計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課件網(wǎng)絡(luò)層

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)-網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的第三層。它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，確保數(shù)據(jù)包在不同網(wǎng)絡(luò)之間傳輸。網(wǎng)絡(luò)層概述網(wǎng)絡(luò)層的定義網(wǎng)絡(luò)層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的第三層。它負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包從源主機(jī)發(fā)送到目標(biāo)主機(jī)，并處理網(wǎng)絡(luò)間的通信。網(wǎng)絡(luò)層的功能網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)尋址，路由選擇，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，擁塞控制，以及網(wǎng)絡(luò)層安全等。網(wǎng)絡(luò)層的功能11.路由選擇網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)確定數(shù)據(jù)報(bào)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。22.數(shù)據(jù)報(bào)封裝網(wǎng)絡(luò)層將來自上層的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)報(bào)，并添加必要的頭部信息。33.數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)路由信息，將數(shù)據(jù)報(bào)從一臺(tái)路由器轉(zhuǎn)發(fā)到另一臺(tái)路由器。44.擁塞控制網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)擁塞，防止網(wǎng)絡(luò)資源過度使用。網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)單元-數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)的定義數(shù)據(jù)報(bào)是網(wǎng)絡(luò)層傳輸數(shù)據(jù)的基本單元，用于封裝來自上層協(xié)議的數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)報(bào)格式數(shù)據(jù)報(bào)的格式包含源地址、目的地址、協(xié)議類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息，確保數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中的正確傳輸和路由。數(shù)據(jù)報(bào)傳輸數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中通過路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達(dá)目的主機(jī)，完成數(shù)據(jù)傳輸過程。IP協(xié)議簡(jiǎn)介IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，屬于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。IP協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)報(bào)的封裝、尋址、路由和傳輸。IP協(xié)議是無連接的，不可靠的，面向無連接的。IP地址及其分類IP地址定義IP地址是分配給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)符，用于識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)和設(shè)備。IP地址分類IP地址被分為五類：A類、B類、C類、D類和E類。每類地址都有不同的網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)范圍。IPv4地址IPv4地址使用32位二進(jìn)制數(shù)表示，通常用點(diǎn)分十進(jìn)制表示，例如192.168.1.1。IPv6地址IPv6地址使用128位二進(jìn)制數(shù)表示，通常用冒號(hào)分隔的十六進(jìn)制表示，例如2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IP地址的表示方法點(diǎn)分十進(jìn)制使用四個(gè)十進(jìn)制數(shù)字表示，每個(gè)數(shù)字代表一個(gè)字節(jié)，并用點(diǎn)號(hào)分隔。二進(jìn)制使用32位二進(jìn)制數(shù)表示，每個(gè)字節(jié)用8位二進(jìn)制數(shù)表示。十六進(jìn)制使用8位十六進(jìn)制數(shù)表示，每個(gè)字節(jié)用2位十六進(jìn)制數(shù)表示。IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式IP數(shù)據(jù)報(bào)是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧?，包含頭部和數(shù)據(jù)部分。頭部包含源地址、目的地址、協(xié)議類型、生存時(shí)間等信息，用于路由和數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)部分則包含應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，例如網(wǎng)頁內(nèi)容、郵件等。IP數(shù)據(jù)報(bào)格式是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的核心，它定義了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，保證了不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)互通。IP數(shù)據(jù)報(bào)的生存時(shí)間(TTL)TTL是TimetoLive的縮寫，表示數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中可以存活的時(shí)間。它是以秒為單位計(jì)算的，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在創(chuàng)建時(shí)都包含一個(gè)TTL值。數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，每經(jīng)過一個(gè)路由器，其TTL值就會(huì)減1。當(dāng)TTL值為0時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)就會(huì)被丟棄。TTL機(jī)制可以有效地防止數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中無限循環(huán)，從而保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼子網(wǎng)劃分將一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)較小的子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)都有自己的網(wǎng)絡(luò)地址和子網(wǎng)掩碼。