5网络层
五层协议体系结构每层的功能
五层协议体系结构每层的功能
具有五层协议的网络体系结构，从高层到底层分别是应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。
各层的主要功能如下：（1）应用层：功能是确定进程之间的通信性质以满足用户的需要，即解决要做什么的问题。
（2）运输层：功能是使源端和目的端的主机上的对等实体可以进行会话，即解决对方在何处的问题。
运输层只能存在于分组交换网外面的主机之中，运输层以上的各层就不再关心信息传输的问题了。
（3）网络层：功能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组独立地传向目标（可能经由不同的网络），即解决走哪条路径的问题。
在发送数据时，网络层将运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。
（4）数据链路层：功能是使物理层对网络层呈现为一条无错线路，即解决下一步怎么走的问题。
发送数据时，数据链路层的任务是将由网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送以帧为单位的数据。
每一帧包括数据和必要的控制信息。
如发现有差错，数据链路层就丢弃这个出了差错的帧，然后采取下面两种方法之一：或者不作任何其他的处理；或者由数据链路层通知对方重传这一帧，直到正确无误地收到此帧为止。
（5）物理层：功能是透明地传送比特流。
物理层上传送的数据单位是比特。
物理层要考虑用多大的电压代表“1”或
“0”，以及当发送端发出比特“1”时，在接收端如何识别出这是比特“1”而不是比特“0”；一个比特维持多少微秒；传输是否在两个方向上同时进行；最初的连接如何建立和完成通信后连接如何终止。
物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根腿以及各个腿应如何连接。
OSI参考模型与TCPIP五层网络架构详解
OSI参考模型与TCPIP五层⽹络架构详解OSI七层模型OSI的来源OSI（Open System Interconnect），即开放式系统互联。
⼀般都叫OSI参考模型，是ISO（国际标准化组织）组织在1985年研究的⽹络互连模型。
ISO为了更好的使⽹络应⽤更为普及，推出了OSI参考模型。
其含义就是推荐所有公司使⽤这个规范来控制⽹络。
这样所有公司都有相同的规范，就能互联了。
OSI七层模型的划分OSI定义了⽹络互连的七层框架（物理层、数据链路层、⽹络层、传输层、会话层、表⽰层、应⽤层），即ISO开放互连系统参考模型。
见下表OSI参考模型各层的解释应⽤层为应⽤程序提供服务表⽰层数据格式转换，数据加密会话层建⽴，管理和维护会话传输层建⽴，管理和维护端到端的链接⽹络层IP选址及路由选择数据链路层提供介质访问和链路管理物理层以⼆进制数据的形式在物理媒体上传输数据每⼀层实现各⾃的功能和协议，并完成相邻层的接⼝通信。
OSI的服务定义详细说明了各层所提供的服务。
某⼀层的服务就是该层及其下各层的⼀种能⼒，它通过接⼝提供给更⾼⼀层。
各层所提供的服务与这些服务是怎么实现的⽆关。
各层功能定义详解应⽤层OSI参考模型中最靠近⽤户的⼀层，是为计算机⽤户提供应⽤接⼝，也为⽤户直接提供各种⽹络服务。
我们常见应⽤层的⽹络服务协议有：HTTP，HTTPS，FTP，POP3、SMTP等。
表⽰层表⽰层提供各种⽤于应⽤层数据的编码和转换功能,确保⼀个系统的应⽤层发送的数据能被另⼀个系统的应⽤层识别。
如果必要，该层可提供⼀种标准表⽰形式，⽤于将计算机内部的多种数据格式转换成通信中采⽤的标准表⽰形式。
数据压缩和加密也是表⽰层可提供的转换功能之⼀。
会话层会话层就是负责建⽴、管理和终⽌表⽰层实体之间的通信会话。
该层的通信由不同设备中的应⽤程序之间的服务请求和响应组成。
传输层传输层建⽴了主机端到端的链接，传输层的作⽤是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务，包括处理差错控制和流量控制等问题。
05、第五单元-网络层-IP数据报
第五章网络层——IP数据报本节内容☐概述☐网络层的服务模型☐交换技术☐因特网网络层的服务模型☐IP数据报的格式☐IP数据报的服务类型☐IP数据报的生存期☐IP数据报的分段和重组☐IP数据报的选项概述❑网络层负责把所有物理网络“连接”起来。
