网络层教学课件：计算机网络的基石

网络层教学课件计算机网络的基石课程目标理解网络层在计算机网络中的地掌握协议的基本原理和工作机了解常用的网络层协议，如IP位和作用制、等ICMP OSPF学习网络层的概念，了解网络层在整个网学习地址的分类和分配、子网划分、网学习协议的类型和功能、协议IP ICMPOSPF络体系结构中的位置和作用，理解其与其络地址转换、路由选择算法等知识，并能的路由选择机制，以及其他常见的网络层他层之间的关系，掌握网络层协议的基本够理解数据报的格式和解析协议，为进一步学习网络安全和网络管理IP原理，以及网络层提供的服务打下基础网络层概述网络层是计算机网络体系结构中的第三层，位于数据链路层之上，传输层之下它负责将数据包从源主机传输到目标主机，并提供网络寻址和数据路由******的功能网络层是整个网络的基石，它为上层应用提供可靠的网络连接，并**管理网络资源，保证数据包的顺利传输网络层主要负责以下任务网络寻址为每个网络节点分配唯一的网络地址，以便网络设备能够识别和•定位网络上的其他节点路由选择根据网络地址和网络拓扑，确定数据包传输的最佳路径，将数据•包从源节点转发到目标节点数据包分片和重组如果数据包过大，无法通过链路传输，网络层会将其分•成多个较小的数据包进行传输，并在目标节点进行重组网络层连接管理建立和维护网络节点之间的连接，确保数据包能够顺利到•达目的地网络层主要功能数据分组路由选择12网络层将应用层传递下来的数网络层根据路由算法，确定数据报文，进行分组，并添据分组从源主机到达目标主机****加网络层首部最优路径，并根据路径信********息转发数据分组拥塞控制3网络层负责管理网络资源，防止网络拥塞，确保数据分组能够有效****传输协议IP网络层协议无连接协议协议是网络层的核心协议，负协议是一种无连接协议，这意IP IP责数据包在互联网上的路由和传味着它不保证数据包的按序到达输或可靠性数据包的传输是独立的，不会建立连接面向数据报协议使用数据报作为基本传输单元，数据报包含源地址、目标地址、数IP据以及其他控制信息地址概述IP地址的定义地址的作用IP IP地址是分配给每个连接到互联网或任何其他网络的设备的唯一逻辑地地址的主要功能是IP IP址，就像我们的身份证号码一样，用于识别网络上的每个设备标识网络上的主机或设备•实现网络数据传输•提供网络路由信息•地址分类IP网络类主机类子网类用于区分不同的网络，例如互联网上的不同用于区分同一网络内的不同主机，例如同一将一个大的网络划分为多个更小的子网络，公司或机构公司内部的不同电脑用于提高网络效率和安全性地址分配IPv4分配方式描述集中式分配由（互联网号码分配机构）IANA负责管理和分配地址块给各个IPv4区域的注册管理机构（）RIR分级分配再将地址块分配给各个国家或RIR地区的网络运营商，网络运营商再根据需求分配给用户动态分配（动态主机配置协议）允许DHCP主机动态获取地址，提高地址利IP用率子网划分简化网络管理1更有效的分配地址IP提高网络效率2减少广播域增强安全性3隔离不同网络子网划分是一种将大型网络细分为多个较小网络的技术，它通过将地址空间划分为多个子网来实现网络的优化和管理IP子网掩码定义作用子网掩码是一个与地址相同长度的子网掩码与地址进行与运算，可IP IP“”二进制数，用来区分网络地址和主机以判断主机所在的网络地址格式子网掩码通常用点分十进制表示，例如

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255.0网络地址转换NAT概念工作原理网络地址转换是一种网设备将私有地址转换NAT NAT IP络技术，它允许私有网络中的设为公用地址，并在数据包中IP备使用公用地址访问互联网添加或修改源或目标地址IP