计算机网络学习之网络层

一、网络层功能概述

1.网络层的基本功能

网络层主要向运输层提供透明的端到端分组传输服务。

2.网络层提供的服务

（1）可靠的面向连接服务

基本概念：在数据传输之前双方需要为此建立连接，然后在该连接上实现有次序的分组传输，直到数据传送完毕才释放连接。
实现方式：虚电路，包括虚电路建立、数据传输和虚电路拆除。
基本特点：

• 分组无需完整的源目地址，只需虚电路标识;
• 使用虚电路连接表而非路由表，无需路由；
• 传输无乱序、重复或丢失，但经过故障点的虚电路会失败。

（2）不可靠的无连接服务

基本概念：数据传输前无需建立连接，只提供简单的源和目标之间的数据发送与接收功能。
实现方式：数据报。
基本特点：

• 分组需提供完整的源目地址；
• 每个分组均使用路由表选择独立的传输路径；
• 传输可能出现乱序、重复或丢失，失败的分组会被丢弃。

3.TCP/IP网络层

二、IP协议

1.作用与特点

基本地位：IP协议是TCP/IP网络层的核心协议。
基本作用：
（1）提供不可靠的、无连接的数据报传输服务

• 无连接：传输分组前无需建立连接，每个分组依据路由表独立选择传输路径。
• 不可靠: 不提供差错控制和确认机制，可能出现乱序、丢失和错误。

（2）支持异构网络互联

• IP分组：屏蔽了异构网络在下两层的差异；
• IP地址：实现了跨LAN/MAN/WAN的寻址功能。
  基本版本：IPv4和IPv6

2.IP地址

IPv4规定IP地址由32位二进制组成，可提供约43亿个IP地址。

（1）A类地址

A类地址的第1个字节为网络地址，且第1个字节的最高位固定为“0”，而其它3个字节为主机地址：
最大网络数：27-2=126
每个网络最大主机数：224-2=16 777 214
适用范围：有大量主机的大型网络

（2）B类地址

B类地址的第1个字节和第2个字节为网络地址，且第1个字节的前两位固定为“10”，而其它2个字节为主机地址：
最大网络数：214=16384
每个网络最大主机数：216-2=65534
适用范围：中等主机规模的企业或组织

（3）C类地址

C类地址的第1～第3个字节为网络地址，且第1个字节的前三位固定为“110”，而第4个字节为主机地址，如下所示：
最大网络数：221=2 097 152
每个网络最大主机数：28-2=254
适用范围：有少量主机的小公司或组织

（4）D类地址

D类地址不区分网络地址和主机地址，主要用于组播，其第1个字节的前四位固定为“1110”：

（5）E类地址

E类地址不区分网络地址和主机地址，保留为试验用途，其第1个字节的前四位固定为“1111” ：

3.子网划分

子网划分的步骤:
① 确定要划分的子网数目以及每个子网的主机数目。
② 求出子网数目对应二进制数的位数N及主机数目对应二进制数的位数M。
③ 对该IP地址的原子网掩码，将其主机地址部分的前N位置1(其余全置0)或后M位置0(其余全置1)即得出该IP地址划分子网后的子网掩码。

C类网络子网划分

4.子网掩码

例：
主网络地址段为“192.168.1.0/24”：
1号教室拥有主机23台；
2号教室拥有主机16台；
3号教室拥有主机50台；
4号教室拥有主机7台；
5号教室拥有主机5台。
要求：每个教室一个网段，如何划分？
主网络地址段为“192.168.1.0/24”：
3号教室拥有主机50台：主机位6位，容量62；
1号教室拥有主机23台：主机位5位，容量30；
2号教室拥有主机16台：主机位5位，容量30；
4号教室拥有主机 7台：主机位4位，容量14；
5号教室拥有主机 5台：主机位3位，容量6。

三、ARP和RARP

1.ARP

ARP（地址解析协议），属于网络层，是获取指定“IP地址”主机的“MAC地址”的一个TCP/IP协议，主要用于解决数据链路层MAC地址封装的需要。
ARP将三层的IP地址与二层的MAC地址关联起来；
ARP协议是一个局域网协议，其数据不能路由；
主机和路由器均需要运行ARP协议来完成数据帧的封装。

2.RARP

RARP（逆向地址解析协议）用于解决从MAC地址到IP地址的映射问题，如：无盘工作站在启动时使用RARP协议向服务器请求给自己分配的IP地址。

四、Internet控制消息协议

ICMP协议主要用于了解网络的运行状态，如路由是否可达、网络是否通畅等，是对无连接的IP传输服务的一种补充。
ICMP协议的常见应用：
Ping：ICMP回声请求/回声应答
Traceroute：
UDP协议：以不同的TTL值向目标端发送的UDP报文；
ICMP协议：携带路由节点信息的ICMP差错报告报文。

五、路由与路由协议

1.路由协议（按照算法分类）

2.路由协议（按照范围分类）

3.路由协议（按IP地址类型）

六、路由器在网络互联中的作用

1.实现异构网络互联
2.实现网络逻辑划分
3.实现VLAN间的通信
4.访问控制
5.负载均衡
6.拥塞控制

七、IPv6地址

1.表示方法

IPv6地址采用“冒分十六进制”表示法，即将128位地址分为8组：16位二进制1组，每组4个十六进制数，每组之间用“:”分割，如下所示：
1234:5678:21A4:231B:C342:432D:ABCD:12BC

2.IPv6简化表示法

（1）如果IPv6地址中有连续的“0”，可以用“::”表示，称为“0位压缩法”，但一个IPv6地址中只能使用一个压缩表示的“0”，如：
1234:0000:0000:0000:0000:0000:0000:12BC/96
简写为：1234::12BC/96
（2）IPv6中每组开头的“0”可以省略，但每组中间的“0”不能省略，如：
0004:0678:2004::/96
简写为：4:678:2004::/96
（3）IPv4兼容地址
用于IPv4→iPv6的过渡，即为一个具有IPv4地址的IPv4节点生成一个IPv6地址，将其当作IPv6节点：

3.地址类型