第四章 网络层

4.1 网络层服务

• 发送主机：将数据段封装到数据报（datagram）中

• 接收主机：向传输层交付数据段（segment）

网络层核心功能：转发与路由

• 转发（forwarding）：将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口

• 路由（routing）：确定分组从源到目的经过的路径

网络层核心功能：连接建立

• 网络层连接：两个主机之间（路径上的路由器等网络设备参与其中），数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接，由网络核心实现

• 传输层连接：两个应用进程之间（对中间网络设备透明）

网络层服务模型

1. 无连接服务（connection-less service）：数据报网络（datagram network）
• 不事先为系列分组的传输确定传输路径
• 每个分组独立确定传输路径
• 不同分组可能传输路径不同

2. 连接服务（connection service）：虚电路网络（virtual-circuit network）
• 首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径（建立连接）
• 然后沿该路径（连接）传输系列分组
• 系列分组传输路径相同
• 传输结束后拆除连接

拥塞控制

1. 网络层（辅助）拥塞控制：路由器向发送方显式地反馈网络拥塞信息，指示发送方应该采取何种速率

2. 传输层端到端拥塞控制：网络层不需要显式地提供支持，端系统通过观察loss、delay等网络行为判断是否发生拥塞，TCP

4.2 虚电路网络与数据报网络

虚电路网络 VC（Virtual circuit）

• 分组交换，每个分组的传输利用链路的全部带宽

• 源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能

• 通信过程：呼叫建立（call setup）→数据传输→拆除呼叫

• 每个分组携带虚电路标识（VC ID），而不是目的主机地址

• 同一条VC在每段链路上的VCID通常不同：路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号

• 虚电路经过的每个网络设备（如路由器）维护每条经过它的虚电路连接状态

• 链路、网络设备资源（如带宽、缓存等）可以面向VC进行预分配

1. 从源主机到目的主机的一条路径

2. 虚电路号（VCID）， 沿路每段链路一个编号

3. 沿路每个网络层设备（如路由器），利用转发表记录经过的每条虚电路

数据报网络

4.3 路由器体系结构（未讲，但要求掌握）

• 运行路由算法/协议（如 RIP、OSPF、BGP）

• 将数据报从输入链路转发到输出链路

输入端口

• “匹配 + 动作”：当收到一个数据报时，根据其目的地址（首部字段值）在输入端口的转发表内存中查找对应的输出端口。
目标：使输入端口的处理速度能达到“线速”，也就是网络链路的速率，不造成延迟。
• 基于目的地址的转发：仅依据目的IP地址来决定转发方向（这是传统路由器的方式）。
• 广义转发：可以根据任意首部字段的组合来决定转发行为（如源地址、端口号、协议类型等），这是SDN（软件定义网络）中的典型做法。

• 排队： 如果数据报到达的速度超过交换结构的转发速率，就会在输入端口形成队列。
• 产生排队时延
• 若输入缓冲区溢出，则会造成数据报丢失
• 队首阻塞（HOL blocking）：当排在队首的数据报无法被转发（例如目的输出端口忙碌时），它会阻塞后续的数据报，即使后面的数据报本可以被立即转发。

交换结构

通过内存交换

通过总线交换

通过互连网络交换

输出端口

• 数据报丢失：当出现拥塞或缓冲区不足时，某些数据报可能会被丢弃。
当数据报从交换结构到达输出端口的速度快于输出链路的发送速率时，就需要在输出端口进行缓存，以防止数据丢失。

• 调度策略（或调度机制）：从排队的数据报中选择要发送的数据报。
优先级调度：在调度算法中可以为不同类型的流量设置优先级

4.4 IP协议

IP分组格式

• 版本号字段占4位：IP协议的版本号（IPv4/IPv6）

• 首部长度字段占4位：IP分组首部长度 = 该字段 × 4字节

• 服务类型（TOS）字段占8位：指示期望获得哪种类型的服务，只有在网络提供区分服务（DiffServ）时使用，一般情况下不使用，通常IP分组的该字段（第2字节）的值为00H