IP应用场景广泛应用于家庭网络、小型企业和移动设备，以节省公用地址NATIP资源和提高网络安全性路由选择基础数据包的旅程路由器的关键角色路由选择是网络层核心功能，它决定数据包在网络中的传输路径路由器是网络中负责路由选择的设备，它维护着网络拓扑信息，并就像城市里的交通路线，路由器负责根据目标地址选择最优路径，根据算法选择最佳路径，将数据包从一个网络转发到另一个网络将数据包从源节点传送到目的节点静态路由定义特点应用场景静态路由是指由网络管理员手动配置的路配置简单，适合小型网络或网络结构静态路由常用于以下场景•由信息，用于指定数据包的转发路径它较为简单的场景连接两个不同的网络，例如将公司内•不需要任何路由协议，而是直接将网络地安全性高，因为路由信息由管理员手•部网络连接到互联网址与下一跳路由器或接口进行关联动配置，不会受到路由协议的攻击影配置默认路由，将网络中无法匹配其•响他路由信息的流量发送到特定的路由无法自动适应网络拓扑的变化，需要•器或接口人工干预进行更新在网络拓扑结构简单的网络中，例如•家庭网络或小型办公室网络动态路由协议RIP OSPF距离矢量路由协议，基于距离和链路状态路由协议，基于链路状跳数，简单易用，适用于小型网态和最短路径，适用于大型网络，络，但容易产生路由环路更稳定可靠，但配置复杂BGP边界网关协议，用于不同自治系统之间的路由，能够实现复杂路由策略，适用于大型网络，但配置复杂，需要专业技能距离矢量路由协议定义工作原理距离矢量路由协议是一种基于距离的路由协议，它通过交换路由路由器定期将自己的距离矢量表广播给相邻路由器器之间的距离信息来构建路由表当路由器接收到邻居的距离矢量表时，它会更新自己的距离矢量每个路由器都维护一个距离矢量表，其中包含到其他网络的距离表如果邻居提供的距离信息比当前的距离信息更短，则会更新信息每个条目包含目标网络的地址和到该网络的距离相应的条目链路状态路由协议链路状态信息构建链路状态数据库计算最短路径每个路由器都收集它所连接的链路状态每个路由器收到链路状态分组后，都会使用算法等算法，每个路由器Dijkstra信息，包括连接的邻居和到这些邻居的将其更新到自己的链路状态数据库中根据链路状态数据库计算到网络中所有距离这些信息被封装成链路状态分组，这个数据库包含了整个网络中所有链路其他节点的最短路径这些路径信息存并发送到网络中的所有路由器的拓扑信息储在路由表中协议OSPF协议优点应用场景OSPF开放式最短路径优先协议（）是一种快速收敛广泛应用于各种网络环境，包括企业OSPF•OSPF链路状态路由协议，用于在大型网络中实现网络、互联网服务提供商网络和大型数据中支持多路径路由•路由在路由器之间交换链路状态信心网络OSPF安全性高•息，并计算最短路径来转发数据包协议ICMP互联网控制报文协议网络层的重要组成是是网络层的重要组成部分，ICMP InternetControl ICMP的缩写，即它负责在网络设备之间传递控制Message Protocol互联网控制报文协议，是信息，以确保网络正常运行协议族中的一个子协议TCP/IP主要作用主要用于报告错误信息、提供网络诊断信息以及提供网络层服务ICMP差错报告报文ICMP目的地不可达超时目标主机或网络不可达请求超时，例如，目标主机没有响应协议错误数据报中的协议字段错误差错报告报文用于通知发送方数据报传输过程中出现的错误常见的差错ICMP类型包括询问报文ICMP回声请求时间戳请求Echo12Request TimestampRequest用于测试网络连接和测量网络用于获取目标主机的当前时间延迟发送方主机发送一个回戳发送方主机发送一个时间声请求报文，目标主机收到后戳请求报文，目标主机收到后回复一个回声应答报文通过回复一个时间戳应答报文，包测量往返时间，可以评含目标主机的当前时间RTT估网络的性能信息请求Information Request3用于获取目标主机的网络信息，例如地址、地址、硬件类型IP MAC等发送方主机发送一个信息请求报文，目标主机收到后回复一个信息应答报文，包含目标主机的信息数据报格式IPIP数据报是网络层传输数据的基本单位，它封装了上层协议的数据，并在网络中进行传输IP数据报的格式如下•版本号标识IP协议版本，目前常用的版本为IPv4和IPv6•首部长度标识IP数据报首部的长度，以4字节为单位•服务类型指定数据报的服务类型，例如优先级、可靠性等•总长度标识IP数据报的总长度，以字节为单位•标识用于区分不同的IP数据报，在分片时使用•标志用于控制数据报的分片和重组•片偏移标识数据报的片偏移量，用于重组数据报•生存时间（TTL）数据报在网络中可以存活的时间，以跳数计量•协议标识上层协议的类型，例如TCP、UDP等•首部校验和用于检测首部数据是否损坏•源IP地址发送方IP地址•目的IP地址接收方IP地址•选项可选字段，用于提供额外的信息•数据上层协议的数据数据报首部分析IP版本首部长度标识协议版本，目前使用的是标识数据报首部长度，以字节IP