子網(wǎng)掩碼用來區(qū)分網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址，標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)的位數(shù)。優(yōu)點(diǎn)提高網(wǎng)絡(luò)效率增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理無類別域間路由(CIDR)CIDR的概念CIDR是一個(gè)用于網(wǎng)絡(luò)地址分配的機(jī)制。它允許通過使用可變長(zhǎng)度子網(wǎng)掩碼來分配網(wǎng)絡(luò)地址塊，從而提高網(wǎng)絡(luò)地址的利用率。CIDR的優(yōu)勢(shì)CIDR簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)地址管理，提高了路由效率，并減少了路由表的大小。CIDR的應(yīng)用CIDR廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，使互聯(lián)網(wǎng)能夠高效地管理和分配IP地址，并支持互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展。ARP協(xié)議作用ARP協(xié)議是地址解析協(xié)議，用于將IP地址解析為物理地址（MAC地址）。當(dāng)一個(gè)主機(jī)要向另一個(gè)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它需要知道目標(biāo)主機(jī)的MAC地址。ARP協(xié)議通過發(fā)送ARP請(qǐng)求報(bào)文來獲取目標(biāo)主機(jī)的MAC地址。工作流程主機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，會(huì)先通過ARP協(xié)議查詢目標(biāo)主機(jī)的MAC地址。如果主機(jī)無法找到目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，它會(huì)廣播一個(gè)ARP請(qǐng)求報(bào)文。收到請(qǐng)求報(bào)文的設(shè)備會(huì)查看自己的IP地址，如果匹配，則會(huì)發(fā)送一個(gè)ARP響應(yīng)報(bào)文，包含自己的MAC地址。ARP協(xié)議如何工作1發(fā)送ARP請(qǐng)求源主機(jī)發(fā)送ARP請(qǐng)求廣播包2接收ARP請(qǐng)求目標(biāo)主機(jī)收到ARP請(qǐng)求3發(fā)送ARP響應(yīng)目標(biāo)主機(jī)發(fā)送ARP響應(yīng)4接收ARP響應(yīng)源主機(jī)收到ARP響應(yīng)ARP協(xié)議使用請(qǐng)求和響應(yīng)機(jī)制來獲取目標(biāo)主機(jī)的MAC地址。源主機(jī)首先發(fā)送ARP請(qǐng)求廣播包，目標(biāo)主機(jī)收到請(qǐng)求后會(huì)發(fā)送ARP響應(yīng)，包含其MAC地址。源主機(jī)接收響應(yīng)后，將目標(biāo)主機(jī)的MAC地址與IP地址綁定到ARP緩存中，以便下次直接使用MAC地址通信。RARP協(xié)議逆地址解析協(xié)議RARP協(xié)議是逆地址解析協(xié)議，用于獲取IP地址。主機(jī)獲取IP地址主機(jī)通過RARP協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)上的RARP服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址RARP服務(wù)器根據(jù)主機(jī)的MAC地址，將對(duì)應(yīng)IP地址發(fā)送給主機(jī)。引導(dǎo)過程RARP協(xié)議在引導(dǎo)過程中使用，幫助沒有IP地址的主機(jī)獲取IP地址。ICMP協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議ICMP是一種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，用于在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳遞控制信息。錯(cuò)誤和狀態(tài)信息ICMP用于報(bào)告錯(cuò)誤、確認(rèn)數(shù)據(jù)包接收和探測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接性。網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)管理員可以使用ICMP進(jìn)行故障排除、診斷和網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控。ICMP協(xié)議的特點(diǎn)和作用錯(cuò)誤報(bào)告ICMP協(xié)議能夠報(bào)告網(wǎng)絡(luò)層出現(xiàn)的錯(cuò)誤，例如目標(biāo)主機(jī)不可達(dá)或數(shù)據(jù)報(bào)超時(shí)等。網(wǎng)絡(luò)探測(cè)ICMP協(xié)議可用于網(wǎng)絡(luò)探測(cè)，例如ping命令就是利用ICMP協(xié)議來測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接。路由器信息ICMP協(xié)議可用于獲取路由器的信息，例如路由器的類型和地址等。流量控制ICMP協(xié)議還可以用于流量控制，例如限制數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸速率。路由器的作用和功能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由器根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)中的目的地址信息，選擇合適的路徑將數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)連接路由器連接不同的網(wǎng)絡(luò)，將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)更大的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通。網(wǎng)絡(luò)管理路由器提供網(wǎng)絡(luò)管理功能，例如監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量，配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，診斷網(wǎng)絡(luò)問題等。網(wǎng)絡(luò)安全路由器可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全功能，例如防火墻、入侵檢測(cè)等，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。靜態(tài)路由與動(dòng)態(tài)路由靜態(tài)路由管理員手動(dòng)配置的路由信息，適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、路由信息變化較少的場(chǎng)景。動(dòng)態(tài)路由路由器通過協(xié)議自動(dòng)學(xué)習(xí)和更新路由信息，適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、路由信息頻繁變化的場(chǎng)景。常見的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議1RIP(路由信息協(xié)議)RIP是一種距離矢量路由協(xié)議，它使用跳數(shù)作為度量指標(biāo)來計(jì)算最短路徑。2OSPF(開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議)OSPF是一種鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，它使用Dijkstra算法來計(jì)算最短路徑。