计算机网络课件网络层

计算机网络课件网-络层在计算机网络中网络层负责管理和控制整个网络系统的数据通信这一层致力,于确保不同设备之间的数据传输能够顺利进行并提供必要的寻址机制网络层,扮演着互联网的中枢角色对网络操作的效率和可靠性至关重要,网络层概述网络层功能网络层协议网络层负责在互联网上传输数据包为上层应用提供可靠、高效的网络层最著名的协议是协议负责处理数据包在网络中的寻址和,IP,端到端数据传输服务它定义了数据包的格式、寻址和路由等机转发同时还有路由协议、地址解析协议等共同构成网络层ARP,制确保数据可以在网络中正确传递和转发的关键功能,网络层的功能端到端通信路由与转发拥塞控制网络层负责在不同网络之间提供端到端的数网络层决定数据包应该沿哪条路径传输并网络层通过监控网络状况采取措施避免或,,据传输服务确保数据顺利地从源地址到达进行转发操作使数据包能够从源地址到达缓解网络拥塞确保网络效率和服务质量,,,目的地址目的地址网络层的主要问题复杂性可扩展性12网络层需要处理各种不同类型随着网络规模和复杂性的不断设备、协议和应用程序的连接增加网络层必须具备良好的可,和通信这为网络设计和管理扩展性以应对不断增长的设备,带来了巨大挑战和流量性能优化安全性34网络层需要合理利用有限的网网络层需要提供有效的安全机络资源实现高效的数据传输和制防范各种网络攻击和数据窃,,转发满足不同应用的性能需求取确保网络通信的安全性,,网络层的体系结构网络层的体系结构主要包括以下几个方面:地址体系结构•IP路由体系结构•网络互联体系结构•网络安全体系结构•这些体系结构定义了网络层的关键概念和功能确保了网络层能高,效协调和控制网络中的数据传输网络层的主要协议协议协议IP ICMP协议是网络层的核心协议负责协议用于发送网络状态信息IP,ICMP数据包的寻址和转发它定义了和错误报告可以诊断网络故障并,数据包的格式和路由机制优化路由协议协议ARP DHCP协议将逻辑地址地址解协议用于自动分配地址ARP IPDHCP IP,析为物理地址地址用于本简化了网络设备的配置过程MAC,地网络中的通信网际协议IP网络标准是计算机网络通信的核心协议定义了数据在网络中的传输格式和规则IP,数据传输协议负责将数据包从源端传送到目的端提供无连接的数据报服务IP,地址寻址协议定义了用于标识网络设备的地址支持基于地址的路由和转发IP IP,地址IP特点用于标识网络设备的唯一地址可通过路由寻址来传输数据包构成网络前缀和主机号两部分通过子网掩码区分版本和两种主要版本IPv4IPv6逐步被取代IPv4IPv6地址IPv44版本采用位地址长度IPv432$

3.7T可用地址最多支持亿个地址IPv

442.94区块地址由个位区块组成IPv448地址是目前互联网上最广泛使用的地址格式它采用位二进制表示通常以点分十进制的形式表示每IPv432,,个十进制数表示一个位二进制数虽然地址空间有限但通过一些技术手段如子网划分、网络地址转换8IPv4,等方式可以延长的使用寿命IPv4地址IPv6地址是新一代协议的地址方案与地址长度为位不同，地IPv6IP IPv432IPv6址采用位长度，能够提供更大的地址空间，满足了互联网的地址需求128地址由多个部分组成，包括前缀、接口标识符和其他控制信息通过合理IPv6分配和管理，地址能够为全球各地的设备分配唯一的标识IPv6地址转换CIDR简介表示法CIDR CIDR使用网络前缀长度来表示CIDRClassless Inter-Domain CIDRIP是一种灵活的地址分地址范围如Routing IP,

