计算机网络技术(施晓秋编)教案：第七章 网络层

第七章网络层教学目标网络层的功能逻辑寻址路由、交换通信子网的内部结构（数据交换方式）TCP/IP的网际层IP协议IP数据报IP地址ARP协议（本地ARP，代理ARP）RARP，ICMP协议重点与难点逻辑寻址路由、交换IP协议IP数据报IP地址7.1 网络层的概述从源端到目的端存在许多的中间节点，这些中间节点构成了从源端到目的端的多条路径，所以面临路径选择的问题而数据链路层负责相邻节点间可靠的数据传输，将数据帧由传输介质的一端送到另一端。

P143 图7.1一、为什么需要网络层？●涉及将源主机发出的数据（分组）经各种途径送到目的主机，从源主机到目的主机可能要经过许多的中间节点。

（该问题包含主机寻址）●网络层是通信子网的最高层，但是处理主机到主机数据传输的最低层。

●通信子网与资源子网的接口，即通信子网的边界。

●在网络层/传输层的接口上为传输层提供服务。

二、网络层的功能●规定信息分组的类型与格式。

将传输层传递过来的长数据信息拆分为若干个分组。

●确定收发双方的网络地址。

●为传输层提供不同的服务：面向连接的服务（虚电路）、面向无连接的服务（数据报）。

●路由●拥塞控制三、网络层的设计目标●所提供的服务与通信子网技术无关●通信子网的数量、类型和拓朴结构对于传输层是透明的。

●传输层所能获得的地址应采用统一的方式，以使其能跨越不同的LAN和W AN。

四、网络层提供的服务●可靠的面向连接的服务：虚电路服务●不可靠的面向无连接的服务：数据报服务补充：通信子网的内部结构—数据交换方式1、数据交换：●定义：并不是资源子网中的任意两个节点间都有直接可达的线路，因而数据需经过通信子网中某些节点的转接或交换。

●意义：通信子网的内部结构决定了数据交换所采用的方式。

2、数据交换的类型●线路交换（电路交换）：A、通信需要三个阶段：呼叫建立，传输数据，拆除连接；B、特点：时延小，适合于实时性强的交互式通信；对突发性通信不适应，信道利用率低；不具备存储数据或差错控制能力●报文交换A、以报文为数据传输单元，在每一报文上附上源地址和目的地址作为信息传送的基本逻辑单位。

通信子网中的对其进行缓冲存储与路由转发B、特点：非独占信道，存储转发，差错控制，速度转换，广播多发●分组交换（包交换）：A、仍基于存储转发原理，但对数据传输单位的作了划分：将长报文或大的数据块分割成小段，为每小段附上地址、分组编号、校验等信息构成一个数据分组（数据包），作为存储转发的逻辑数据单元。

B、特点：固定大小的分组单位较小，可充分利用线路空闲，从而减少了传输延时；出错重传的数据量也大大减少又分为数据报和虚电路两种不同的包交换●虚电路（Virtual Circuit）含义：通信子网借以实现面向连接服务的工作方式，需要源与目标之间建立一条逻辑上的通信链路。

涉及虚电路逻辑连接的三个阶段：①虚电路对立②数据传输③虚电路拆除在建立连接时，将从源端机器到目标机器的路由作为连接建立的一部分加以保存。

在虚电路上传送的分组总是取相同的路径（路由）通过通信子网。

虚电路的特点和分类特点：1.包传输路径相同，不需要源地址与目标地址信息。

2.除了建立连接时需要路由，在数据传送过程中不需要作路由，无路由信息，只有虚电路连接信息。

3.包的传输不会出现丢失、重复和乱序现象。

分类：1.永久虚电路（PVC）2.呼叫虚电路（SVC）●数据报(Datagram)1.通信子网借以实现面向无连接服务的工作方式。

2.为每个分组选择独立的路由，即不同的分组可以走不同的路由。

3.网络服务（文件服务、打印服务、邮件服务等）网络管理（共享资源管理、用户管理等）虚电路与数据报的比较五、路由选择● 路由即路径选择，涉及为源到目标的分组选择一条最佳的传输路径。

--何去何从 ● 路由算法在网络层进行最佳路径的选择● 不同的路由算法对最佳路径的评判有着不同的标准。

● 路由算法的分类：按路由算法能否自动适应网络状态（如通信流量、拓朴结构等）的变化分为：1. 静态路由（非自适应算法）2. 动态路由（自适应算法） 按路由算法的作用范围分为：1. 内部路由协议（RIP ，OSPF ）2. 外部路由协议（BGP ） 动态路由算法又包括：1. 距离矢量算法（RIP ）2. 链路状态算法（OSPF ）● 路由算法的性能评价1. 正确性（correctness ）2. 简单性（simplicity ）3. 健壮性（robustness ）4. 稳定性（stability ）或收敛性（convergence ）5. 公平性（fairness ）6. 最优性（optimality ） 六、拥塞控制1. 拥塞：当通信子网中的某一部分有太多的数据分组时，会导致网络性能的下降。

