深入解析计算机网络层服务：虚电路与数据报服务的全面比较

aizixun8

点击此链接跳转至：计算机网络笔记整理-目录索引页

参考书籍：《计算机网络》第8版 谢希仁主编

文章目录

网络层提供的两种服务：虚电路服务

网络负责可靠传送

采用面向连接的通信方式，通信前建立虚电路，保证双方通信所需的全部网络资源，然后采用可靠传输的网络协议，保证发送的数据包无差错到达有序到达目的地，不丢失、不丢失。重复。

数据报服务

网络层向上仅提供简单、灵活、无连接、尽力而为的数据报服务。

网络发送数据包时不需要先建立连接。每个数据包（即IP数据报）都是独立发送的。网络层不提供服务质量承诺。传输的数据包可能有错误、丢失、重复、乱序（乱序到达目的地），并且数据包传输的时限得不到保证。

虚电路服务与数据报服务的比较

网络互连的概念、设备、层次和协议

网络互联是指将不同的网络连接起来，形成更大的网络系统，实现网络间的数据通信、资源共享和协同工作。网络互连仅使用路由器进行网络互连和路由选择。

互联网协议 IP 是 TCP/IP 系统中两个最重要的协议之一。还有其他三个协议与之结合使用：

网络互连的中间设备：

分类IP地址

每种类型的地址由两个固定长度的小节组成，其中一个是网络号net-id，标识主机（或路由器）所连接的网络，另一个是主机号host-id，它标识主机（或路由器）所连接的网络。识别主机。 （或路由器）

各种IP地址的分配范围

注：根据最新标准，B类地址的网络号128.0和C类地址的网络号192.0.0不再保留。因此，B类地址的最大可分配网络数应为16384，第一个可分配网络号应为128.0； C 类地址可分配的最大网络数应为，第一个可分配的网络号应为 192.0.0

参考：为什么B类地址的第一个可分配网络号不是128.0.0？ - 的回答- 知乎

5 类 IP 地址范围：

答：1.0.0.0 - 126.255.255.255

乙：128.0.0.0 - 191.255.255.255

电话： .0.0.0 - 223.255.255.255

直：224.0.0.0 - 239.255.255.255

电子邮件：240.0.0.0 - 247.255.255.255

私有地址的范围是：

A类地址范围：

10.0.0.0—10.255.255.255

B类地址范围：

172.16.0.0—172.31.255.555

C类地址范围：

192.168.0.0—192.168.255.255

通常不分配的特殊 IP 地址

无类别寻址 CIDR

CIDR：无类别域间路由

CIDR消除了A类、B类和C类地址和子网的传统概念，可以更有效地分配IPv4地址空间。

二级结构：网络前缀和主机号

网络前缀的位数可以取0到32之间的任意值

CIDR表示法：斜杠表示法abcd/n：二进制IP地址的前n位是网络前缀

地址块

CIDR 将具有相同网络前缀的连续 IP 地址分组为“CIDR 地址块”

