計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第6章網(wǎng)絡(luò)層課件2024-01-21匯報(bào)人：AAcontents目錄網(wǎng)絡(luò)層概述IP協(xié)議ARP與RARP協(xié)議ICMP協(xié)議IPv6協(xié)議路由選擇算法與路由協(xié)議CHAPTER網(wǎng)絡(luò)層概述01根據(jù)路由算法和路由表，確定數(shù)據(jù)包從源主機(jī)到目的主機(jī)的最佳路徑。路由選擇分組和重組擁塞控制將上層傳下來(lái)的數(shù)據(jù)分割成小的數(shù)據(jù)包，并在目的端將數(shù)據(jù)包重組為原始數(shù)據(jù)。采取一定的措施，避免網(wǎng)絡(luò)中因過多的數(shù)據(jù)包而造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞。030201網(wǎng)絡(luò)層功能負(fù)責(zé)在主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)之間尋址和路由數(shù)據(jù)包，提供無(wú)連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。IP協(xié)議用于在IP主機(jī)和路由器之間傳遞控制消息，如報(bào)告錯(cuò)誤、交換受限控制和狀態(tài)信息等。ICMP協(xié)議將32位的IP地址轉(zhuǎn)換為MAC地址，以在局域網(wǎng)內(nèi)正確傳送數(shù)據(jù)幀。ARP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備路由器連接不同網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，根據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信。三層交換機(jī)具有路由功能的交換機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)不同子網(wǎng)之間的通信，同時(shí)保持高的轉(zhuǎn)發(fā)性能。防火墻通過過濾和代理等技術(shù)，控制網(wǎng)絡(luò)訪問行為，保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。CHAPTERIP協(xié)議02IP地址是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，用于標(biāo)識(shí)互聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的通信。IP地址的概念I(lǐng)P地址由32位二進(jìn)制數(shù)組成，分為4個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)之間用點(diǎn)號(hào)分隔。IP地址的組成IP地址分為A、B、C、D、E五類，其中A、B、C類為常用IP地址，D類用于多播，E類保留未用。IP地址的分類IP地址123包含版本、首部長(zhǎng)度、區(qū)分服務(wù)、總長(zhǎng)度、標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、片偏移等字段，用于描述IP數(shù)據(jù)報(bào)的基本信息和傳輸控制信息。IP數(shù)據(jù)報(bào)首部封裝了上層協(xié)議傳遞下來(lái)的數(shù)據(jù)，如TCP報(bào)文段或UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)。IP數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分可選部分，提供了一些附加功能和控制信息，如源路由選項(xiàng)、記錄路由選項(xiàng)等。IP數(shù)據(jù)報(bào)選項(xiàng)IP數(shù)據(jù)報(bào)格式IP數(shù)據(jù)報(bào)分片當(dāng)IP數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度超過網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)淖畲髠鬏攩卧∕TU）時(shí)，需要進(jìn)行分片處理。分片是將一個(gè)長(zhǎng)的IP數(shù)據(jù)報(bào)分割成多個(gè)小的IP數(shù)據(jù)報(bào)，每個(gè)分片都有自己的IP首部。分片的過程在發(fā)送端，根據(jù)MTU大小將IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片，并在每個(gè)分片的IP首部中設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)識(shí)、標(biāo)志和片偏移字段。在接收端，根據(jù)這些字段將分片重組成原始的IP數(shù)據(jù)報(bào)。重組的過程在接收端，根據(jù)IP首部的標(biāo)識(shí)字段將屬于同一個(gè)原始IP數(shù)據(jù)報(bào)的所有分片進(jìn)行識(shí)別，并按照片偏移字段的順序進(jìn)行重組。重組完成后，將得到一個(gè)完整的IP數(shù)據(jù)報(bào)，然后將其傳遞給上層協(xié)議處理。