这种现象称为网络中的拥塞。

2. 拥塞会引起网络分组的丢失，在严重的情况下，会导致网络运行的瘫痪。

包交换方式 数据报 虚电路电路设置NOYES （建立、传输、拆除）地址每个Packet 需完整的源/目的地址每个Packet 仅含虚电路号状态信息有路由表，无连接表连接表路由选择每个包自由选择建立后勿需路由路由器失败的影响丢失失败时的分组所有经过失败路由器的VC失效传输质量同一报文的不同分组会出现乱序、重复、丢失同一报文的不同分组不会出现乱序/重复/丢失3.产生拥塞的原因是多样的：●线路的带宽太小●网络上的流量不平衡●通信子网中的设备如路由器的CPU性能不够4. 拥塞控制与流量控制的区别●拥塞控制用于确保通信子网能运送所有待传送的数据，是一个全局性的问题。

--涉及所有主机、路由器，并与路由器的存储转发能力和其他影响通信子网负荷的因素有关。

●流量控制只涉及发送者和接收者之间的点到点通信流量。

其任务是确保一个快速的发送者不要以高于接收者所能承受的速率发送数据。

（举例说明）7.1.4 TCP/IP模型的网络层1.OSI与TCP/IP的复习●OSI Model与TCP/IP Model对应关系●TCP/IP的主要协议2.网际层的主要功能●提供与多种网络的接口，支持异构网络的互连。

将不同的网络技术在网络层统一在IP协议之下：不同网络技术的主要区别在数据链路层和物理层，如不同的局域网技术和广域网技术。

●负责接收数据报并将其独立地发送到目标网络上-：不同的数据包可能经由不同的网络路径。

3. 网际层协议●IP协议（因特网协议）：Internet Protocol●ICMP协议（因特网消息控制协议）Internet Control Message Protocol●RAP协议（地址解析协议）Address Resolution Protocol●RARP协议（反向地址解析协议）Reverse Address Resolution Protocol7.2IP协议●IP协议是网际层的核心协议。

●提供无连接的数据报传输机制—不管源和目标机器是否在一个网络中，或者其间是否存在其他网络，均能提供从源到目标的数据报传输。

●网际层的数据报称为IP数据报。

（IP Datagram）20字节的固可选项IP数据报的字段说明（1）●版本：数据报协议的版本（IPV4、IPV6）●头长度：数据报报头的长度●服务类型：主机要求通信子网提供的服务类型。

包括3位的优先级、3 个标志位（Delay Throughput Reliability）、2 位未用。

通常文件传输更注重可靠性，而数字声音或图象传输更注重速度。

●总长：数据报的总长度。

216-1 =65535字节●标识:标识数据报。

当数据报长度超出网络最大传输单元（MTU），要进行分段，所有属于同一数据报的分段具有相同的的ID●标志：指出该数据报是否可分段。

1. DF表示不可有分段，MF表示有进一步的分段。

2. 如无盘启动时，就要求一个完整无的包含内存映象的单个数据包●片偏移：指出该分段在数据报中的位置。

●生存时间：限定数据报生存期的计时器。

最长为28-1=255S●协议：指示协议的类型。

主要是指传输层所采用的协议。

●头校验：用于校验头标。

(只校验头部，因为链路层校验了数据部分)累加求补，再取其结果的补码。

正确到达时，校验和为零。

设校验和初值为0，然后对数据每16位求异或，结果取反，便得校验和。

校验时将数据（含校验和）按同样的算法求和，结果为0则数据正确，不为0表示通讯出错，需要丢弃该数据包。

●任选字段：用于存放安全、保密和错误报告等信息。

现在，一般忽略安全信息（网络攻击的一种途径）●源/目标IP地址：分别指出源主机和目的主机的网络地址1. 为32位长度的二进制数，分为4个8位组，每个8位组的最大值为1111111(即十进制的255)2. 址为一个结构化的地址模式，由网络号与主机号组成。

Question有了MAC层地址，为什么还要有IP地址？查看P148 逻辑地址与物理地址三类基本IP地址A类地址共有27-2 个A类网络，每个A类网络所拥有的主机数目可达224-2, 即16,777,214。

A类地址的范围（二进制表示）：00000001.00000000.00000000.00000000---01111111.11111111.11111111.11111111若采用点十进制（Dotted Decimal Format），则为:1.0.0.0------127.255.255.255B类地址共有214-2 个B类网络，每个B类网络所拥有的主机数目可达216-2 , 即16,777,214。

B类地址的范围（二进制表示）：10000000.00000001.00000000.00000000---10111111.11111111.11111111.11111111若采用点十进制（Dotted Decimal Format），则为:128.0.0.0-191.255.255.255C类地址共有221-2个C类网络，每个C类网络所拥有的主机数目可达28-2 , 即254。

C类地址的范围（二进制表示）：11000000.00000000.00000000.00000000---11011111.11111111.11111111.11111111若采用点十进制格式（Dotted Decimal Format），则为:192.0.0.0至223.255.255.255●网络地址和网络标识1. 计算机借助于什么手段判断源和目标主机是否在同一个网络中，从而决定是否要进行路径的选择？----IP地址的网络部分（网络号）2. 网络号◆主机部分为全“0”的IP地址保留作为网络的标识即网络号。

◆只有在同一个网络内的主机才能进行相互间的直接通信---具有相同的网络号.举例: 三类基本网络的网络号举例113.0.0.0 --- A 类网络号176.10.0.0 ----B类网络号202.32.66.0---C类网络号●广播地址Question: 当源要向某一个网络中的所有机器发送数据时，如何处理？⏹Answer:使用网络广播地址⏹IP地址的主机部分以全“1”表示的IP地址被用作广播地址举例:170.22.255.255（向一个B类网络进行广播）210.33.36.255 （向一个C类网络进行广播）●●⏹私有地址一般用于与因特网隔离的网络中。