地方用来指明"下一跳路由器的IP地址"
当路由器收到待转发的数据报，不是将下一跳路由器的IP地址填入IP数据报，而是送交下层的网络接口软件。网络接口软件使用ARP负责将下一跳路由器的IP地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层MAC帧首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。
因此IP数据报在网络层IP（逻辑）地址不变，MAC（物理）地址不断变化。
- 分组转发算法
（1）从数据报的首部提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地址为N；
（2）若网络N与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机D；否则是间接交付，执行（3）；
（3）若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则执行（4）；
（4）若路由表中有到大网络N的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行（5）；
（5）若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由；否则，执行（6）；
默认路由：若匹配路由表中其他项都不匹配，则走默认路由指明的路由。
（6）报告转发分组出错。
若路由表项皆不匹配且无默认路由，主机发出错的ICMP包。
IPv4 & IPv6
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IPv4分组
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IP数据报格式
一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。 -
IP数据报的分片与重组
IP数据报作为网络层数据必然要通过帧来传输。一个数据报可能要通过多个不同的物理网络。每一个路由器都要将接收到的帧进行拆包和处理，然后封装成另外一个帧。每一种物理网络都规定了各自帧的数据域最大字节长度的最大传输单元。其中帧的格式与长度取决于物理网络所采用的协议。
分片、重组的基本方法——标识、标志和片偏移
在IP数据报的报头，与一个数据报的分片、组装相关的域有标识域、标志域和片偏移域 -
IPv4地址
TCP/IP协议的网络层使用的地址标识符叫做IP地址。IPv4中IP地址是一个32位的二进制地址，采用点分十进制。网络中的每一个主机或路由器至少有一个IP地址（连接到多个物理网络时，可以用有多个处于不同网络的IP地址）。在Internet中每个设备的IP地址全网唯一。
IP地址编址方式： -
第一阶段：分类IP地址（2级结构）
由两部分组成，网络号和主机号，其中不同分类具有不同的网络号长度，并且是固定的。
IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}
（1）IP地址是一种分等级的地址结构。好处在于：网络号由IP地址管理机构在分配IP地址时分配；主机号由得到该网络号的单位自行分配。且路由器仅根据目的主机所连接的网络号转发分组，减少路由表表项。
（2）IP地址标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。一个路由器应当连接到两个或多个网络上（将IP数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器的每个接口都有一个不同网络号的IP地址。
（3）用转发器或网桥（链路层）连接起来的若干局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有相同的网络号。
（4）同一局域网上主机域路由器IP地址网络号必须相同（才能通过路由器转发数据 => 上网） -
第二阶段：子网划分（3级结构）
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第三阶段：CIDR（形成超网）
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第四阶段：NAT（地址转换）
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IPv6