计算机网络分片实验

1. 计算机网络（三）——网络层

网络层的 目的 是实现在任意结点间进行数据报传输，它的目的与链路层、物理层不是一样的吗？但是通过它数据可以在更大的网络中传输。

为了能使数据更好地在更大的网络中传输，网络层主要实现三个功能： 异构网络互联 、 路由与转发 和 拥塞控制 。

我们知道，在物理层、链路层，可以使用不同的传输介质和拓扑结构将几台、十几台主机连接在一起形成一个小型的局域网，把这些组成结构不完全相同的局域网称为异构网，因此将它们连接扩大成更大的网络，需要一个类似转接头的设备——路由器，路由器不仅仅可以连接异构网，还能隔离冲突域和广播域，依照IP地址转发。

下图对集线器、网桥、交换机和路由器能否隔离冲突域和广播域进行比较：

路由器作为连接多个网络的结点，不仅需要完成对数据的分组转发，还要选择传输路径，因此路由器主要由 路由选择 和 分组转发 组成。

网络层最重要的功能是 路由与转发 功能。路由也就是选择一条合适的路，转发则是在这条路上遵守协议。这有点像从某个多个国家的交界城市自驾，选其中一条路，那么就遵守这个国家的交通协议。

数据通过一个又一个路由器到达目的地址，路由器怎么知道数据应该从哪个端口出发才能到达目的地呢？这就需要构造路由表。
路由表有两种构造方式： 静态 和 动态 。

一个个小网络可以构成一个区域，足够多的区域互连成一个网络，多个网络又形成巨大的互联网。要想让数据高效在网络中传输，采用“分而治之”的理念。
将互联网分为许多较小的自治系统，系统有权决定自己内部采用什么路由协议，这便是层次路由。通过层次路由便可以采用灵活的协议传输数据。数据在自治系统内传输采用 内部网关协议 而自治系统之间则采用 外部网关协议 。

内部网关协议有两种协议： 路由信息协议（RIP） 和 开放最短路径优先协议（OSPF）

外部网关协议则是边界网关协议（BGP）。内部网关协议服务某个自治系统，范围较小，所以尽可能有效地从源站送到目的站，也就是找到一条最佳路径。而外部网关协议需要面对更大的网络范围和网络环境，因此更关注的找到比较好的路径，也就是不能兜圈子。

BGP工作原理：

将三种路由协议进行比较：

构建大规模、异构网络的互联网除了硬件的支持外，还需要建立协议以实现数据报传输服务——IP协议。
目前IP协议有两个版本：IPv4和IPv6。

现在主流的IP协议版本还是IPv4。

IP数据报主要由首部和数据部分组成，由TCP报文段封装到数据部分，再在前端加上一些描述信息的首部，其格式如下图：

IP协议使用分组转发，当报文过大时需要分片。分片的思路如下：

如果把IP数据报看作是信，那么首部中的源地址与目的地址则分别是发信地址和邮件地址。为了方便路由计算这些地址，并且使IP地址足够使用，因此将IP地址进行分类。

IP地址的格式 ： {<网络号>,<主机号>}，网络号标志主机所连接的网络，主机号标志该主机，每个IP地址都是唯一的。

IP地址分类 如下：

通过分类，可以计算每个网络中最大的主机数：

网络地址转换（NAT）是一种转换机制，将专用网络地址转换为公用地址，目的是为了对外隐藏内部管理的IP地址，这样不仅可以保证网络安全，还可以解决IP地址不足问题。
当路由器接收到的目的地址是私有地址则一律不进行转发，而如果是公用地址，则是用NAT转换表将源IP及端口号映射成全球IP号，然后从WAN端口发送到因特网上。

IP地址有A、B、C类网络号，如果把A类网络号分给一个广播域，那么这个广播域可以接入16,777,212台主机，然而一个广播域不可能融入这么多台主机，因为这样会导致广播域过饱和而瘫痪，而只给其分配一定数量的网络号，则会浪费大量的IP地址。因此在IP地址中增加一个“子网号字段”，将IP地址划分为三级，即IP地址={<网络号>,<子网号>,<主机号>}，也就是从主机号中借用几个比特号作为子网号，这个子网号是对内划分的，对外仍旧表现为二级IP地址。