❑网络层的主要功能为路由选择(routing)。
广东省广州市新港西路135号中山大学园西区 9641栋2001房510275黄玮收浙江杭州网商路521号R3R1 R2S D物理网络网络层的服务模型网络结构ATMATMATMATM 因特网服务模型恒定位速率可变位速率可用位速率未指定位速率尽力服务带宽固定速率确保速率最小保证无无不丢包是是否否否有序是是是是否及时是是否否否拥塞反馈无拥塞无拥塞是否否Connectionless Service: IPConnection-oriented Service: X.25, ATM(Asynchronous Transfer Mode)确保？交换技术电路交换(Circuit-Switching)包交换(Packet Switching) 数据报(Datagram)虚电路(VirtualCircuit)永久虚电路(Permanent VirtualCircuit)交换式虚电路(Switched VirtualCircuit)因特网交换技术无连接无确认面向连接因特网网络层的服务模型❑IP (Internet Protocol)协议是因特网的网络层协议❑IP协议是可路由的(routable) -- 全局编址，按层分配❑IP协议提供尽力服务(best effort)，即无连接无确认的数据报服务。
❑IP协议可以运行在任何网络上。
/rfcs/rfc791.htmlIP 数据报格式版本(4b) 头部长度(4b)服务类型(8b)总长度(16b)标识(16b)片段偏移量(13b) D F M F生存期(8b)协议(8b)头部校验(16b)源IP 地址(32b) 目的IP 地址 (32b)选项（变长） 填充位（变长）数据31头部16 24IP数据报的字段说明字段位数说明版本 4 共两个版本：4 for IPv4, 6 for IPv6头部长度 4 头部的长度，以字(32-bit)为单位。
五层原理体系结构
五层原理体系结构第一层：物理层（Physical Layer）物理层是网络的最底层，它主要负责数据的传输和接收。
在物理层中，传输的数据是以比特（bit）为单位传输的，比特是最小的数字量，它代表了0或1两种状态。
物理层的主要任务是将比特转化为数据信号，并通过物理媒介传到下一层，例如使用光纤、铜缆等。
物理层的标准化使不同厂商的网络设备可以相互通信。
第二层：数据链路层（Data Link Layer）数据链路层是负责将已经传输的物理层数据，转化成适合传输的数据帧，并将其传输到下一层。
该层还能够纠错，保证数据的完整性和可靠性。
数据链路层还规定了一个严格的协议，以控制网络访问、数据包的发送顺序和错误纠正。
第三层：网络层（Network Layer）网络层是实现目标地址到源地址的路由、选路等功能的层次。
该层利用路由协议学习路由表信息，传输控制数据包的流向，同时进行差错控制和流量控制。
路由器就是运行在网络层的设备，它可以通过将数据包从一条链路传递到另一条链路，实现站点之间的连通。
传输层主要负责数据的传输控制，包括数据的分段、发包、重传等。
当数据在传输过程中出现错误，传输层会进行差错控制和恢复，保证数据完整性和可靠性。
传输层协议常见的有TCP、UDP等。
应用层是最高层，也是最接近用户的层次。
该层负责网络应用程序的编程接口，例如Web浏览器、电子邮件客户端等。
应用层通过应用程序协议，与另一台计算机上运行的应用程序进行通信。
常见的应用层协议有HTTP、SMTP、FTP等，它们规定了如何处理和传输数据。
总结五层原理体系结构是将计算机网络分成五个互相衔接的层次结构，每个层次完成特定的功能，实现了设备和网络之间的互操作性、互联性和可扩展性。
每一层都有对应的协议来进行规范化，因此任何厂商的设备都可以遵循同样的标准进行通信。
该体系结构是目前计算机网络中最常用的标准架构，有助于不同厂商之间的互操作性和兼容性。
除了上述五层原理体系结构之外，还存在其他体系结构，比如七层体系结构。
计算机网络实验五网络层协议分析实验报告
南昌航空大学实验报告年月日课程名称：计算机网络与通信实验名称：网络层协议分析班级：学生姓名：邓佳威学号： 2212893107 指导教师评定：签名：一、实验目的分析ARP协议报文首部格式及其解析过程；分析ICMP报文格式和协议内容并了解其应用；分析IP报文格式、IP地址的分类和IP层的路由功能；分析TCP/IP协议中网络层的分片过程。