CIDR地址块中包含的IP地址数量，取决于网络前缀的数量

128.14.32.0/20代表的地址块共有212个地址。因为斜杠后面的20是网络前缀的位数，所以主机号是12位。

该地址块的起始地址为128.14.32.0

最小地址：128.14.32.0

最大地址：128.14.47.255

全0和全1主机号地址一般不使用。

注：地址含义

地址掩码

地址掩码长度 = 32 位

它由一系列 1 和后面的一系列 0 组成。 1的个数就是网络前缀的长度。

（IP 地址）AND（地址掩码）= 网络地址

三个特殊的 CIDR 地址块

全球国家和地区IP分配数量排名

路由聚合

路由聚合有助于减少路由器之间的路由信息​​交换，从而提高整个互联网的性能

IP数据报

IP数据包由两部分组成：报头和数据

报头的第一部分是 20 字节的固定长度，这是所有 IP 数据报所必需的。

例子

ARP协议IP地址和MAC地址的区别

地址解析协议 ARP

功能：从网络层使用的IP地址解析出数据链路层使用的硬件地址

ARP缓存：存储局域网中各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。

当主机 A 向该 LAN 上的主机 B 发送 IP 数据报时，它会在 ARP 缓存中查找 B 的 IP 地址。

ARP请求组：包含发送者硬件地址/发送者IP地址/目标硬件地址（未知则填1）/目标IP地址

本地广播ARP请求：路由器不转发ARP请求

ARP响应包：包含发送者硬件地址/发送者IP地址/目标硬件地址/目标IP地址

ARP报文在物理网络上被封装成帧传输。

ARP解决了同一局域网内主机或路由器的IP地址和硬件地址之间的映射问题。当目的主机和源主机不在同一个局域网中时，ARP用于查找局域网中一台路由器的硬件地址，剩下的工作就由这台路由器来完成

发送者是一个路由器，它想要将IP数据包转发到网络上的另一台主机。此时，使用ARP查找目的主机的硬件地址。

发送者是将 IP 数据包转发到另一个网络上的主机的路由器。这时，使用ARP查找网络上另一台路由器的硬件地址。剩下的事情就由这个路由器来完成。

互联网控制消息协议 ICMP

ICMP是IP层协议

ICMP 报文主要分为三类：ICMP 错误报告报文、ICMP 控制报文和 ICMP 查询报文。

ICMP错误报告消息有三种类型：端点不可达、超时、参数问题

ICMP控制报文有两种类型：源抑制报文（不再使用）/改变路由（重定向）

ICMP 请求消息有两种类型：echo 请求或 echo 回复、时间戳请求或时间戳回复

ICMP的应用：

PING：用于测试两台主机之间的连通性。应用层直接使用网络层ICMP，不经过传输层TCP或UDP。

：用于跟踪数据包从源点到目的地点的路径。

MTU：利用IP数据报标志字段的中间位DF

ICMP的作用：

为了更有效地转发IP数据报并提高成功传送的机会，在互联网层使用互联网控制消息协议ICMP。

ICMP 协议是 TCP/IP 协议的子协议。它用于在IP主机和路由器之间传输控制消息。控制消息是指有关网络本身的消息，例如网络是否连通、主机是否可达、路由是否可用等，即提供错误报告和查询消息。

网络地址转换

配备NAT软件的路由器称为NAT路由器，并且至少具有一个有效的外部全局地址。

当使用本地地址的主机与外界通信时，必须在NAT路由器上将其本地地址转换为全局IP地址，然后才能连接到。

内部主机A使用本地地址IPA与上的主机B进行通信所发送的数据报必须经过NAT路由器。 NAT路由器将数据报的源地址IPA转换为全局地址IPG，并将转换结果记录在NAT地址转换表中。目的地址IPB保持不变，然后发送到。当NAT路由器收到主机B发回的数据报时，就知道数据报中的源地址是IPB，目的地址是IPG。 NAT路由器根据NAT转换表，将目的地址IPG转换为IPA，转发给最终内部主机A。