主机或路由器如何判断一个网络是否进行子网划分了呢？——利用子网掩码。

CIDR是 无分类 域间路由器选择，目的是消除A、B、C类网络划分，这样可以大幅度提高IP地址空间利用率。相比较子网掩码划分，它更加灵活。

上图中，如果R1收到前缀为206.1的IP地址，它只需要转发给R2，具体发往网络1还是网络2，则由R2计算得出。

通过IP地址，可以将数据从某个网络传输到目的网络，但是把信息发送给哪台主机呢？由于路由器的隔离，IP网路没办法使用广播方式查找MAC地址，只有通过链路层的MAC地址以广播方式寻址。
因此，IP协议还包括三个协议—— ARP、DHCP和ICMP ，共同配合完成数据转发。

IPv6是解决IP地址耗尽的根本手段。它与IPv4的报文形式差别如下图：

IPv6与IPv4地址通信示意图：

在通信过程中，如果分组过量而导致网路性能下降，会产生拥塞。

拥塞的控制方式：

2. 计算机网络(四)网络层

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

链路层数据帧可封装数据的上限称为最大传送单元MTU

标识：同一数据报的分片使用同一标识。

中间位DF（Don’t Fragment）：

最低位MF（More Fragment）：

片偏移：指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。以8B为单位。除了最后一个分片，每个分片长度一定是8B的整数倍。

IP地址：全世界唯一的32位/4字节标识符，标识路由器主机的接口。IP地址::={<网络号>,<主机号>}

有一些IP地址是不能用的，有其特殊的作用，如：

网络地址转换NAT（Network Address Translation）：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

此外，为了网络安全，划分出了部分IP地址和私有IP地址，私有IP地址网段如下：

路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发。

分类的IP地址的弱点：

某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分。

路由器转发分组的算法：

无分类域间路由选择CIDR：

CIDR记法：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数。e.g. 128.14.32.0/20

CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。

使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果（跟网络掩码按位相与），应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。方法：将网络前缀缩短（所有网络地址取交集）。

由于在实际网络的链路上传送数据帧时，最终必须使用MAC地址。

ARP协议：完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射。

ARP协议使用过程：

ARP协议4种典型情况：

动态主机配置协议DHCP是 应用层 协议，使用 客户/服务器 方式，客户端和服务端通过 广播 方式进行交互，基于 UDP 。

DHCP提供即插即用联网的机制，主机可以从服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器名称与IP地址，允许地址重用，支持移动用户加入网络，支持在用地址续租。

DHCP工作流程如下：

ICMP协议支持主机或路由器：包括差错（或异常）报告和网络探询，分部发送特定ICMP报文

ICMP差错报告报文（5种）：

不应发送ICMP差错报文的情况：

ICMP询问报文:

ICMP的应用：

32位IPv4地址空间已分配殆尽，这时，可以采用更大地址空间的新版本的IPv6，从根本上解决地址耗尽问题

IPv6数据报格式如下图

IPv6的主要特点如下：

IPv6地址表示形式：

零压缩：一连串连续的0可以被一对冒号取代。双冒号表示法在一个地址中仅可出现一次。

IPv6基本地址类型：

IPv6向IPv4过渡的策略：

R1的路由表/转发表如下：

最佳路由：“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。

路由算法可分为

由于因特网规模很大且许多单位不想让外界知道自己的路由选择协议，但还想连入因特网，可以采用自治系统来解决

自治系统AS：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由协议以确定在AS之间的路由。

一个AS内的所有网络都属于一个行政单位来管辖，一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须连通。

路由选择协议

RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的协议标准，最大优点是简单。

RIP协议要求网络中每一个路由器都维护从它自己到其他每一个目的网络的唯一最佳距离 [1] 记录（即一组距离）。 RIP协议只适用于小互联网。

RIP是应用层协议，使用 UDP 传送数据。一个RIP报文最多可包括25个路由，如超过，必须再用一个RIP报文传送。

RIP协议的交换

路由器刚开始工作时，只知道直接连接的网络的距离（距离为1），接着每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。

