網路層服務
網路層
- 從發送主機向接收主機傳送資料段（segment）
- 發送主機：將資料段封裝到資料報（datagram）中
- 接收主機：向傳輸層交付資料段（segment）
- 每個主機和路由器都運行網路層協議
- 路由器檢驗所有穿越它的IP資料報的頭部域
- 決策如何處理IP資料報
網路層核心 功能- 轉發與路由
轉發(forwarding):將分組從路由器的輸入埠轉移到合適的輸出埠
路由(routing): 確定分組從源到目的經過的路徑，路由演算法（routingalgorithms）
網路層核心功能- 連接建立
- 某些網路的重要功能:
- ATM, 幀中繼, X.25
- 資料分組傳輸之前兩端主機需要首先建立虛擬/邏輯連接
- 網路設備（如路由器）參與連接的建立
- 網路層連接與傳輸層連接的對比:
- 網路層連接: 兩個主機之間 (路徑上的路由器等網路設備參與其中)
- 傳輸層連接: 兩個應用行程之間（對中間網路設備透明）
網路層服務 模型
- 無連接服務(connection-less service):
- 不事先為系列分組的傳輸確定傳輸路徑
- 每個分組獨立確定傳輸路徑
- 不同同 分組可能傳輸路徑不同
- 資料報網路(datagram network )
- 連接服務(connection service):
- 首先為系列 分組的傳輸 確定從源到目的經過的路徑( 建立連接)
- 然后沿該路徑（連接）傳輸系列分組
- 系列分組傳輸路徑相同
- 傳輸接 結束后拆除連接
- 虛電路絡 網路(virtual-circuit network )
虛電路網路
- 資料報(datagram)網路與虛電路(virtual-circuit)網路是典型兩類分組交換網路
- 資料報網路提供網路層無連接服務
- 虛電路網路提供網路層連接服務
- 類似于傳輸層的無連接服務（UDP）和面向連接服務（TCP），但是網路層服務：
- 主機到主機服務
- 網路核心實作
虛電路(Virtual circuits)
虛電路：一條從源主機到目的主機，類似于電路的路徑(邏輯連接)
- 分組交換
- 每個分組的傳輸利用鏈路的全部帶寬
- 源到目的路徑經過的網路層設備共同完成虛電路功能
通信程序：
- 呼叫建立(call setup) → 資料傳輸 → 拆除呼叫
- 每個分組攜帶虛電路標識(VCID)，而不是目的主機地址
- 虛電路經過的每個網路設備（如路由器），維護每條經過它的虛電路連接狀態
- 鏈路、網路設備資源(如帶寬、快取等)可以面向VC進行預分配
- 預分配資源=可預期服務性能
- 如ATM的電路仿真（CBR）
VC 的具體實作
每條虛電路包括:
- 從源主機到目的主機的一條路徑
- 虛電路號（VCID）， 沿路每段鏈路一個編號
- 沿路每個網路層設備（如路由器），利用轉發表記錄經過的每條虛電路
沿某條虛電路傳輸的分組，攜帶對應虛電路的VCID，而不是目的地址
同一條VC ，在每段鏈路上的VCID通常不同，路由器轉發分組時依據轉發表改寫/替換虛電路號
虛電路信令協議(signaling protocols)
資料報網路
- 網路層無連接
- 每個分組攜帶目的地址
- 路由器根據分組的目的地址轉發分組
- 基于路由協議/演算法構建轉發表
- 檢索轉發表
- 每個分組獨立選路
資料報轉發表
最長前綴匹配優先
在檢索轉發表時，優先選擇與分組目的地址匹配 前綴最長的入口（entry ），
資料報網路 or VC 網路
IP 協議-IP 資料報
Internet 網路層
IP 資料報( 分組)
- 版本號欄位占4位：IP協議的版本號
- E.g. 4→IPv4，6 → IPv6
- 首部 長度欄位占4位：IP分組首部長度
- 以4位元組為單位
- E.g. 5→IP首部長度為20(5×4)位元組
- 服務型別(TOS)欄位占8位：指示期望獲得哪種型別的服務
- 1998 年這個欄位改名為區分服務
- 只有在網路提供區分服務(DiffServ)時使用
- 一般情況下不使用，通常IP分組的該欄位(第2位元組)的值為00H
- 總長度欄位占16位：IP分組的總位元組數(首部+資料)
- 最大IP分組的總長度：65535B
- 最小的IP分組首部：20B
- IP分組可以封裝的最大資料：65535-20=65515B
- 生存時間（TTL ）欄位占8位：IP分組在網路中可以通過的路由器數（或跳步數）
- 路由器轉發一次分組，TTL減1
- 如果TTL=0，路由器則丟棄該IP分組
- 協議欄位占8位：指示IP分組封裝的是哪個協議的資料包
- 實作復用/分解
- E.g. 6為TCP，表示封裝的為TCP段；17為UDP，表示封裝的是UDP資料報
- 首部校驗和欄位占16位：實作對IP分組首部的差錯檢測
- 計算校驗和時，該欄位置全0
- 采用反碼算數運算求和，和的反碼作為首部校驗和欄位
- 逐跳計算、逐跳校驗
- 源 源IP 地址、目的IP 地址欄位各占32位：分別標識發送分組的源主機/路由器(網路介面)和接收分組的目的主機/路由器（網路介面）的IP地址
- 選項欄位占長度可變，范圍在1~40B之間：攜帶安全、源選路徑、時間戳和路由記錄等內容
- 實際上很少被使用
- 填充欄位占長度可變，范圍在0~3B之間：目的是補齊整個首部，符合32位對齊，即保證首部長度是4位元組的倍數
IP 協議-IP 分片
最大傳輸 單元(MTU)
IP分片與重組
- 標識欄位占16位：標識一個IP分組
- IP協議利用一個計數器，每產生IP分組計數器加1，作為該IP分組的標識
- 片偏移欄位占13位：一個IP分組分片封裝原IP分組資料的相對偏移量
- 片偏移欄位以8位元組為單位
IP 分片 程序
- 假設原IP分組總長度為L，待轉發鏈路的MTU為M
- 若L>M，且DF=0，則可以/需要分片
- 分片時每個分片的標識復制原IP分組的標識
- 通常分片時，除最后一個分片，其他分片均分為MTU允許的最大分片
- 一個最大分片可封裝的資料應該是8的倍數，因此，一個最大分片可封裝的資料為：
- 需要的總片數為：
IP 協議-IP編址
- IP分組：
- 源地址(SA)-從哪兒來
- 目的地址(DA)-到哪兒去
- 介面(interface): 主機/路由器與物理鏈路的連接
- 實作網路層功能
- 路由器通常有多個介面
- 主機通常只有一個或兩個
- 介面 (e.g.，有線的以太網
- 介面，無線的802.11介面)
-
IP地址: 32 位元(IPv4)編號標識主機、路由器的介面
-
IP地址與每個介面關聯
-
IP地址:
- 網路號(NetID) – 高位位元
- 主機號(HostID) – 低位位元
-
IP 子網：
- IP地址具有相同網路號的設備介面
- 不跨越路由器（第三及以上層網路設備）可以彼此物理聯通的介面
IP 協議- 有類IP 地址
特殊IP 地址
私有（Private ）IP 地址
IP 協議-IP 子網劃分 與碼 子網掩碼
如何區分一個IP 子網更小范圍網路（子網）?---- 子網劃分
路由器如何確定應該將IP分組轉發到哪個子網？
子網掩碼的應用
一個C 類網路劃分子網舉例
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