二、实验内容（一）ARP协议分析1.实验原理（1）ARP协议ARP（address resolution protocol）是地址解析协议的简称，在实际通信中，物理网络使用硬件地址进行报文传输，IP地址不能被物理网络所识别。
所以必须建立两种地址的映射关系，这一过程称为地址解析。
用于将IP地址解析成硬件地址的协议就被称为地址解析协议（ARP协议）。
ARP是动态协议，就是说这个过程是自动完成的。
在每台使用ARP的主机中，都保留了一个专用的内存区（称为缓存），存放最近的IP地址与硬件地址的对应关系。
一旦收到ARP应答，主机就将获得的IP地址和硬件地址的对应关系存到缓存中。
当发送报文时，首先去缓存中查找相应的项，如果找到相应项后，遍将报文直接发送出去；如果找不到，在利用ARP进行解析。
ARP缓存信息在一定时间内有效，过期不更新就会被删除。
（2）同一网段的ARP解析过程处在同一网段或不同网段的主机进行通信时，利用ARP协议进行地址解析的过程不同。
在同一网段内通信时，如果在ARP缓存中查找不到对方主机的硬件地址，则源主机直接发送ARP 请求报文，目的主机对此请求报文作出应答即可。
（3）不同网段的ARP解析过程位于不同网段的主机进行通信时，源主机只需将报文发送给它的默认网关，即只需查找或解析自己的默认网关地址即可。
（二）ICMP协议分析1.实验原理（1）ICMP协议ICMP（internet control message protocol）是因特网控制报文协议[RFC792]的缩写，是因特网的标准协议。
五层原理体系结构
五层原理体系结构
五层原理体系结构（Five-layer Model）是一种计算机网络体系结构模型，也被称为TCP/IP五层模型。
它由五个层次组成，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
1. 物理层：该层是网络的最底层，负责将数据从一个节点传输到另一个节点。
它定义了数据传输的物理媒介，包括电缆、光纤、无线电波等，以及传输的基本单位比特（bit）。
2. 数据链路层：该层主要是将物理层传输的比特组成数据帧，通过物理链接将数据帧传输到目标节点。
该层还负责处理数据传输的错误控制和流量控制，保障数据的可靠传输。
3. 网络层：该层负责处理数据的路由和转发，以及处理不同网络之间的连接和通信。
该层的核心是IP协议，用于定义数据在网络中的传输规则和寻址方式。
4. 传输层：该层提供端到端的可靠数据传输和控制，包括错误控制、流量控制、连接控制和可靠数据传输。
该层的核心是TCP协议和UDP协议，TCP协议提供可靠的数据传输，UDP 协议则提供无连接的、不可靠的数据传输。
5. 应用层：该层是用户接口层，为用户提供网络服务和应用程序。
该层负责处理诸如电子邮件、文件传输、远程登录、Web 浏览器等应用程序的协议和接口。
五层原理体系结构是网络通信中最常用的体系结构，它提供了
一个标准化的网络通信模型，不同的网络设备和应用程序都可以在该模型中进行通信。
同时它也是TCP/IP协议族的基础，TCP/IP协议族中的各种协议都是基于该模型的不同层级进行设计的。
网络协议分层知识集锦：七层、四层、五层
一、概述OSI（Open System Interconnection）开放系统互连的七层协议体系结构：概念清楚，理论比较完整，但既复杂又不用。
TCP／IP四层体系结构：简单，易于使用。
五层原理体系结构：综合OSI 和TCP／IP 的优点，为了学术学习。
二、详述网络协议设计者不应当设计一个单一、巨大的协议来为所有形式的通信规定完整的细节，而应把通信问题划分成多个小问题，然后为每一个小问题设计一个单独的协议。
这样做使得每个协议的设计、分析、时限和测试比较容易。
协议划分的一个主要原则是确保目标系统有效且效率高。
为了提高效率，每个协议只应该注意没有被其他协议处理过的那部分通信问题；为了主协议的实现更加有效，协议之间应该能够共享特定的数据结构；同时这些协议的组合应该能处理所有可能的硬件错误以及其它异常情况。
为了保证这些协议工作的协同性，应当将协议设计和开发成完整的、协作的协议系列（即协议族），而不是孤立地开发每个协议。