经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道到达本自治系统任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址，即“收敛”。

RIP的特点：当网络出现故障时，要经过比较长的时间(例如数分钟) 才能将此信息传送到所有的路由器，“慢收敛”。

对地址为X的相邻路由器发来的RIP报文，修改此报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址改为X，并把所有的“距离”字段+1。

开放最短路径优先OSPF协议：“开放”标明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的；“最短路径优先”是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF。OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议。 OSPF直接用IP数据报传送。

OSPF的特点：

为了使OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。每一个区域都有一个32 位的区域标识符（用点分十进制表示）。区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过200 个。

BGP 所交换的网络可达性的信息就是要到达某个网络所要经过的一系列AS。当BGP 发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP 发言人就根据所采用的策略从收到的路由信息中找出到达各AS 的较好路由。

一个BGP 发言人与其他自治系统中的BGP 发言人要交换路由信息，就要先建立TCP 连接，即通过TCP传送，然后在此连接上交换BGP 报文以建立BGP 会话(session)，利用BGP 会话交换路由信息。 BGP是应用层协议，借助TCP传送。

BGP协议特点:

BGP-4的四种报文

组播提高了数据传送效率。减少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理网络，也可以来自不同的物理网络（如果有组播路由器的支持）。

IP组播地址让源设备能够将分组发送给一组设备。属于多播组的设备将被分配一个组播组IP地址（一群共同需求主机的相同标识）。

组播地址范围为224.0.0.0～239.255.255.255（D类地址），一个D类地址表示一个组播组。只能用作分组的目标地址。源地址总是为单播地址。

同单播地址一样，组播IP地址也需要相应的组播MAC地址在本地网络中实际传送帧。组播MAC地址以十六进制值01-00-5E打头，余下的6个十六进制位是根据IP组播组地址的最后23位转换得到的。

TCP/IP 协议使用的以太网多播地址的范围是:从01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF .

收到多播数据报的主机，还要在IP 层利用软件进行过滤，把不是本主机要接收的数据报丢弃。

ICMP和IGMP都使用IP数据报传递报文。组播路由器知道的成员关系只是所连接的局域网中有无组播组的成员。

IGMP工作的两个阶段：

只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的；如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。

组播路由协议目的是找出以源主机为根节点的组播转发树。构造树可以避免在路由器之间兜圈子。对不同的多播组对应于不同的多播转发树；同一个多播组，对不同的源点也会有不同的多播转发树。

组播路由选择协议常使用的三种算法：

移动IP技术是移动结点(计算机/服务器等)以 固定的网络IP地址 ，实现跨越不同网段的 漫游 功能，并保证了基于网络IP的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。

若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。 路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。

路由器(网络层)可以互联两个不同网络层协议的网段。
网桥(链路层)可以互联两个物理层和链路层不同的网段。
集线器(物理层)不能互联两个物理层不同的网段。

路由表根据路由选择算法得出的，主要用途是路由选择，总用软件来实现。

转发表由路由表得来，可以用软件实现，也可以用特殊的硬件来实现。转发表必须包含完成转发功能所必需的信息，在转发表的每一行必须包含从要到达的目的网络到输出端口和某些MAC地址信息的映射。

