目录
一、网络层概述
1、主要作用
- 数据平面：
转发
【经过单个交换结构的过程】- 控制平面：
路由选择
【从源到目的地路径计划的过程】2、控制平面方法
传统方法：控制平面的路由选择算法决定了插入该路由器的转发表内容
SDN方法：添加远程控制器
3、网络层提供的两种服务
二、路由器工作原理
1、路由器总体结构
2、输入、输出端口处理
（1）输入端口
路由器转发表
前缀匹配
链路接口
11001000 00010111 00010 0 11001000 00010111 00011000 1 11001000 00010111 00011 2 其他 3 路由器使用
最长前缀匹配规则
，在该表中找最长匹配项比如：地址
11001000 00010111 00011000
10101010的前24bit与接口1匹配，前21bit与接口2匹配，根据最长前缀匹配规则，路由器向链路接口1转发该分组
（2）输出端口
3、交换
（1）经内存交换
- 一个分组到达一个输入端口后，该端口通过中断方式向路由选择处理器发出信号
- 该分组被复制到处理器内存中
- 路由选择处理器从其首部提取目的地址，在转发表中找到适当输出端口
- 并将该分组复制到输出端口的缓存中
（2）经总线交换
- 输入端口经一根共享总线将分组直接传送到输出端口，不需要路由选择处理器干预
- 输入端口预先计划一个交换机内部标签，将该分组经由总线到达所有输出端口
- 但只有与该标签匹配的端口才能保存该分组
- 标签随后再输出端口被去除
（3）经互联网络交换
- 纵横式网络能够并行转发多个分组，是非阻塞的
4、排队问题
（1）输入排队、输出排队
HOL线路前部阻塞
：在一个输入队列排队的分组必须等待通过交换结构发送，由于排在前面的数据报将其阻塞
（2）分组调度
1、先进先出【FIFO】
2、优先权排队
每个优先权类都有自己的队列
1、3、4分组优先权高，2、5分组优先权低
注意：在非抢占式优先权排队规则下，一旦开始传输就不能打断
3、循环和加权公平排队【WFQ】
先服务第1类，再服务第2类，再服务第3类，循环
第一类：1、2、4，第二类：3、5
分组1直接进行传输，链路调度器查找第二类的分组，对3进行传输
3传输完后，链路调度器查找第一类分组，对2进行传输
……
三、网际协议：IPv4、寻址、IPv6及其他
1、IPv4数据报格式
版本【4bit】
：IPv4、IPv6
首部长度【4bit】
：0000——1111，
单位是4B
。一般的IP数据报有20字节的固定部分，假设为1111即为15×4=60字节，去掉固定部分，则剩余可变长度为40字节。
首部长度至少为5
。
数据报长度【16bit】
：首部长度+数据长度，单位是1B。最大长度为65535。
寿命【TTL】
：每经过一个路由器-1，变0则丢弃。
协议
：指明该IP数据报的数据部分应该交给哪个特定的运输层协议。TCP—6，UDP—17。
转发时，IP数据报的
源IP地址、首部检验和、TTL
修改
2、IPv4数据报分片
（1）基本概念
不同的链路层协议拥有不同的最大传送单元（MTU），MTU严格限制IP数据报的长度。为了将较大的IP数据报挤进链路层帧的有效载荷字段，将IP数据报分片成多个较小的数据报。为了让目的主机重新组装这些分片，IPv4在IPv4数据报中设置了【标识、标志、片偏移】
标识【16位】
：同一数据报分片使用同一标识
标志【3位】
：只有后两位有意义。
x
DF
MF
- （Don‘t Fragment）DF=1——禁止分片 DF=0——允许分片
- （More Fragment）MF=1——后面还有分片 MF=0——最后一片/无分片
- 注：当DF=0允许分片时，MF才有意义
片偏移【13位】
：分片后，某片在原来分组中的相对位置，
以8B为单位
- eg：片偏移000…1，则该片段在原分组的位置是1×8=8B
- 注：除了最后一个分片，每个分片的长度一定是8B的整数倍
（2）IP数据报分片例题
首部（20B） 数据部分（3800B） 需要分片为长度不超过1420B的数据报片。
分析
：每一片都是1420B，且要预留20B的首部，则可以分为下面3片
首部（20B） 数据部分（
1400B
）片偏移：0B ÷ 8B = 0
首部（20B） 数据部分（
1400B
）片偏移：1400B ÷ 8B = 175
首部（20B） 数据部分（
1000B
）片偏移：2800B ÷ 8B = 350
总长度
标识
MF
DF
片偏移
原始数据报
3820 12345 0 0 0
分片1
1420 12345 1 0 0
分片2
1420 12345 1 0 175
分片3
1020 12345 0 0 350
3、划分子网的IPv4地址
（1）分类
IP地址
a.b网络号
.
