第五章網絡層新工科建設·網絡工程系列教材計算機網絡01網絡層概述網絡互聯的基本概念隨著計算機網絡技術的發展，以及對計算機網絡需求的增加，需要將兩個甚至多個計算機網絡相互連接起來，構成一個大的互聯網絡，使用戶能更廣泛、有效地實現資源共享。由于現有網絡在性能或功能上都存在著一定的差異性(如網絡接入機制、最大分組長度、尋址方式、選路技術、差錯控制方式等),因此不同網絡之間一般是在網絡層通過路由器實現相互連接的，并在網絡層采用標準化的網際協議(IP)。網絡層概述網絡層概述網絡層提供的服務網絡層位于運輸層之下，為運輸層提供服務。從通信的角度講，網絡層提供兩種服務：面向連接服務和無連接服務，對這兩種服務的具體實現就是虛電路服務和數據報服務。網絡層概述網絡層概述網絡層概述網絡層在數據鏈路層提供的相鄰兩個節點間的數據幀的傳送功能基礎上，進一步管理網絡中的數據通信，盡最大努力將數據從源端經過若干中間節點傳送到目標端，從而向運輸層提供最基本的端到端的數據傳送服務。網絡層的功能網絡層概述網絡層的目的是實現兩個端系統之間的數據透明傳輸，其主要功能有以下三項。1.尋址2.路由選擇3.分片與重組網絡層的功能02網際協議IPv41.IPv4數據報格式IP數據報在網絡中的傳輸是通過數據報的各個具體字段實現的，學習IP數據報的結構對深入理解和掌握IP的工作原理至關重要，而且運輸控制協議(TCP)、用戶數據報協議(UDP)、互聯網控制報文協議(ICMP)和互聯網組管理協議(IGMP)數據都是封裝在IP數據報中傳輸的。網際協議網際協議IPv42.IPv4地址(1)標準分類的IPv4地址(2)特殊的IPv4地址網際協議網際協議IPv43.子網劃分IPv4地址是一個32位的地址，其數量是有限的。隨著注冊IP地址、上網人數的增加，IP地址也出現不夠用的情況。為了解決這個問題，提出了子網(subnet)的概念，RFC940對子網的概念和劃分子網的標準做了說明。網際協議網際協議IPv44.無分類域間選路劃分子網雖然在一定程度上緩解了互聯網在發展中遇到的困難，但是依然沒有阻止IPv4地址耗盡的步伐。而且隨著網絡地址數量的不斷增加，主干路由器必須跟蹤每個A類、B類和C類網絡，有時建立的路由表包含長達幾萬個表項。網際協議IPv44.無分類域間選路劃分子網雖然在一定程度上緩解了互聯網在發展中遇到的困難，但是依然沒有阻止IPv4地址耗盡的步伐。而且隨著網絡地址數量的不斷增加，主干路由器必須跟蹤每個A類、B類和C類網絡，有時建立的路由表包含長達幾萬個表項。網際協議網際協議1.IPv6數據報格式IPv6仍支持無連接的傳送，其主要變化有以下幾方面。①更大的地址空間。②擴展的地址層次結構。③靈活的首部格式。④改進的選項。⑤支持即插即用(自動配置)。⑥IPv6首部改為8字節對齊。⑦支持資源的預分配。⑧允許協議繼續擴充。IPv6網際協議IPv6網際協議2.IPv6地址IPv6地址長度為128位，分為8個字段，每個字段由16位的二進制數組成，最大值為16384,在書寫時用4位的十六進制數表示，并且字段與字段之間用“:”隔開，而不是原來的“.”?；镜腎Pv6地址表示方式為XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXXIPv6網際協議2.IPv6地址(1)單播地址(2)組播地址(3)任播地址(4)特殊地址特殊地址有兩種：未指明地址和環回地址。IPv6IPv4向IPv6過渡的技術

1.雙協議棧雙協議棧技術是指在終端設備和網絡節點上既安裝IPv4又安裝IPv6的協議棧，以實現使用IPv4或IPPv6的節點間的信息互通。支持IPv4/IPv6雙協議棧的路由器作為核心層邊緣設備支持向IPv6的平滑過渡，典型的IPv6/IPv4雙協議棧結構如圖5-15所示，IPv6/IPv4雙協議棧的工作過程如圖5-16所示。網際協議IPv4向IPv6過渡的技術

1.雙協議棧雙協議棧技術是指在終端設備和網絡節點上既安裝IPv4又安裝IPv6的協議棧，以實現使用IPv4或IPPv6的節點間的信息互通。支持IPv4/IPv6雙協議棧的路由器作為核心層邊緣設備支持向IPv6的平滑過渡，典型的IPv6/IPv4雙協議棧結構如圖5-15所示，IPv6/IPv4雙協議棧的工作過程如圖5-16所示。網際協議IPv4向IPv6過渡的技術

2.隧道技術隨著IPv6網絡的發展，出現了許多局部的IPv6網絡，為了實現這些孤立的IPv6網絡之間的互通，采用了隧道技術。隧道技術是指在IPv6網絡與IPv4網絡間的隧道入口處，由路由器將IPv6數據報封裝到IPv4數據報中。網際協議IPv4向IPv6過渡的技術