IP4和占位为单位占位例如，若首部长IPv4IPv644度为字节，则首部长度字段值20为5服务类型总长度标识数据报的优先级和服务质标识数据报的总长度，包括首IP IP量占位部和数据部分，单位为字节占8位16分片与重组分片1当数据报过大无法通过网络中的某些链路时，需要将数据报进行分片，将数据报分成多个较小的片段IP标识符2每个片段都包含一个标识符，用于标识它们属于同一个原始数据报偏移量3每个片段还包含一个偏移量，用于指示该片段在原始数据报中的位置重组4到达目的主机后，接收方根据标识符和偏移量将这些片段重新组装成完整的数据报转发与路由选择数据报转发路由选择路由器接收到的数据报，需要根据目标地址进行转发，选择路由选择是指确定数据报从源主机到目标主机的最佳路径网络IP IP合适的输出端口转发是网络层的基本功能之一，由路由器完成层主要通过路由协议实现路由选择功能路由协议可以根据网络路由器根据路由表中记录的路由信息，找到最优的路径，并将数拓扑结构和网络流量等因素，动态地计算出最优的路由路径，保据报转发到下一跳路由器证数据报能够高效地传输路由表的维护路由表需要定期更新以反映网络拓扑当新的网络加入时，需要将新的路由结构的变化信息添加到路由表中当网络发生故障或线路中断时，需要删除失效的路由信息路由器工作原理路由器是网络层设备，其核心功能是转发数据包路由器通过路由表来决定数据包的转发路径当路由器收到一个数据包时，它会根据数据包的目的地址和路由表，找到最佳的转发路径，并将数据包转发到下一个节点路由器的工作原理可以概括为以下几个步骤•接收数据包路由器从网络接口接收数据包•解析数据包路由器解析数据包的报头，提取目的地址等信息•查找路由表路由器根据目的地址和路由表，找到最佳的转发路径•转发数据包路由器将数据包转发到下一个节点网关的作用连接桥梁协议转换安全防护网关充当不同网络之间的桥梁，将一个网络当两个网络使用不同的协议时，网关可以将网关可以作为网络的安全屏障，阻止来自外中的数据包转发到另一个网络数据包从一种协议转换为另一种协议部网络的恶意攻击，保护内部网络的安全路由算法最短路径算法负载均衡算法算法和算法例如，轮询算法、随机算法、最小连Dijkstra Bellman-Ford等算法计算网络节点之间的最短路径，接算法等，将网络流量分配到多个路以实现数据的最佳传输路径径，以提高网络的吞吐量和性能层次路由算法将网络划分为不同的层次，每个层次使用不同的路由协议，以提高路由效率和可扩展性最短路径算法算法算法Dijkstra Bellman-Ford12算法是一种贪心算法，算法可以处理Dijkstra Bellman-Ford从起点开始，逐步扩展到所有负权边的情况，它通过反复迭节点，直到找到目标节点的最代更新节点之间的距离，最终短路径找到最短路径算法A*3算法是一种启发式算法，它结合了算法的路径成本和启发式A*Dijkstra信息，能够更快地找到最短路径负载分担路由定义工作原理负载分担路由是一种将网络流量分配到多个路由器或网络节点的负载分担路由器会根据一定的算法，将传入的流量分配到不同的技术，以提高网络性能和可靠性它通过将流量分散到不同的路出口线路这些算法可以基于各种因素，例如流量模式、线路负径，减轻单个节点的负担，从而防止网络瓶颈，并确保网络服务载、网络延迟等常见的算法包括轮询、随机、最少连接、最持续可用短路径等概述IPv6是下一代互联网协议，旨在解决地址空间枯竭的问题采用IPv6IPv4IPv6位地址，提供了巨大的地址空间，足以满足未来数十年的互联网发展需求128还引入了新的特性，例如简化地址配置、增强安全性、提高网络效率等等IPv6地址格式IPv6位十六进制表示128地址由位构成，分为每个位组用十六进制数字表示，IPv6128816个位组，每个组用冒号分隔，并用冒号分隔例如16例如2001:0db8:85a3:0000:0002001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:73340:8a2e:0370:7334压缩格式全球唯一性为了简化表示，可以省略连续的每个地址在全球范围内都是IPv6