计算机网络知识点总结（第四章 网络层）

基于计算机网络（第7版）谢希仁编著。

第四章 网络层

网络层提供两种服务：

• 面向连接的虚电路服务。特点：保证服务质量，可靠
• 无连接的数据报服务。特点：“尽最大努力交付”，不保证质量

互联网采用的设计思路：

• 网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

虚电路服务与数据报服务的对比：

网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一，也是最重要的互联网标准协议之一。

TCP/IP体系中的网络层常常被称为网际层或IP层。

五种不同的中间设备：

• 物理层：转发器
• 数据链路层：网桥/桥接器
• 网络层：路由器
• 网桥和路由器的混合物：桥路器
• 网络层以上：网关

IP地址

A、B、C类IP地址都由两个固定长度的字段组成，第一个字段是网络号，第二个字段是主机号。一个IP地址在整个互联网范围内是唯一的。
$$IP地址::=\{<网络号>,<主机号>\}$$

A类、B类和C类地址都是单播地址（一对一通信），是最常用的。

• A类地址：1.0.0.0—126.0.0.0
  ① 10.X.X.X是私有地址（所谓的私有地址就是在互联网上不使用，而被用在局域网络中的地址）。
  范围（10.0.0.0—10.255.255.255）
  ② 127.X.X.X是保留地址，用做循环测试。

• B类地址：128.0.0.0—191.255.0.0
  ① 172.16.0.0—172.31.255.255是私有地址
  ② 169.254.X.X是保留地址。如果你的IP地址是自动获取IP地址，而你在网络上又没有找到可用的DHCP服务器。就会得到其中一个IP。
  191.255.255.255是广播地址，不能分配。

• C类地址：192.0.0.0—223.255.255.0
  192.168.X.X是私有地址。（192.168.0.0—192.168.255.255)

• D类地址：224.0.0.0—239.255.255.255
  多播地址

• E类地址：240.0.0.0—255.255.255.254
  保留为今后使用

重要特点：

• 路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组
• 路由器对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发
• IP地址是标志一台主机（或路由器）和一条链路的接口
• 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络
• 所有分配到网络号的网络都是平等的
• 一个路由器至少应连接两个网络。路由器总是具有两个或两个以上的IP地址，即路由器的每一个接口都有一个不同网络号的IP地址。
• 在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的

IP地址是一种逻辑地址

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地址解析协议ARP：

• 功能：地址间的转换
• 要点：在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用该网络的硬件地址。
  ①主机ARP高速缓存中存放一个从IP地址到硬件地址的映射表
  ②当主机A要向本局域网上的某台主机B发送IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址
  ③如有，查出其对应的硬件地址
  ④没有，自动运行ARP，找出主机B的硬件地址

IP数据报的格式：

首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。
最大传输单元MTU 1500字节

在路由表中，对每一条路由最主要的是以下两个信息：
（目的网络地址，下一跳地址）

划分子网：

IP地址中增加一个“子网号字段”，使两级IP地址变成三级IP地址。划分子网已成为互联网的正式标准协议。

• 从网络的主机号借用若干位作为子网号，主机号也就相应减少了同样的位数。
  $$IP地址::=\{<网络号>,<子网号>,<主机号>\}$$

子网掩码：

• 子网掩码1的位置为网络号和子网号，0的位置为主机号。
• 把子网掩码和收到的数据报的目的IP地址逐位相“与”（有0为0），得出所要找的子网的网络地址。
• 不管网络有没有划分子网，只要把子网掩码和IP地址进行逐位的“与”运算，就立即得出网络地址来。

★使用子网时分组的转发：

使用子网划分后，路由表包含：目的网络地址、子网掩码和下一跳地址。
分组转发算法：
（1）从收到的数据报的首部提取目的IP地址D。
（2）对路由器直接相连的网络逐个进行检查：用各网络的子网掩码和D逐位相“与”，看结果是否和相应的网络地址区配。若区配，把分组直接交付，转发任务结束；否则就是间接交付，执行（3）
（3）若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行（4）
（4）对路由表中的每一行，用其中的子网掩码和D逐位相“与”，其结果为N。若N与该行目的网络地址区配，则把数据报传送给该行指明的下一跳路由器；否则执行（5）
（5）若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则执行（6）
（6）报告转发分组出错

无分类编址CIDR（构成超网）：

CIDR使IP地址从三级编址又回到了两级编址：
$$IP地址::=\{<网络前缀>,<主机号>\}$$
CIDR使用“斜线记法”，或称CIDR记法，即在IP地址后面加上斜线“/”，然后写上网络前缀所占的位数。
它还使用32位的地址掩码。1的个数就是网络前缀的长度，斜线后的数字就是1的个数。

例：128.14.35.7/20=10000000 00001110 00100011 00000111
其地址掩码：11111111 11111111 11110000 00000000

每一个CIDR地址块中的地址数一定是2的整数次幂。前缀长度不超过23bit的CIDR地址块都包含了多个C类网络，这些C类网络合起来就构成了超网。

最长前缀区配：

• 从区配结果中选择具有最长网络前缀的路由。（最精确）

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网际控制报文协议ICMP

PING，用来测试两台主机间的连通性

外部网关协议 BGP

内部网关协议RIP：

   基于距离向量的路由选择协议

距离向量算法:

• 对地址为X相邻路由器发送来的RIP报文。把“下一跳”地址都改为X，把所有的“距离”字段值加1
• 若原来的路由表中没有目的网络N，则把该项目添加到路由表中
• 否则，若下一跳路由器地址是X，用收到的项目替换原有的项目
• 否则，若收到的项目中距离d小于原有距离，更新
• 否则什么也不做
• 若3分钟还没收到相邻路由表的更新路由表，则把此相邻路由器记为不可达路由器，即把距离置为16（距离16表示不可达）

优点：

• 实现简单，开销小

缺点：

• 当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器（坏消息传播的慢）
• 限制了网络的规模。随着网络规模的扩大，开销也就增加。

适用于中小型网络。

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路由器的作用：

• 用于不同网络（子网）之间的转发访问，选路，优化

转发数据时使用的地址：

• 目的主机的IP地址

IPv6中，每个地址占128位，使用冒号十六进制记法。

网际组管理协议IGMP

隧道技术：适用于多播组的位置地理上很分散的情况

虚拟专用网VPN

网络地址转换NAT

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例题：

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