当NAT路由器有n个全局IP地址时，私网中最多可以有n台主机同时连接到。这允许专用网络中的大量主机轮流使用 NAT 路由器的有限数量的全局 IP 地址。

路由器、转发数据包和路由表的组成。路由器的组成

路由器是具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发数据包

整个路由器结构可以分为两部分：路由部分和报文转发部分。

转发数据包的过程

数据包在互联网中逐跳转发

基于目的地的转发：根据报文头中的目的地址进行传输和转发

最长前缀匹配：查找路由表时可能会得到多个匹配结果。应从匹配结果中选择网络前缀最长的路由。

两条特殊路线：

路由表

根据主机的网络地址创建路由表

路由协议

互联网使用分层路由协议是因为

自治系统 AS：许多网络、IP 地址和路由器由单一技术使用内部路由协议和自治系统内的通用指标进行管理。每个 AS 向其他 AS 展示单一且一致的路由策略

两种类型的路由协议：

内部网关协议 RIP

RIP 是一种分布式、基于距离矢量的路由协议

每个路由器都维护从自身到每个其他目标网络的距离记录

距离：路由器到直接相连网络的距离为1，到间接相连网络的距离为它经过的路由器数量加1； “距离”也称为“跳数”。每经过一个路由器，跳数就加1。

一条路径最多只能包含 15 个路由器。当“距离”等于16时，相当于不可达，只适合小型互联网

RIP协议的特点 建立路由表的距离向量算法

示例：路由表更新

坏消息传播缓慢

优点和缺点

优点：实现简单、开销低

缺点：

RIP限制了网络的规则，它可以使用的最大距离是15

路由器之间交换的路由信息​​是路由器中完整的路由表，因此随着网络规模的扩大，开销也随之增加

“坏消息传得很慢”，使得更新过程需要很长时间才能收敛

内部网关协议 OSPF

开放最短路径优先 OSPF

使用所提出的最短路径算法SPF

最重要的特点是使用链路状态协议而不是像 RIP 这样的距离矢量协议。

特征

链路状态数据库：路由器之间频繁地交换链路状态信息，因此所有路由器最终都可以建立一个链路状态数据库。这个数据库实际上是整个网络的拓扑图，并且在整个网络中是一致的。 。

OSPF的链路状态数据库可以快速更新，OSPF更新过程的快速收敛是一个重要的优点。

区域

OSPF 将一个自治系统划分为几个较小的范围，称为区域。每个区域都有一个32位的区域标识符（用点分十进制表示）

划分区域的优点是使用洪泛方法交换信息的范围仅限于每个区域。一个区域内的路由器只知道该区域完整的网络拓扑。

OSPF采用分层区域划分。上层区域称为骨干区域（标识符0.0.0.0）。它的作用是连接下层的其他区域。来自其他区域的信息由区域边界路由器汇总。位于骨干区域的路由器称为骨干路由器。骨干A路由器可以同时作为边界路由器。骨干区域还有一个路由器，专门与其他自治系统交换路由信息。这样的路由器称为自治系统边界路由器。

其他特性 OSPF 分组类型

OSPF不使用UDP而是直接使用IP数据报传输。

外部网关协议 BGP

BGP 是不同自治系统中的路由器之间交换路由信息的协议。

力争选择一条能够到达目的网络的更好的路由，而不是寻找最佳路由

路径向量路由协议

BGP路由

BGP 发言人通常是 BGP 边界路由器

BGP 发言人为了与其他自治系统中的 BGP 发言人交换路由信息，必须首先建立 TCP 连接，然后在该连接上交换 BGP 消息以建立 BGP 会话，并通过 BGP 会话交换路由信息。使用 TCP 连接交换路由信息的两个 BGP 发言者成为彼此的邻居或对等体。

BGP 路由=[前缀、BGP 属性]=[前缀、AS-PATH、下一跳]

前缀：表示哪个子网（以 CIDR 表示法表示）

AS-PATH：自治系统路径，通告BGP路由经过的自治系统。每次经过AS时，其自治系统号都会被添加到AS-PATH中。

NEXT-HOP：下一跳，发布BGP路由的起点

三个不同的自治系统

BGP路由如何避免兜圈子？

AS收到的BGP路由的AS-PATH中已有自己，立即删除该路由（属性AS-PATH中不允许出现相同的AS号）

BGP路由

IPv6

IPv6仍然支持无连接传输，但协议数据单元（PDU）被称为数据包而不是数据报。

主要变化：

IPv6数据报由两部分组成：基本报头和有效负载（也称为有效负载。允许有零个或多个扩展报头，后面是数据部分）

地址格式

IPv6数据报的目的地址可以是以下三种类型之一：

IPv6 使用冒号十六进制表示法

每个 16 位值均以十六进制表示，每个值之间用冒号分隔。

数字前面可以省略0。例如，可以省略“0000”中的前3个0，写成1 0。

零压缩：一系列连续的零可以用一对冒号替换。 FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可以压缩为 FF05::B3

零压缩在任何一个地址只能使用一次

点分十进制表示法的后缀

冒号十六进制表示法可以与点分十进制表示法后缀结合使用，这在 IPv4 到 IPv6 的过渡阶段特别有用

0:0:0:0:0:0:128.10.2.1

零压缩->::128.10.2.1

CIDR 的斜杠表示法仍然可用

60位前缀可记为

12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60

或：12AB::CD30:0:0:0:0/60

或：12AB:0:0:CD30::/60

IPV6地址分类