3.NAT-PTNAT-PT分為兩種：靜態NAT-PT和動態NAT-PT。網際協議IPv4向IPv6過渡的技術

3.NAT-PTNAT-PT分為兩種：靜態NAT-PT和動態NAT-PT。網際協議03IP選路IP選路1.路由器的內存類型路由器采用不同類型的內存，每種內存以不同方式協助路由器工作。①只讀內存(ROM,ReadOnlyMemory)；②閃存(Flash)；③隨機存取內存或動態隨機存取內存(RAM/DRAM,RandomAccessMemory/DynamicRandomAccessMemory)；④非易失性RAM(NVRAM,NonvolatileRAM)；路由器IP選路2.路由器的端口類型(1)配置端口路由器的配置端口有兩個，分別是控制(console)端口和輔助(AUX)端口。(2)局域網端口常見的局域網端口主要有AUI端口、RJ45端口、SC端口等。(3)廣域網端口路由器不僅能實現局域網之間的連接，更重要的應用還是在于局域網與廣域網、廣域網與廣域網之間的連接。路由器IP選路3.路由器的結構(1)路由選擇處理機(2)分組處理與交換部分該部分由一組輸入端口、交換結構和一組輸出端口組成。路由器IP選路3.路由器的結構(1)路由選擇處理機(2)分組處理與交換部分該部分由一組輸入端口、交換結構和一組輸出端口組成。路由器路由器4.路由器的功能(1)路由功能(2)交換/轉發功能IP選路網絡層的工作流程網絡層可以從TCP、UDP、ICMP和IGMP接收數據報(在本地生成的數據報)并進行發送，或者從一個網絡接口接收數據報(待轉發的數據報)并進行發送。網絡層在內存中有一個路由表，每當收到一個數據報并進行發送時，它都要對該表搜索一次。IP選路IP選路04路由選擇協議路由信息協議

1.RIP的報文格式RIP有兩個版本，即RIP-1和RIP-2。RIP報文使用UDP的520端口來發送和接收，RIP-2報文的格式如圖5-21所示。路由選擇協議路由信息協議

1.RIP的報文格式RIP有兩個版本，即RIP-1和RIP-2。RIP報文使用UDP的520端口來發送和接收，RIP-2報文的格式如圖5-21所示。路由選擇協議路由信息協議

2.RIP工作原理路由器剛啟動RIP時，以廣播或組播的形式向相鄰路由器發送請求報文，相鄰路由器的RIP收到請求報文后響應該請求，回送包含本地路由表信息的響應報文。路由選擇協議路由信息協議

3.距離矢量算法距離矢量算法是基于貝爾曼-福特算法實現的，該算法的基本要點是：設X是節點A到B的最短路徑上的一個節點，如果把路徑A→B拆成兩段路徑，即A→X和X→B,那么每段路徑A→X和X→B也都分別是A到X和X到B的最短路徑。路由選擇協議開放最短路徑優先協議1.OSPF協議的特征OSPF協議最主要的特征是使用分布式的鏈路狀態協議，有以下三個要點需要注意。①向本自治系統中所有路由器發送信息，這里使用的方法是洪泛法。②發送的信息就是與本路由器相鄰的所有路由器的鏈路狀態，但這只是路由器所知道的部分信息。③只有當鏈路狀態發生變化時，路由器才用洪泛法向所有路由器發送此信息。路由選擇協議開放最短路徑優先協議2.OSPF協議中的幾個概念①區域(Area)。②路由器ID。③相鄰路由器。④相鄰關系。⑤指定路由器(DR,DesignatedRouter)和備份指定路由器(BDR,BackupDesignatedRouter)。⑥鏈路狀態數據庫(LSDB,LinkStateDataBase)。⑦鏈路狀態廣播(LSA,LinkStateAdvertisement)。路由選擇協議路由選擇協議開放最短路徑優先協議3.OSPF協議的報文類型4.OSPF協議的報文格式5.OSPF協議的基本操作路由選擇協議開放最短路徑優先協議3.OSPF協議的報文類型4.OSPF協議的報文格式5.OSPF協議的基本操作路由選擇協議路由選擇協議邊界網關協議(BGP,BorderGatewayProtocol)是一種用于不同自治系統的路由器之間進行通信的外部網關協議，是由IETF制定的一種加強的、完善的、可伸縮的協議。當前版本是BGP4,支持CIDR尋址方案(該方案增加了互聯網上的可用IP地址數量)。邊界網關協議路由選擇協議邊界網關協議(BGP,BorderGatewayProtocol)是一種用于不同自治系統的路由器之間進行通信的外部網關協議，是由IETF制定的一種加強的、完善的、可伸縮的協議。當前版本是BGP4,支持CIDR尋址方案(該方案增加了互聯網上的可用IP地址數量)。邊界網關協議05互聯網控制報文協議ICMP報文ICMP報文封裝在IP數據報中進行傳輸。雖然ICMP報文用IP封裝和發送，但并不把它看成高層協議，它是IP的一個必要部分。所有ICMP報文的前4字節都是一樣的，其余字節則互不相同。ICMP報文格式如圖5-27所示?；ヂ摼W控制報文協議互聯網控制報文協議ICMP的典型應用1.Ping程序2.Traceroute程序互聯網控制報文協議互聯網控制報文協議與IPv4一樣，IPv6也不保證數據報的可靠交付，因為互聯網中的路由器可能會丟棄數據報，因此IPv6也需要使用ICMP來反饋一些差錯信息。新的版本是ICMPv6,它比ICMPv4要復雜得多。ARP和互聯網組管理協議(IGMP)的功能都已被合并到ICMPv6中。ICMPv606多協議標記交換基本原理MPLS協議是一種用于快速數據報交換和路由的體系，它為網絡數據流量提供了目標、路由、轉發和交換等能力，而且具有管理各種不同形式通信流的機制。多協議標記交換基本原理MPLS協議是一種用于快速數據報交換和路由的體系，它為網絡數據流量提供了目標、路由、轉發和交換等能力，而且具有管理各種不同形式通信流的機制。多協議標記交換MPLS協議的重要概念——轉發等價類轉發等價類(FEC,ForwardingEquivalenceClass)是MPLS協議的一個重