• 总长度字段占16位：IP分组的总字节数（首部+数据）
最大IP分组的总长度：65535B
最小的IP分组首部（同时也是最小IP分组的总长度）：20B
IP分组可以封装的最大数据：65535-20=65515B
（关联数据链路层）当 IP 数据包的大小 小于 46 时（以太网设备会读取 IP 的首部的长度字段以得知），以太网设备会自动在其末尾填充 0，使其大小为 46 字节。

• 生存时间（TTL）字段占8位：IP分组在网络中可以通过的路由器数（或跳步数）
路由器转发一次分组，TTL减1
如果TTL=0，路由器则丢弃该IP分组

• 协议字段占8位：指示IP分组封装的是哪个协议的数据包（6：TCP/17：UDP）

• 首部校验和字段占16位：实现对IP分组首部的差错检测，逐跳计算、逐跳校验

• 源IP地址、目的IP地址字段各占32位：分别标识发送分组的源主机/路由器（网络接口）和接收分组的目的主机/路由器（网络接口）的IP地址

• 选项字段占长度可变，范围在1~40B之间：携带安全、源选路径、时间戳和路由记录等内容，实际上很少被使用

• 填充字段长度可变，范围在0~3B之间：目的是补齐整个首部，符合32位对齐，即保证首部长度是4字节的倍数

• 标识字段占16位：标识一个IP分组
IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识

• 标志位字段占3位
DF = 1：禁止分片；DF = 0：允许分片
MF = 1：非最后一片；MF = 0：最后一片（或未分片）

• 片偏移字段占13位：一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量，以8字节为单位

IP分片

IP编址

课堂练习

IPv6

课堂练习

课堂练习

（1）202.118.1.0/25 202.118.1.128/25

（2）R1的路由表

目的网络IP地址	子网掩码	下一跳IP地址	接口
202.118.1.0	255.255.255.128	-	E1
202.118.1.128	255.255.255.128	-	E2
202.118.3.2	255.255.255.255	202.118.2.2	L0
0.0.0.0	0.0.0.0	202.118.2.2	L0

0.0.0.0/0→当找不到更具体的路由时，就使用这条路由。

（3）202.118.1.0 255.255.255.0 202.118.2.1 L0 看好谁到谁

可能的最小子网：划分出一个最小子网

101.200.0001XXXX.XXXX

101.200.00010XXX.XXXX 子网1

101.200.000110XX.XXXX 子网2

101.200.0001110X.XXXX 子网3

101.200.00011110.XXXX 子网4 最小子网

101.200.00011111.XXXX 子网5 最小子网

4.5 IP相关协议

互联网控制报文协议 ICMP

1. 差错报告报文（5种）
• 目的不可达
• 源抑制（Source Quench）
• 超时/超期
• 参数问题
• 重定向 （Redirect）

2. 网络探询报文（2组）
• 回声（Echo）请求与应答报文（Reply）
• 时间戳请求与应答报文

• 对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文

• 除第1个IP数据报分片外，对所有后续分片均不发送 ICMP 差错报告报文

• 对所有多播IP数据报均不发送 ICMP 差错报告报文

• 对具有特殊地址（如127.0.0.0 或 0.0.0.0）的IP数据报不发送 ICMP 差错报告报文

• 源主机向目的主机发送一系列UDP数据报，TTL=1、2、3…

• 当第n组数据报（TTL=n）到达第n个路由器时，路由器丢弃数据报并向源主机发送ICMP报文，报文携带路由器名称和IP地址信息

• 当ICMP报文返回到源主机时记录RTT

• UDP数据报最终到达目的主机，目的主机返回“目的端口不可达” ICMP报文，源主机停止

ICMP 无法确定、也不会决定网络通信使用 TCP 或 UDP。

TCP/UDP 是应用层和传输层自己决定的，ICMP 只是 IP 层的错误报告机制。

Traceroute 程序本身选择了 UDP。

课堂练习

动态主机配置协议 DHCP

• “硬编码”：静态配置

• DHCP
• 从服务器动态获取：IP地址、子网掩码、默认网关地址、DNS服务器名称与IP地址
• “即插即用”
• 允许地址重用
• 支持在用地址续租
• 支持移动用户加入网络

