网络层 详解,网络层功能,网络层协议,网络层设备。

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  1. 掌握网络层的协议及工作原理
  2. 掌握网络层的物理设备

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数据链路层只能在相邻节点之间传递数据,而网络层可以在「不相邻」的节点之间传递数据,无论中间有多少个机器,网络层都能将将数据从源设备传递到目的设备,而网络层传输数据的核心,就是IP协议。

接下来,我们来了解一下,IP协议是怎么传输数据的。

IP协议是一种不可靠的端到端数据包「传输服务」,主要实现两个功能:数据传输和数据分片。

1)数据传输

数据传输功能依赖于「IP地址」,IP协议规定IP地址的格式为32位二进制,分为A、B、C、D、E五类:

  • A类(1~127):1.0.0.1 ~ 127.255.255.254
  • B类(128~191):128.0.0.1 ~ 191.255.255.254
  • C类(192~233):192.0.0.1 ~ 233.255.255.254
  • D类(224~239):224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
  • E类(240~225):240.0.0.0 ~ 255.255.255.254

2)数据分片

当传输的数据超过帧的「最大值」时,IP协议会将数据「分割」,放到多个数据帧中传输,传输完成时,再将数据「重组」。

详细资料请参考我的另一篇文章: IP协议详解

ICMP协议是IP的一个组成部分,负责传递「控制信息」,它只负责「检错」而不负责「纠错」。

ICMP协议根据 Type 和 Code 这两个字段来标明传输的情况,以此来控制数据的传输。比如 Type=0,Code=0,代表传输正常;Type=3,Code=3,则意味着端口不可达。

详细资料请看考我的另一篇文章: ICMP协议详解

IP协议定义了IP的格式和使用规则,而电脑具体使用哪个IP地址,你得自己配,DHCP刚好可以帮我们实现分配IP的工作。

DHCP也叫动态主机配置协议,负责「管理和分配IP」。

工作流程分为四步:

  1. DHCP Discover:客户端广播发现报文,寻找网络内的DHCP服务器。
  2. DHCP Offer:DHCP服务器发送提供报文,给客户端提供IP地址。
  3. DHCP Request :客户端广播请求报文,使用指定服务器提供的IP地址。
  4. DHCP ACK:DHCP服务器发送确认报文,告知IP地址的租期。

详细资料请参考我的另一篇文章: DHCP协议详解

IP协议根据IP地址将数据传输到目的地址,通往目的地址的路线有很多,我们需要选择一条最优的路线,也就是路由选择,而RIP刚好可以帮我们实现这个功能。

RIP全称(Routing Information Protocol),中文叫路由信息协议,使用「距离矢量算法」,根据跳数来判断到达目标的「最佳路径」。

每一个路由器都维护一张「路由表」,路由表提供自己到达其他所有路由器的跳数,以及下一跳的路由器。 「跳数」就是到达目标路由器需要经过的路由器的个数,每经过一个路由器,跳数就加1,跳数大于15时,判定网络不可达。 路由器每隔30秒广播一次更新信息,并根据其他路由器响应的更新报文修改路由表。

每个路由器都有独立的「计时器」,以此来减小同时广播的几率。 路由表中的每条路由都有一个「超时定时器」,如果超过180秒没有收到路由的更新信息,则判定该路由无效。 对于判定无效的路由,会开启「清除定时器」,如果超过120秒还没有收到路由的更新信息,就从路由表中删除这条路由。

由于最大跳数的限制,RIP只适合小型网络,应用较少,为了适应大型的网络,人们在RIP协议的基础上,研究出了OSPF协议。

OSPF(Open Shortest Path First)根据链路状态选择最短路径。

1)工作原理

OSPF的工作原理很简单:相邻的路由器发送hello报文确定邻居关系,邻居路由器互相交换链路状态,然后使用最短路径算法计算出路由表。

2)工作过程

OSPF协议的工作过程分为三个阶段:邻居发现、链路交换 和 路由计算。

1)「邻居发现阶段」:当路由器初始化或者网络结构发生变化时,相邻的路由器之间发送hello报文,将通信正常的路由器保存到邻居表。

2)「链路交换阶段」:路由器和邻居路由器交换链路状态、并更新到自己的链路状态数据库,邻居再和邻居的邻居交换链路状态,交换到最后,每一个路由器都会获得全网的链路状态。

3)「路由计算阶段」:路由器根据链路状态数据库,使用最短路径算法,计算出各自的OSPF路由表;然后从所有OSPF路由表中选出最优的路径,放到全局路由器。

网络中的设备根据IP地址进行通信,IP地址由网络地址和主机地址两部分组成,网络地址不同的两个IP处于两个网段,不同的网段之间不可以直接通信;

而路由器的多个端口可以连接「多个网段」,每个端口的IP地址的网段与所连接的网段一致,从而使数据在不同的网段之间传输。

1)路由器

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路由器用来链接多个不同协议的网络,根据路由算法把数据包按照最佳路线传送到目的地址。

路由器内部有一个「路由表」,表里有目的IP地址对应的「下一跳」地址和接口,表里的这些内容是路由选择协议算出来的,比如RIP协议和OSPF协议。

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路由表的执行逻辑是,让数据不断的接近目标地址,这个下一跳可能是转发地址,也可能就是目标地址,就像发快递要经过很多个中转站一样。

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