3BGP(邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議)BGP是一種路徑矢量路由協(xié)議，它用于在不同的自治系統(tǒng)之間交換路由信息。RIP協(xié)議距離矢量路由協(xié)議RIP使用距離矢量算法，通過交換路由信息來更新路由表。跳數(shù)作為度量RIP使用跳數(shù)來衡量網(wǎng)絡(luò)路徑的距離，每個(gè)路由器到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的距離稱為跳數(shù)。廣播更新信息RIP通過廣播數(shù)據(jù)包向所有相鄰路由器發(fā)送路由信息，每個(gè)路由器都會(huì)周期性地將自己的路由信息廣播出去。最大跳數(shù)限制RIP協(xié)議限制最大跳數(shù)為15，以防止路由循環(huán)和無限循環(huán)。OSPF協(xié)議開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議OSPF是一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，用于在自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由器之間交換路由信息。它使用Dijkstra算法計(jì)算最短路徑，并根據(jù)路徑的代價(jià)進(jìn)行路由選擇。鏈路狀態(tài)協(xié)議OSPF屬于鏈路狀態(tài)協(xié)議，每個(gè)路由器維護(hù)一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并向其他路由器廣播鏈路狀態(tài)信息。區(qū)域劃分OSPF可以將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域運(yùn)行獨(dú)立的OSPF實(shí)例，降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。安全性O(shè)SPF使用身份驗(yàn)證機(jī)制，確保路由信息的安全性和完整性，防止非法路由信息的傳播。BGP協(xié)議邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP是一種用于互聯(lián)網(wǎng)AS之間路由信息交換的協(xié)議。它是一種路徑矢量路由協(xié)議，在AS之間傳遞路由信息，并根據(jù)這些信息選擇最佳路由。功能BGP支持多種路由策略，例如，路徑選擇、路徑過濾和路徑聚合，這使得網(wǎng)絡(luò)管理員可以控制路由信息在AS之間的傳播。路由表的維護(hù)與路由選擇算法1路由表的維護(hù)路由表由路由器維護(hù)，用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)或主機(jī)可達(dá)的路由信息。路由表維護(hù)過程包括路由表的創(chuàng)建、更新和刪除。2路由選擇算法路由選擇算法用于根據(jù)路由表中的信息選擇最佳路徑，以達(dá)到目的地。常見的路由選擇算法包括最短路徑算法、距離向量算法和鏈路狀態(tài)算法。3動(dòng)態(tài)路由協(xié)議動(dòng)態(tài)路由協(xié)議可以自動(dòng)維護(hù)路由表，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓M(jìn)行更新。RIP、OSPF和BGP都是常用的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，它們通過在路由器之間交換路由信息來維護(hù)路由表。網(wǎng)絡(luò)層中的擁塞控制機(jī)制數(shù)據(jù)包擁塞網(wǎng)絡(luò)層擁塞控制機(jī)制用于防止過多的數(shù)據(jù)包進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降和延遲增加。流量控制擁塞控制與流量控制密切相關(guān)。流量控制側(cè)重于端到端的流量管理，而擁塞控制則側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的流量管理?？刂茩C(jī)制網(wǎng)絡(luò)層常用的擁塞控制機(jī)制包括：丟棄數(shù)據(jù)包、流量整形、速率限制等。分片與重組數(shù)據(jù)報(bào)過大當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)過大時(shí)，可能會(huì)超出網(wǎng)絡(luò)接口的最大傳輸單元（MTU）限制。分片處理為了解決這個(gè)問題，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)將數(shù)據(jù)報(bào)分成多個(gè)更小的數(shù)據(jù)報(bào)片，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)片包含原始數(shù)據(jù)報(bào)的一部分。重組過程當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)片到達(dá)目的地時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)片中的標(biāo)識(shí)符將它們重新組合成完整的數(shù)據(jù)報(bào)。IPv4與IPv6IPv4IPv4是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的第四版，是目前互聯(lián)網(wǎng)中使用的主要版本。IPv4地址空間有限，已接近枯竭。IPv6IPv6是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的第六版，旨在解決IPv4地址空間不足的問題。IPv6地址空間大，能夠滿足未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求。IPv6的特點(diǎn)11.地址空間更大IPv6提供了更大的地址空間，可以滿足未來數(shù)十年的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求。22.安全性更高IPv6采用更安全的地址分配機(jī)制，減少了安全風(fēng)險(xiǎn)。33.自動(dòng)配置更便捷IPv6支持自動(dòng)地址配置，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)配置過程。44.網(wǎng)絡(luò)管理更靈活I(lǐng)Pv6提供了更靈活的網(wǎng)絡(luò)管理功能，方便網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和維護(hù)。IPv6地址的表示方法1十六進(jìn)制表示法IPv6地址使用十六進(jìn)制表示，每個(gè)十六進(jìn)制數(shù)占4位，一共8組，用冒號(hào)分隔。2壓縮表示法如果地址中連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)0，可以用雙冒號(hào)（::）進(jìn)行壓縮，省略中間的0。3接口標(biāo)識(shí)符IPv6地址中包含接口標(biāo)識(shí)符，用于識(shí)別同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備。4全球唯一性IPv6地址在全球范圍內(nèi)都是唯一的，確保網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)。IPv6數(shù)據(jù)報(bào)格式IPv6數(shù)據(jù)報(bào)格式與IPv4存在較大差異。它包含固定長(zhǎng)度的頭部信息，長(zhǎng)度為40字節(jié)，并支持多種擴(kuò)展頭部。IPv6數(shù)據(jù)報(bào)格式更簡(jiǎn)潔，去除了IPv4中的一些可選字段，例如服務(wù)類型、標(biāo)識(shí)、片段偏移等。IPv6數(shù)據(jù)報(bào)格式的設(shè)計(jì)充分考慮了未來網(wǎng)絡(luò)的需求，例如安全性、移動(dòng)性、多播等。IPv4