零组，并用双冒号代替例如唯一的，确保网络设备能够识别和访问彼此2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334地址类型IPv6单播地址多播地址任播地址用于唯一标识网络中的一个特定设备，与用于同时发送数据到多个设备，与的用于将数据发送到一组设备中的最近一个设IPv4的单播地址类似多播地址类似备，中没有任播地址概念IPv4IPv4与的区别IPv4地址空间速度地址空间更大，可以支持远超的数据报首部结构更简洁，传输IPv6IPv6的数量的设备，为未来物联网等效率更高，能够提升网络通信的速度IPv4需求提供充足的地址资源安全性移动性提供更强大的安全机制，例如身提供更灵活的移动性管理，方便IPv6IPv6份验证和加密，可以更好地保护网络移动设备在不同网络之间切换，更适数据的安全合移动互联网发展趋势数据报首部IPv6版本源地址表示版本，值为占位，表示数据报的源地址IPv66128优先级目标地址占位，表示数据报的优先级占位，表示数据报的目标地址8128流标签占位，用于区分不同流的报文20有效载荷长度占位，表示数据报的有效载荷长度16下一层协议占位，表示数据报的下一层协议类型，例如8TCP或UDP跳数限制占位，表示数据报在网络中最多可以经过的路由8器数量扩展首部IPv6扩展首部类型的扩展首部用于提供额外的扩展首部主要分为以下几类IPv6IPv6功能和信息，它们并非所有情况路由、分片、安全、选项等这下都存在，而是根据需要添加些扩展首部允许根据不同的应用例如，选项扩展首部，场景进行灵活配置和使用Hop--Hop可以用来定义路由器在转发数据报时的行为目的扩展首部主要用于提供更灵活的路由功能、更强大的安全机制、更有IPv6效的流量控制和更广泛的应用支持，从而适应网络环境的不断发展路由IPv6地址聚合无状态路由路由器利用地址聚合来简支持无状态路由，这意味IPv6IPv6化路由表，提高路由效率由于着路由器不需要维护路由状态信地址空间巨大，传统的路息，简化了路由器配置和管理IPv6由表维护方式会造成巨大的存储无状态路由通过使用路由前缀和压力地址聚合通过将多个连续下一跳地址来完成路由选择，无的地址范围合并成一个更小的地需记录路由路径或流量信息址范围来减少路由表的规模扩展路由协议使用扩展的路由协议来支持更大的网络规模和更复杂的拓扑结构IPv6和是两种常见的路由协议，它们提供了更灵活的路OSPFv3RIPng IPv6由策略和更高的效率的优势IPv6更大的地址空间更强的安全性更便捷的网络管理更高的网络性能拥有比大得多的地址提供了更强大的安全机制，的地址分配和管理更加灵支持更快的网络速度，可IPv6IPv4IPv6IPv6IPv6空间，可以满足未来不断增长例如，可以有效地保护网活，可以简化网络管理，提高以提升网络性能，满足未来对IPsec的互联网设备数量需求，不再络通信的安全，防止攻击和数网络效率高带宽和低延迟的需求需要担心地址枯竭问题据泄露向过渡IPv4IPv6双栈1设备同时支持和协议，用户可以在同一网络中使用两种协IPv4IPv6议进行通信这是目前最常见的过渡方法，因为它提供最大的兼容性和灵活性隧道2将数据包封装在数据包中，然后通过网络传输这种IPv6IPv4IPv4方法可以将流量引入到现有的网络中，但会增加网络延迟IPv6IPv4和复杂性翻译3将地址转换为地址，以便在网络中传输这种方法通IPv6IPv4IPv4常用于连接到网络的设备，例如通过进行通信IPv4IPv6NAT实验操作指南步骤一步骤二12设置网络环境，包括安装必要根据实验目标，配置网络层协的软件和配置网络设备建议议，例如地址、子网掩码、IP使用虚拟机或模拟器来模拟网路由表等参考课件中的示例络环境，便于操作和学习和解释进行操作步骤三步骤四34进行实验测试，观察网络连接分析实验结果，总结网络层协和数据传输情况使用命议的工作原理和应用场景记ping令、命令等工具检录实验过程和结果，方便后续traceroute测网络连通性和数据路径复习和总结课程总结回顾重点实践练习回顾课程内容，理解网络层在计算机通过实验操作，巩固理论知识，熟悉网络中的关键作用，以及协议、路网络层协议的应用和配置IP由选择等重要概念拓展阅读参考相关书籍和网络资源，深入学习网络层技术，并探索最新发展趋势。