在网络历史的早期，国际标准化组织（ISO）和国际电报电话咨询委员会（CCITT）共同出版了开放系统互联的七层参考模型。
一台计算机操作系统中的网络过程包括从应用请求（在协议栈的顶部）到网络介质（底部），OSI参考模型把功能分成七个分立的层次。
图1表示了OSI分层模型。
图1OSI七层参考模型OSI模型的七层分别进行以下的操作：第一层物理层第一层负责最后将信息编码成电流脉冲或其它信号用于网上传输。
它由计算机和网络介质之间的实际界面组成，可定义电气信号、符号、线的状态和时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。
如最常用的RS-232规范、10BASE-T的曼彻斯特编码以及RJ-45就属于第一层。
所有比物理层高的层都通过事先定义好的接口而与它通话。
如以太网的附属单元接口（AUI），一个DB-15连接器可被用来连接层一和层二。
第二层数据链路层数据链路层通过物理网络链路提供可靠的数据传输。
不同的数据链路层定义了不同的网络和协议特征，其中包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。
第4章 网络层5——路由选择协议
“链路状态”说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的 “度量”(metric) 。 度量包括费用、距离、时延、带宽等
当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器 发送此信息。
链路状态数据库(link-state database)
各路由器之间频繁地交换链路状态信息，所有路 由器最终都能建立一个链路状态数据库。
每一个区域都有一个32位的区域标识符（用点分 十进制表示）。
区域不能太大，在一个区域内的路由器最好不超 过 200 个。
OSPF 划分为两种区域：主干区域和非主干区 域。主干区域(backbone area)，标识符规定为 0.0.0.0，用于连通非主干区域。
至其他自治系统 自治系统 AS
R1 网1 R2 网2 R3 R5
Traceroute（tracert）：跟踪分组从源点到 终点的路径
通过发送小的数据包到目的设备直到其返回， 来测量其需要多长时间。 输出结果包括测试的时间(ms)和设备IP地址。
PING 的应用举例
Traceroute 的应用举例
4.5 因特网的路由选择协议
静态路由选择策略 — 即非自适应路由选择 ，特点是简单和开销较小，但不能及时适应 网络状态的变化。 动态路由选择策略 — 即自适应路由选择， 特点是能较好适应网络状态的变化，但实现 起来较为复杂，开销比较大。
1. 工作原理
RIP 是一种分布式的基于距离向量的路由选 择协议。
RIP 协议要求网络中的每一个路由器都要维 护从它自己到其他目的网络的距离记录。
“距离”的定义
RIP认为一个好的路由是通过的路由器数目少， 即“距离短”。
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1.静态转换
静态转换是指将内部网络的私有IP地址转换为公有IP地址 ，IP地址对是一对一的，是一成不变的，某个私有IP地址 只转换为某个公有IP地址。借助于静态转换，可以实现外 部网络对内部网络中某些特定设备(如服务器)的访问。
192.1.2.5
192.168.1.1 替换后目 的IP地址
5361
虚电路服务 数据报服务 两者的比较
所谓虚电路，就是指从源节点到目标节点之间由软 件按网络地址建立起来的通道。
例如，电话系统结构就是虚电路结构，当人们拨号时，程 控交换机的软件就会按电话号码在主叫电话和被叫电话之 间建立起一条虚电路，然后主叫和被叫之间就在这条虚电 路上通话，挂机后，这一条虚电路就被撤消。
路由器 192.1.1.1 Internet 192.1.2.5
192.168.1.1 地址转换表 地址转换关系 源IP地址 替换IP地址 192.168.1.1 192.1.1.2 80
全球IP地址池:192.1.1.2~192.1.1.5
源IP地址 192.168.1.1 5361
会话标识符 替换IP地址 源端口号 192.1.2.5 5361 192.1.2.5 192.1.1.2