IP數(shù)據(jù)報(bào)分片與重組CHAPTERARP與RARP協(xié)議03ARP協(xié)議概述ARP（AddressResolutionProtocol，地址解析協(xié)議）用于將32位的IP地址轉(zhuǎn)換為MAC地址，以在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。ARP工作原理當(dāng)主機(jī)需要與另一個(gè)主機(jī)通信時(shí)，它首先會(huì)檢查自己的ARP緩存中是否有目標(biāo)主機(jī)的MAC地址。如果沒有，主機(jī)將發(fā)送一個(gè)ARP請(qǐng)求廣播到網(wǎng)絡(luò)上，詢問目標(biāo)主機(jī)的MAC地址。目標(biāo)主機(jī)收到請(qǐng)求后會(huì)回復(fù)一個(gè)ARP應(yīng)答，包含其MAC地址。發(fā)送方主機(jī)收到應(yīng)答后，將目標(biāo)主機(jī)的IP地址和MAC地址存儲(chǔ)在ARP緩存中，以便后續(xù)通信。ARP報(bào)文格式ARP報(bào)文分為請(qǐng)求報(bào)文和應(yīng)答報(bào)文兩種，都包含發(fā)送方和接收方的硬件地址（MAC地址）和協(xié)議地址（IP地址）。ARP協(xié)議RARP協(xié)議概述01RARP（ReverseAddressResolutionProtocol，逆地址解析協(xié)議）用于將MAC地址轉(zhuǎn)換為32位的IP地址。它允許無(wú)盤工作站或其他沒有配置IP地址的設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)上獲取其IP地址。RARP工作原理02設(shè)備發(fā)送一個(gè)RARP請(qǐng)求廣播到網(wǎng)絡(luò)上，詢問其IP地址。RARP服務(wù)器收到請(qǐng)求后，會(huì)查找設(shè)備的MAC地址對(duì)應(yīng)的IP地址，并回復(fù)一個(gè)RARP應(yīng)答。設(shè)備收到應(yīng)答后，將其IP地址配置到網(wǎng)絡(luò)接口上。RARP報(bào)文格式03RARP報(bào)文也分為請(qǐng)求報(bào)文和應(yīng)答報(bào)文兩種，包含發(fā)送方和接收方的硬件地址（MAC地址）和協(xié)議地址（IP地址）。RARP協(xié)議要點(diǎn)三代理ARP概述代理ARP（ProxyARP）是一種特殊的ARP技術(shù)，允許一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（通常是路由器或防火墻）代表其他設(shè)備響應(yīng)ARP請(qǐng)求。這使得網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以相互通信，即使它們不在同一個(gè)物理子網(wǎng)上。要點(diǎn)一要點(diǎn)二代理ARP工作原理當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收到一個(gè)ARP請(qǐng)求時(shí)，如果目標(biāo)IP地址與其配置的代理ARP范圍匹配，它將代替目標(biāo)設(shè)備回復(fù)一個(gè)ARP應(yīng)答。應(yīng)答中包含代理設(shè)備的MAC地址作為目標(biāo)設(shè)備的MAC地址。發(fā)送方設(shè)備收到應(yīng)答后，將代理設(shè)備的MAC地址與目標(biāo)設(shè)備的IP地址關(guān)聯(lián)起來(lái)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到代理設(shè)備上。代理設(shè)備再負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)設(shè)備。代理ARP的應(yīng)用場(chǎng)景代理ARP通常用于實(shí)現(xiàn)不同子網(wǎng)之間的通信，特別是在無(wú)類別域間路由（CIDR）和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）等場(chǎng)景中。它還可以用于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)配置和管理，減少手動(dòng)配置ARP條目的需求。要點(diǎn)三代理ARPCHAPTERICMP協(xié)議04包含類型、代碼和校驗(yàn)和等字段，用于標(biāo)識(shí)ICMP報(bào)文的類型和相關(guān)信息。報(bào)文頭部根據(jù)不同類型的ICMP報(bào)文，數(shù)據(jù)部分的內(nèi)容和格式有所不同，用于傳遞差錯(cuò)報(bào)告或詢問報(bào)文的具體信息。數(shù)據(jù)部分ICMP報(bào)文格式超時(shí)報(bào)文當(dāng)IP數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)間過長(zhǎng)，超過了生存時(shí)間（TTL）時(shí)，路由器會(huì)丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)并發(fā)送超時(shí)報(bào)文，告知發(fā)送方數(shù)據(jù)報(bào)已超時(shí)。