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1.0/24配方式可以更有效地利用地址表示,IP空间

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1.0~

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255.的优势CIDR可以根据需求灵活划分子网提高地址利用效率缓解地址耗尽CIDR,IP,IPv4的问题地址解析协议ARP基本功能请求与响应12协议用于解析网络层地址到数据链路层地址的主机发送请求广播获取目的地址的地址对方主机ARP IPMAC ARPMAC,映射关系收到后会发送响应ARP地址缓存安全问题34主机会将解析到的映射缓存一定时间以避免频繁协议容易受到欺骗攻击需要配合其他安全措施来保护IP-MAC,ARP,发送请求网络ARP动态主机配置协议DHCP服务器客户端过程DHCP DHCP DHCP服务器负责自动分配地址、子网掩客户端向服务器发送请求动客户端发现、请求、获得和续租地址的过DHCP IPDHCPDHCP,IP码、网关地址等网络配置参数简化了用户态获取所需的网络配置信息无需手动设置程为用户提供即插即用的网络连接,,,的网络设置过程网际控制报文协议ICMP定义与功能工作原理应用场景安全隐患是一个网络层协议用于报文通常被数据报携广泛应用于网络诊断、报文也可能被恶意利用ICMP,ICMP IPICMP ICMP在网络中传递差错和控制信带可以及时反馈网络情况帮故障排查、安全监控等领域进行攻击如洪水攻击IP,,,ICMP息它提供了丰富的报文类型助主机诊断和解决问题常见例如可以利用回显请求因此在实际应用中需要谨慎处,ICMP用于处理网络故障、查询网的报文类型包括回显请应答检测网络连通性使用时理消息并采取相应的安,ICMP/,ICMP,络状态、进行性能分析等求应答、时间超时、目的不间超时报文分析网络延迟等全防护措施/可达等报文类型和格式ICMP回应报文差错报文用于主机间互相确认连通性如命用于通知数据报发送过程中出现的差,ping令的实现错如目标不可达等,信息报文时间戳报文用于获取一些网络信息如子网掩码、用于测量往返时延为网络管理提供依,,跳数上限等据路由算法静态路由算法1由网络管理员手动配置路由表适用于网络结构相对简单路由,,信息变化不大的情况动态路由算法2路由器之间自动交换路由信息及时学习网络拓扑变化适用于,,复杂多变的网络环境距离向量算法-3路由器周期性向相邻路由器发送自己的路由表通过交换路由表,计算出到达目的网络的最短路径静态路由手动配置路由简单可靠12静态路由需要管理员手动配置静态路由配置相对简单不需要,路由表包括目的地址、下一跳复杂的路由协议因此比较可靠,,地址和出接口等信息适用于小型网络不适用于大型网络34静态路由适合拓扑简单、网络在大型网络中静态路由配置和,规模较小的网络环境维护会变得非常繁琐容易出现,错误动态路由动态路由概念动态路由是指路由器能够自动发现和更新路由表适应网络拓扑的变化与静态路由不同动态,,路由具有更强的灵活性和适应性动态路由算法动态路由算法包括距离向量算法和链路状态算法可以根据网络拓扑的变化自动计算和更新-,最佳路由动态路由协议常见的动态路由协议有、和等它们能够自动交换路由信息动态维护路由表RIP OSPFBGP,,距离向量路由协议-基于距离的路由算法定期交换路由信息路由收敛过程距离向量路由协议使用基于距离的路由算路由器会定期与相邻路由器交换路由信息距离向量路由协议通过不断交换路由信息-,-,法每个路由器都会保存一份到达其他网络以更新自己的路由表从而实现动态路由最终能收敛到网络的最优路由提高网络的,,,的最短路径和距离信息可靠性链路状态路由协议拓扑发现快速收敛链路状态路由协议通过定期交换当网络拓扑发生变化时链路状态,链路信息来发现网络拓扑结构路由协议能快速计算出最优路径,每个路由器都会维护网络的完整并迅速更新转发表视图开销计算链路状态路由协议通过计算链路开销来选择最优路径考虑因素包括带宽、,时延、可靠性等内部网关协议IGP定义特点主要协议应用场景内部网关协议是用于在自管理范围局限于自治系统•（路由信息协议）主要应用于中小型企业或IGP•RIP