c.d主机号
A类
【(/8)前8位为网络号】：
a
.
b.c.d
- 可指派网络数量：
- 每个网络可分配IP地址：
- 最小网络号0，不指派
- 最大网络号127，作为本地环回测试地址，不指派
B类【
(/16)前16位为网络号】：
a.b
.
c.d
- 可指派网络数量：
- 每个网络可分配IP地址：
- 减去主机号全为0的网络地址和 全为1的广播地址
C类
【(/24)前24位为网络号】：
a.b.c
.
d
- 可指派网络数量：
- 每个网络可分配IP地址：
- 减去主机号全为0的网络地址和 全为1的广播地址
缺点
：如果要为2000台主机分配地址，分给B类地址，导致剩下超过62000个地址无法被利用，地址空间利用率低下
（2）分类编址习题
1、根据地址左起第一个十进制数，可判断网络类别
- ≤127为A类
- 128~191为B类
- 192~223为C类
2、根据网络类别，可以找出网络号和主机号
- A类：
a
.
b.c.d
- B类：
a.b
.
c.d
- C类：
a.b.c
.
d
3、以下3种情况地址不能指派给主机或路由器
- A类网络号0和127
- 主机号全0，是网络地址
- 主机号全1，是广播地址
（3）子网和子网掩码
子网
：不通过中间路由器就能实际到达对方的设备接口
子网掩码
——可以表明主机号被借用了几个比特作为子网号
- 用连续的比特1对应网络号和子网号
- 用连续的比特0对应主机号
默认子网掩码
习题一
习题二
2、无分类编址的IPv4地址
（1）CIDR无分类域间路由选择
CIDR消除了传统的A类、B类、C类地址，以及划分子网的概念
IP地址子网部分长度任意
地址格式：a.b.c.d/x（x是网络号的位数）
eg：128.14.35.7/20 指32位IPv4地址前20bit为网络号
习题一：
习题二：
可分配的主机数为2，因为题目给的目的地址是广播地址，所以所以主机都能被广播到，因此是2
习题三：
（2）路由聚合（构造超网）
3、主机如何获得IP地址？
（1）动态主机配置协议DHCP
- 动态主机配置协议DHCP：应用层协议，使用C/S方式，基于UDP
- 动态地从网络服务器获得IP地址 、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP
- 允许地址重用——一个主机来了，DHCP服务器分配一个ip给它，它走了，新主机来了，可以把刚刚的地址给新的主机用
- 支持在用地址续租
- 即插即用协议，零配置协议
DHCP协议工作过程：
- 主机广播
DHCP发现报文
——
“有没有DHCP服务器呀？”
DHCP服务器获得一个IP地址- DHCP服务器广播
DHCP提供报文
——
“这里有！”
服务器拟分配给主机一个IP地址及相关配置- 主机广播
DHCP请求报文
——
“我开始用这个地址啦？”
主机向服务器请求提供IP地址- DHCP服务器广播
DHCP确认报文
——
“用吧！”
正式将IP地址分配给主机
（2）获取一块IP地址方法：从ISP获取一组地址
ISP的地址块 200.23.16.9/
20
11001000 00010111 0001
0000 00000000组织0 200.23.16.9/
23
11001000 00010111 0001
000
0 00000000组织1 200.23.18.9/
23
11001000 00010111 0001
001
0 00000000组织2 200.23.20.9/
23
11001000 00010111 0001
010
0 00000000……
组织7 200.23.30.9/
23
11001000 00010111 0001
111
0 00000000
4、网络地址转换NAT
网络地址转换NAT：在
专用网
连接到
因特网
的路由器上安装NAT软件，装了该软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址
5、IPv6数据报格式
- 版本【4bit】：IPv6将该字段设置为6
- 流标签【20bit】：属于同一个流的数据报有同一流标签
- 跳数限制：每经过一个路由器-1，变0则丢弃
6、通用转发和SDN
四、IP数据报的发送和转发
1、如何确定两主机是否在同一子网？
若两主机的
IP地址
与
子网掩码
相与
的结果
- 相同——两台主机在同一子网
- 不同——不在同一子网
2、默认网关
3、路由器抑制广播风暴
路由器不接受广播数据报