网络地址转换 NAT

• 只需/能从ISP申请一个IP地址，IPv4地址耗尽

• 本地网络设备IP地址的变更，无需通告外界网络

• 变更ISP时，无需修改内部网络设备IP地址

• 内部网络设备对外界网络不可见，即不可直接寻址（安全）

• 路由器应该只处理第3层功能

• 违背端到端通信原则：应用开发者必须考虑到NAT的存在，例如P2P应用

• 地址短缺问题应该由IPv6来解决

NAT穿透问题

课堂练习

R2 203.10.2.2 80 192.168.1.2 80

H2 192.168.1.2 203.10.2.2

R3 203.10.2.6 203.10.2.2

R2 203.10.2.6 192.168.1.2

4.6 路由算法

• 全局信息：所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息，如链路状态（LS）路由算法

• 分散信息：路由器只掌握物理相连的邻居以及链路费用，邻居间信息交换、运算的迭代 过程，如距离向量（DV）路由算法

• 静态路由：手工配置，路由更新慢，优先级高

• 动态路由：路由更新快，定期更新，及时响应链路费用或网络拓扑变化

链路状态路由算法：Dijkstra算法

距离向量路由算法：Bellman-Ford方程（动态规划）

节点以为绕路可以到达目标网络，而实际上目标已经彻底不可达了，但没有节点能知道这一事实。

1. 好消息：例如新增一条链路时
• 好消息是正数
• 新距离比旧距离更短
• 一旦发现更短路径，节点立即更新
• 短路径会在下一轮更新快速传播整个网络

2. 坏消息：例如某个目标消失或链路断开
• 节点设为不可达（∞）
• 但邻居可能仍认为自己可达
• 这种错误的“可达性”不能立即消除
• 邻居之间会反复把“错误的距离”传播给对方
• 每次加 1，慢慢上涨
• 直到达到上限（如 16），才认定不可达

3. 解决办法
• 毒性逆转：如果一个结点到达某目的的最小费用路径是通过某个邻居，则通告给该邻居结点到达该目的的距离为无穷大
• 定义最大度量：定义一个最大的有效费用值，如15跳步为最大有效跳数，16跳步表示∞

层次路由

• 网络规模：考虑数亿目的结点的网络
• 路由表几乎无法存储
• 路由计算过程的信息交换量巨大，会淹没链路

• 管理自治：每个网络的管理可能都期望自主控制其网内的路由
• 互联网：网络之网络

• AS内部路由算法设置AS内部目的网络路由入口

• AS内部路由算法与AS间路由算法共同设置AS外部目的网络路由入口

课堂练习

4.7 路由协议

路由信息协议RIP（Routing Information Protocol）

• 距离度量：跳步数（最大15跳），每条链路1个跳步

• 每隔30秒，邻居之间交换一次DV，称为通告

• 每次通告：最多25个目的子网（IP地址形式）

• 经过该邻居的路由不可用，重新计算路由，向邻居发送新的通告，邻居再依次向外发送通告（如果转发表改变）

• 链路失效信息能否快速传播到全网？可能发生无穷计数问题
毒性逆转技术用于预防乒乓环路（另外：无穷大距离16跳）

课堂练习

开放最短路径优先OSPF（Open Shortest Path First）

• 安全：所有OSPF报文可以被认证（预防恶意入侵）

• 允许使用多条相同费用的路径（RIP只能选一条）

• 对于每条链路，可以针对不同的TOS设置多个不同的费用度量

• 集成单播路由与多播路由：多播OSPF协议（MOSPF）与OSPF利用相同的网络拓扑数据

• OSPF支持对大规模AS分层

边界网关协议BGP（Border Gateway Protocol）

课堂练习