IGP治系统内路由的协议负责在内部组织内部网络以高效管理自,•（开放最短路径优,OSPF网络中交换路由信息以建立治系统内部的路由信息,通常使用距离向量或链路先）•和维护最佳路径状态算法•（增强型内部网关EIGRP路由更新频率较高以快速路由协议）•,响应网络变化边界网关协议BGP路由信息交换可扩展性12是一种用于在自治系统之可以在大规模的互联网环BGP BGP间交换路由信息的协议它支境中有效运行是一种高度可扩,持基于策略的路由选择展的路由协议多路径选择安全性34支持在不同的自治系统之提供了身份验证和加密等BGP BGP间选择多条可用路径提高了网安全机制可以抵御路径欺骗和,,络的可靠性其他攻击虚拟局域网VLAN概念优势配置应用虚拟局域网是基于交可以更好地管理和划分的配置包括定义广泛应用于企业局域网VLAN VLAN VLANVLANVLAN换机实现的逻辑网络可以将网络增强网络的灵活性和安、指定端口属于哪些可以根据部门、功能等划分,,ID VLAN,物理上相连的设备划分到不同全性减少网络开销和广播流以及配置中继链路等支持静不同的虚拟网络提高网络管,,的广播域中提高网络安全性量态和动态配置理和安全性,和效率虚拟专用网VPN隧道技术灵活部署通过创建安全的隧道在公共网络上建立私有连接数据在传输过可以跨越地理位置连接远程办公、分支机构等提高工作效率VPN,VPN,,程中得到加密保护和协作能力成本节约便捷管理相比专线租用能够以较低成本为企业提供安全稳定的网络连接集中管理可以简化网络维护提高管理效率实现对企业网络,VPN VPN,IT,服务的全面控制多协议标签交换MPLS网络架构路由器虚拟链路MPLS MPLSMPLS利用标签交换技术在网络层和链路网络由标签交换路由器组成通使用虚拟链路MPLS,MPLS LSR,MPLS LabelSwitched层之间建立了一个高效灵活的传输层可以过将数据包封装入标签来进行快速转发提在网络中建立端到端的传输通,,Path,LSP有效地整合不同类型的网络服务高了网络的性能和可靠性道提供了更加灵活的连接方式,网络安全防火墙加密技术入侵检测安全策略防火墙是网络安全的第一道防端到端加密可以确保数据在传入侵检测系统可以及时发现和制定全面的安全策略和措施是线用于监控和控制进出网络的输过程中的安全性和机密性报告网络中的异常活动确保网络安全的关键所在,流量防火墙网络防护多重防御灵活配置防火墙是保护网络免受未经授权访问的关键防火墙采用多重安全机制如包过滤、代理防火墙可根据组织需求灵活配置安全策略,,设备通过控制进出网络的数据流量确保内服务、状态检查等综合应用以提供全面的严格管控内外网数据交换为网络提供定制,,,,部网络的安全网络防护化的安全保护入侵检测系统IDS监测威胁日志分析可以监测网络流量并检测可疑的会对收集的日志数据进行分析识IDS IDS,入侵活动及时发现并警示系统管理员别潜在的攻击行为和异常活动,自动响应报警通知可以根据事先设置的策略自动采会向管理员及时发出安全事件报IDS IDS取相应的防御措施如阻止攻击、隔离警协助快速识别和应对安全隐患,,主机等端到端加密技术保护数据隐私防止篡改端到端加密确保只有发送方和接加密信息附带数字签名或消息认收方可以访问通信内容防止第三证码能够检测和识别任何对数据,,方窃听即使信息遭到拦截加密的非法修改确保信息完整性,,算法也可以确保数据的机密性实现端到端可信通信通过公钥基础设施和数字证书端到端加密可以建立通信双方的身份验PKI,证和信任关系避免中间人攻击,网络层发展趋势软件定义网络网络功能虚拟化云计算与边缘计算网络安全SDN NFV通过软件编程控制网络将网络功能从专用硬件中网络层将向更加分布式的架构随着网络规模和复杂度的增加SDN NFV设备提高网络的灵活性和自分离出来运行在通用计算平发展包括云端和边缘设备的网络安全将是一个亟待解决,,,,动化程度这有助于应对日益台上这提高了资源利用率和协同工作以提高响应速度和的关键问题需要采用更智能,复杂的网络需求服务部署的灵活性降低时延化的安全防护技术。