计算机网络层详解

1. 网络层

　　网络层主要任务是吧分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机通过通信服务。

　　1. 网络层的功能

　　　1. 路由选择与分组转发：通过路由选择算法，寻找出最佳传输路线

　　　2. 异构网络互联：将手机、WiFi、网线电脑，笔记本WLAN等不同结构的网络连接起来

　　　3. 拥塞控制：若所有节点都来不及接收分组，而要丢弃大量分组时，网络就处于拥塞状态。

　　　　解决拥塞的方法：开环控制（静态）和闭环控制（动态）

 

　　2. 数据交换

　　　1. 电路交换

　　　　

 　　　　　 当电话A和电话B进行通话，首先他们之间会建立连接（电路建立），链路一般都是固定的，之后开始进行通信，通过过程中他们会独占资源，即连
　　　    接建立，这条线路就处于忙碌状态，知道通话结束，释放连接（拆除电路）。

　　　　电路交换的优点：

　　　　　1. 通信时延小：电路交换属于数据直达的过程，一旦有数据则立即发送

　　　　　2. 有序传输：两个点建立连接，一条直达的通道，数据会有序的在这条通道上进行传输

　　　　　3. 没有冲突：一旦建立连接，则会独占资源，不会存在第三方的干扰

　　　　　4. 实时性强：通信双方一旦建立链路成功，就可以随时进行通信

 

　　　　电路交换的缺点：

　　　　　1. 建立连接时间长：建立连接之前需要进行拨号，然后等待一段时间对方应答才算成功建立连接

　　　　　2. 线路独占：使用效率低：一旦双方建立连接，则会独占资源，即使双方不进行通信

　　　　　3. 灵活性差：假如某一个交换设备出现故障，整个线路就会崩溃

　　　　　4. 无差错控制能力：通信双方在发送数据时，不会对发送的数据进行检错，只是负责发送

 

　　　2. 报文交换

　　　　

 

 

　　　　      报文从源主机发送出去，到达交换设备后，会在交换设备进行缓存，等待链路处于空闲可用状态，再将报文发送到目的主机，链路的选择是动态
　　　   的，取决于链路的空闲状态，哪条链路空闲就从哪里发送。

　　　　报文交换的优点：

　　　　　1. 无需建立连接：报文交换不需要提前建立连接，想发就发，只要链路空闲

　　　　　2. 存储转发，动态分配线路：交换设备可以进行存储数据，一旦链路为空闲状态则发送报文

　　　　　3. 线路可靠性较高：假如某一台交换设备发生故障，可以灵活选择其他链路进行发送

　　　　　4. 线路利用率较高：没有固定的连接，不会占有链路，一旦链路空闲就可以进行发送

　　　　　5. 多目标服务：源主机的报文可以发送给多个目的主机

 

　　　　报文交换的缺点：

　　　　　1. 有存储转发时延：交换设备会将报文存储下来，只有链路空闲在进行转发，存在一定的时延

　　　　　2. 报文大小不定，需要网络节点有较大的存储空间

 

　　　3. 分组交换

　　　　

 

 　　　　  　　将大的数据块分割成小的数据块，发送数据的时候以分组的每个单元进行发送，第一个单元到达交换设备进行存储，等待链路空闲再进行转发，
　　　　　同时后续单元也会从源主机依次进行发送，重复等待-转发步骤，知道每一个单元都被发送到了目的主机。

　　　　　分组交换的优点：

　　　　　　1. 无需建立连接：报文交换不需要提前建立连接，只需要将报文进行分隔依次发送

　　　　　　2. 存储转发，动态分配链路：交换设备可以进行存储数据，一旦链路为空闲状态则发送报文块

　　　　　　3. 线路可靠性较高：假如某一台交换设备发生故障，可以灵活选择其他链路进行发送

　　　　　　4. 线路利用率较高：没有固定的连接，不会占有链路，一旦链路空闲就可以进行发送

　　　　　　5. 相对于报文交换，存储管理更加容易

　　　　　　6. 对交换设备的存储能力较低

　　

　　　　　分组交换的缺点：

　　　　　　1. 有存储转发时延：交换设备会将报文存储下来，只有链路空闲在进行转发，存在一定的时延

　　　　　　2. 需要传输额外的信息量：需要对分隔的报文单元进行编号，保证报文的顺序

　　　　　　3. 乱序到目的主机时，需要对分组排序重组

 

　　　4. 三种数据交换的比较

　　　　

 

　　3. 分组交换的方式

　　　1. 数据报方式—为网络层提供无连接服务

　　　　无连接服务：不事先为分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组传输路径可能不同

　　　　每个分组携带源和目的地址

　　　　路由器根据分组的目的地址转发分组：基于路由协议；检索转发表；每个分组独立选路

　　　　通信过程：

　　　　　

　　

　　　2. 虚电路方式—为网络层提供连接服务

　　　　连接服务：首先为分组的传输确定传输路径（建立连接），然后沿该路径传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接

　　　　虚电路将数据报方式和电路交换方式结合；

　　　　虚电路：一条源主机到目的主机类似于电路的路径，路径上所有节点都要维持这条虚电路的建立，都维持一张虚电路表，记录着虚电路的信息

　　　　通信过程：

　　　　　

　　　　

　　　3. 数据报和虚电路的区别

　　　　

 

　　4. 路由算法

　　　1. 静态路由算法（非自适应路由算法）

　　　　概念：管理员手工配置路由信息。简便，可靠，在小型网络中具有很好的效果，但是路由更新慢，不适用于大型网络。

　　　

　　　2. 动态路由算法（自适应路由算法）

　　　　概念：路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。路由更新快，使用大型网络，但是算法复杂度较高，增加网络负担。

　　　　1. 链路状态路由算法（OSPF）：所有的路由掌握完整的网络拓扑和链路费用信息

 

　　　　2. 距离向量路由算法（RIP）：路由器只掌握物理相连的邻居和链路费用

 

　　5. IP数据报

　　　1. IP数据报分为首部和数据部分，首部分为固定部分（通常20字节）和可变部分

　　　　

 

 

　　6. IP地址

　　　1. IP地址：全世界唯一的32位标识符，标识路由器主机的接口，分为网络号和主机号两个部分

　　　2. ip地址分类：

　　　　

 

 

　　　3. 特殊的ip地址

　　　　

 

　　　4. ip可用数