3. 计算机网络实验的实验报告 包括实验2Mac帧、IP包格式分析试验 3交换机 VLAN 划分实验4路由器静态路由配置

交换机VLAN的划分
一.实验目的

通过本次实验，掌握交换机VLAN的配置方法，理解VLAN的作用。（以D-LINK交换机DES-3526为例）

二. 实验环境

1.软硬件要求

·DES-3526一台

·PC机两台

·RS-232 线一条

·双绞线若干

2. 环境示意图，如图9-16所示：

图9-15

三.实验步骤

(1).把交换机的控制口和PC的串口相连，通过超级终端进入交换机的配置界面，如图9-16所示：

图9-16

这时，输入用户名和密码，如果没有用户名和密码，则按两下回车，进入可配置模式,如图9-17所示：

图9-17

在此模式下，我们可以对交换机进行各种配置，由于是命令行模式，需要掌握一些常用命令，输入“？”，敲回车键，能看到交换机所有的命令, 如图9-18所示

图9-18

2）通过以下命令创建VLAN10和VLAN20,如图9-19所示

图9-19

3）配置完成后，可以用show vlan命令查看配置情况，如图9-20所示：

图9-20

4）把两台PC分别连到VLAN10和VLAN20，用Ping命令进行连通性测试，两台PC不能通讯。

5）把两台PC连到同一VLAN中，用Ping命令进行连通性测试，两台PC能通讯。

六、实验完毕

4. 什么是IP分片技术

在计算机网络中IP分片的情况发生在IP层，不仅源端主机会进行分片，中间的路由器也有可能分片，因为不同的网络的MTU是不一样的，如果传输路径上的某个网络的MTU比源端网络的MTU要小，路由器就可能对IP数据报再次进行分片。而分片数据的重组只会发生在目的端的IP层。

1. 在网络中IP首部有4个字节是用于分片的，如下图所示。前16位是IP数据报的标识，同一个数据报的各个分片的标识是一样的，目的端会根据这个标识来判断IP分片是否属于同一个IP数据报。中间3位是标志位，其中有1位用来表示是否有更多的分片，如果是最后一个分片，该标志位为0，否则为1。后面13位表示分片在原始数据的偏移，这里的原始数据是IP层收到的传输的TCP或UDP数据，不包含IP首部。

   
   

   

2. 避免IP分片在网络编程中，我们要避免出现IP分片，那么为什么要避免呢？原因是IP层是没有超时重传机制的，如果IP层对一个数据包进行了分片，只要有一个分片丢失了，只能依赖于传输层进行重传，结果是所有的分片都要重传一遍，这个代价有点大。由此可见，IP分片会大大降低传输层传送数据的成功率，所以我们要避免IP分片。对于UDP包，我们需要在应用层去限制每个包的大小，一般不要超过1472字节，即以太网MTU（1500）—UDP首部（8）—IP首部（20）。对于TCP数据，应用层就不需要考虑这个问题了，因为传输层已经帮我们做了。在建立连接的三次握手的过程中，连接双方会相互通告MSS（Maximum Segment Size，最大报文段长度），MSS一般是MTU—IP首部（20）—TCP首部（20），每次发送的TCP数据都不会超过双方MSS的最小值，所以就保证了IP数据报不会超过MTU，避免了IP分片。

5. 璁＄畻链虹绣缁 鍒掑垎瀛愮绣镄勫疄楠

瀛愮绣1锛氲兘锷ㄧ郴 60鍙 2^6-2=62>60 淇濈暀6浣崭富链轰綅 璇ヤ富缃戠殑缃戠粶鍙峰彲涓猴细192.168.1.128 骞挎挱鍦板潃锛192.168.1.191 链夋晥涓绘満锣冨洿锛192.168.1.129~192.168.1.190
瀛愮绣2锛25鍙 缃戠粶鍙凤细192.168.1.0 骞挎挱鍦板潃锛192.168.1.31 链夋晥涓绘満锣冨洿锛192.168.1.1~192.168.1.30
瀛愮绣3锛25鍙 缃戠粶鍙凤细192.168.1.32 骞挎挱鍦板潃锛192.168.1.63 链夋晥涓绘満锣冨洿锛192.168.1.33~192.168.1.62
瀛愮绣4锛25鍙 缃戠粶鍙凤细192.168.1.64 骞挎挱鍦板潃锛192.168.1.95 链夋晥涓绘満锣冨洿锛192.168.1.65~192.168.1.94
瀛愮绣5锛19鍙 缃戠粶鍙凤细192.168.1. 96 骞挎挱鍦板潃锛192.168.1.127 链夋晥涓绘満锣冨洿锛 192.168.1.97~192.168.1.126

瑙ｇ瓟镄勬柟娉曟湁濂藉氱嶏纴浠ヤ笂鏂规硶浠呬緵鍙傝冿紒