序号 1 2 3 分片长度 1480 1480 1020 标识 X X X 位移量 0 185 370 标志 1 1 0
因特网控制报文协议（Internet Control Message Protocol，ICMP）是TCP/IP协议集中的一个子协 议，属于网络层协议，主要用于在主机与路由器之 间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和 状态信息等。
距离向量（Distance Vector，DV）算法和链路状 态（Link State，LS）算法分别是分布式路由选择 和集中路由选择的代表 距离向量算法是一种应用广泛的分布式路由算法， 又称Bellmon-Ford算法，用于选径信息协议RIP。
距离向量算法分为以下步骤 1. 初始化
每个路由器只填写直接相连的目标网络，例如，路由器 G1与网1和网2直接相连，距离分别是a和b。
目的端口号 80 80 5361
192.1.2.5 192.168.1.1
替换后目 的IP地址
目的IP地 址
3．端口多路复用
端口多路复用(Port address Translation, PAT)是指改变 外出数据包的源端口并进行端口转换，即端口地址转换 (PAT，Port Address Translation)。 动态NAT方法实现地址转换的过程 :
当端系统要发送一个报文时，将报文拆成若干个带有序号 和地址信息的数据报，依次发给网络节点，网络节点维护 一张路由表，保存到达目的地的路径信息
A路由表 目的 下一跳 地址 H2 H2 B D B路由表 目的 地址 H2 下一跳 E F路由表 目的 地址
目的 地址H2 目的 地址H2
分组1
目的 2 地H
ket pac 7
B
C
9 9 packet
3 ket pac 3
D
E
路由器E的虚电路表 进入 进入虚 离去 结点 电路号 结点 B 3 F 离去虚 电路号 15
15
pa ck et
H1
A
F
H2
15
数据报服务一般仅由数据报交换网来提供。端系统 的网络层同网络节点中的网络之间，一致地按照数 据报操作方式交换数据。每个数据报自身携带有足 够的信息，它的传送是被单独处理的。一个节点接 收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节 点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数 据报原样地发送到下一个节点。
路由选择也叫做路径选择，是根据一定的原则和路 由选择算法在多节点的通信子网中选择一条最佳路 径。确定路由选择的策略称为路由算法。在数据报 方式中，网络节点要为每个数据包做出路由选择； 而在虚电路方式中，只需在建立连接时确定路由。
流量控制的作用是控制阻塞，避免死锁，确保一个 快速发送者不能以比接收者能承受的速率更高的速 度发送数据。通常可采用滑动窗口、预约缓冲区、 许可证和分组丢弃四种方法。
内IP IP地址：202.115.31.25 端口：5000 (与H1通信） 192.168.1.15 192.168.1.25 内端口 3333 6666 外IP 202.115.31.25 202.115.31.25 外端口 5000 8000 IP地址：192.168.1.15 端口：3333
2．动态转换
动态转换是指将内部网络的私有IP地址转换为公用IP地址 时，IP地址对是不确定的，而是随机的，所有被授权访问 上Internet的私有IP地址可随机转换为任何指定的合法IP 地址。 动态NAT方法实现地址转换的过程:
源IP地址 80 5361 192.1.2.5 192.168.1.1 80 5361 192.1.2.5 替换后源 IP地址 192.1.1.2
A
路由聚合后 的路由表 目的地址 192.168.0.0/22 下一跳
B
192.168.3.0 B
1．IP分组的格式
0 版本号 4 首部长度 标识域 生存时间 上层协议 源IP地址 8 服务类型 标志 16 19 总长度 分片偏移量 首部校验和 24 31
目的IP地址
选项若干字节，可以大于4个字节 数 据 …… 填充（0）
2180
192.1.2.5
192.1.1.2 目的IP地 址
5361
2180
路由器 192.1.1.1