目的地不可達(dá)報(bào)文當(dāng)路由器或主機(jī)無(wú)法將IP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到目的地時(shí)，會(huì)發(fā)送目的地不可達(dá)報(bào)文，告知發(fā)送方數(shù)據(jù)報(bào)無(wú)法到達(dá)的原因。參數(shù)問題報(bào)文當(dāng)路由器或主機(jī)檢測(cè)到IP數(shù)據(jù)報(bào)的頭部字段有誤時(shí)，會(huì)發(fā)送參數(shù)問題報(bào)文，告知發(fā)送方數(shù)據(jù)報(bào)存在的問題。ICMP差錯(cuò)報(bào)告報(bào)文03地址掩碼請(qǐng)求和地址掩碼應(yīng)答報(bào)文用于獲取網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)的子網(wǎng)掩碼信息，發(fā)送方發(fā)送地址掩碼請(qǐng)求報(bào)文，接收方在應(yīng)答報(bào)文中返回自己的子網(wǎng)掩碼信息。01回送請(qǐng)求和回送應(yīng)答報(bào)文用于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連通性和測(cè)量往返時(shí)延，發(fā)送方發(fā)送回送請(qǐng)求報(bào)文，接收方收到后發(fā)送回送應(yīng)答報(bào)文。02時(shí)間戳請(qǐng)求和時(shí)間戳應(yīng)答報(bào)文用于同步網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘，發(fā)送方發(fā)送時(shí)間戳請(qǐng)求報(bào)文，接收方在應(yīng)答報(bào)文中返回自己的時(shí)間戳信息。ICMP詢問報(bào)文CHAPTERIPv6協(xié)議05128位二進(jìn)制數(shù)，通常表示為8組16位的十六進(jìn)制數(shù)，各組之間用冒號(hào)(:)分隔。IPv6地址表示包括單播地址、組播地址和任播地址。IPv6地址類型包括未指定地址、環(huán)回地址和鏈路本地地址等。特殊IPv6地址IPv6地址固定長(zhǎng)度為40字節(jié)，包含版本、流量類型、流標(biāo)簽、載荷長(zhǎng)度、下一個(gè)報(bào)頭、跳數(shù)限制和源/目的地址等字段。IPv6基本報(bào)頭可選部分，用于支持各種特殊功能，如路由、分片、認(rèn)證等。IPv6擴(kuò)展報(bào)頭傳輸層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（如TCP段或UDP數(shù)據(jù)報(bào)）或ICMPv6消息。IPv6數(shù)據(jù)IPv6數(shù)據(jù)報(bào)格式封裝安全載荷報(bào)頭提供機(jī)密性、數(shù)據(jù)源認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性和抗重放攻擊等更強(qiáng)的安全功能。認(rèn)證報(bào)頭提供數(shù)據(jù)源認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性和抗重放攻擊等安全功能。分片報(bào)頭用于支持IPv6數(shù)據(jù)報(bào)的分片和重組。逐跳選項(xiàng)報(bào)頭用于在每個(gè)路由器上處理特殊的選項(xiàng)。路由報(bào)頭類似于IPv4的松散源路由和嚴(yán)格源路由選項(xiàng)，用于指定數(shù)據(jù)報(bào)經(jīng)過的路由器。IPv6擴(kuò)展報(bào)頭CHAPTER路由選擇算法與路由協(xié)議06路由選擇算法的分類靜態(tài)路由選擇算法和動(dòng)態(tài)路由選擇算法。路由選擇算法的性能指標(biāo)正確性、簡(jiǎn)單性、健壯性、穩(wěn)定性、公平性和最優(yōu)性。路由選擇算法概述靜態(tài)路由選擇算法的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、開銷小。靜態(tài)路由選擇算法的缺點(diǎn)：無(wú)法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，可能導(dǎo)致路由環(huán)路或黑洞等問題。常見的靜態(tài)路由選擇算法：固定路由算法、泛洪路由算法、隨機(jī)游走路由算法等。靜態(tài)路由選擇算法

動(dòng)態(tài)路由選擇算法動(dòng)態(tài)路由選擇算法的優(yōu)點(diǎn)：能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的路由選擇。動(dòng)態(tài)路由選擇算法的缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、開銷較大。常見的動(dòng)態(tài)路由選擇算法：距離矢量路由算法、鏈路狀態(tài)路由算法等。RIP協(xié)議的特點(diǎn)簡(jiǎn)單、易于配置和管理，適用于小型網(wǎng)絡(luò)。RIP協(xié)議的工作原理路由器定期向鄰居路由器發(fā)送路由更新報(bào)文，報(bào)文中包含路由器到所有目的網(wǎng)絡(luò)的距離和下一跳地址。鄰居路由器收到更新報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文中的信息更新自己的路由表。RIP協(xié)議的缺點(diǎn)存在慢收斂和路由環(huán)路等問題，不適用于大型和復(fù)雜