Internet 192.1.2.5 替换后源 IP地址 192.1.1.2
192.168.1.1
静态映射 192.168.1.1：192.1.1.2 源IP地址 2180 5361 192.1.2.5 192.168.1.1 2180 5361 192.1.2.5
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8
网络层功能 虚电路服务和数据报服务 网际协议 网络层的路由选择 互联网中的选路 网络层互连设备 IP多播 工程实例
为传输层提供服务 组包和拆包 路由选择 流量控制
网络层提供的服务有两类：面向连接的网络服务 和无连接的网络服务。 虚电路服务是网络层向传输层提供的一种使所有 数据包按顺序到达目的节点的可靠的数据传送方 式，进行数据交换的两个节点之间存在着一条为 它们服务的虚电路；而数据报服务是不可靠的数 据传送方式，源节点发送的每个数据包都要附加 地址、序号等信息，目的节点收到的数据包不一 定按序到达，还可能出现数据包的丢失现象。
2．IP的分片和重组 分组必须分为更小的单位——分片才能包含在一 个数据帧中传送
1480字节 数据分组 4000字节 1480字节 分片 1020字节 链路MTU=1500 3个分片
1480字节 1480字节 1020字节 重组 4000字节
源
A
B
目的
假设A-B链路的MTU=1500字节，路由器对4000 字节长的分组进行分片
G1的路由表 目标网络 网1 网2 网1 a 距离 a b b 下一跳 直接 直接 网2 c G2的路由表 目标网络 网2 网3 距离 b d d 下一跳 直接 直接 网3 e
G1
G2
G3
2. 每个路由器周期性地（例如每30s）向各相邻 路由器播送“自己到网上所有目标网络的当前最 短距离”报文（D，V）。 3. 当每个路由器Gi收到相邻路由器Gj的一个序偶 （Do， Vo）时，其处理如下：
14
15 16 17 18
时戳应答
信息请求（已不用） 信息应答（已不用） 地址掩码请求 地址掩码应答
使用私有地址将网络连至Internet，需要将私有地 址转换为公有地址。这个转换过程称为网络地址转 换（Network Address Translation，NAT），通 常使用路由器来执行NAT转换。 NAT的实现方式有三种，即静态转换Static Nat、 动态转换Dynamic Nat 和 端口多路复用Overload 。
虚电路服务示例
路由器A的虚电路表 进入 结点 H1 进入虚 电路号 5 离去 结点 B 离去虚 电路号 7 进入 结点 A 路由器B的虚电路表 进入虚 离去 电路号 结点 7 E 离去虚 电路号 3 进入 结点 E
路由器F的虚电路表 进入虚 离去 电路号 结点 15 H2
离去虚 电路号 9
7
5 packet 5
4. 不断重复步骤2、3一段时间后，每个路由器的 路由表趋于稳定。 距离向量法的优点是简单，缺点是不适合于变化剧 烈的大型网络。
A
1.0.0.0-126.255.255.255
255.0.0.0
B
128.0.0.0-191.255.255.255
255.255.0.0
C
192.0.0.0-223.255.255.255
255.255.255.0
3．无分类域间路由CIDR
路由聚合前 的路由表 目的地址 192.168.1.0 192.168.2.0 192.168.3.0 下一跳 B B B 192.168.2.0 192.168.1.0
1．IP地址的分类
A类地址 x＜128 B类地址 128≤x＜192 C类地址 192≤x＜224 0 10 110 网络号 网络号 网络号 主机号 主机号 主机号
D类地址 224≤x＜240
E类地址 240≤x＜248
1110
11110
多点播送地址
保留
2．子网和子网掩码
类 IP地址范围 子网掩码
（1）若在Gi的权值和表中无Vo项，则增加一项： Vo Do+Dij Gj （2）若在Gi的权值和表中已有Vo项，例如 Vo D Gk 如果Do+Dij<D（有更近路径），则将该表项更新为 Vo Do+Dij Gj 如果Do+Dij>D，且Gk=Gj（原路径中断），则也更新为 Vo Do+Dij Gj 否则路由表保持不便。 对所有的相邻节点，对所有（D ，V）序偶执行上述步骤1、步骤2的操作