【计网学习笔记】4.网络层

1.IP提供的是不可靠服务

2.一些基本概念辨析（来自王道书和自己的总结）：

报文：广义上指计算机网络体系结构中各对等层次之间传送的数据单位，在这一点上报文与PDU所指相同；狭义上专指应用层的PDU，比如一个pdf文件就是一个报文

报文段：运输层（传输层）的PDU

PDU、SDU和PCI：在计算机网络体系结构的各个层次中，每个报文都分为两个部分：一是数据部分，即SDU；二是控制信息部分，即PCI，它们共同组成PDU

服务数据单元（SDU）：为完成用户所要求的功能而应该传送的数据。第n层的服务数据单元记为n-SDU

协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息。第n层的协议控制信息记为n-PCI

协议数据单元（PDU）：对等层次之间传送的数据单位称为该层的PDU。第n层的协议数据单元记为n-PDU。在实际的网络中，每层的协议数据单元都有一个通俗的名称，如物理层的PDU称为比特，数据链路层的PDU称为帧，网络层的PDU称为分组，传输层的PDU成为报文段

分组也叫“包”，分组丢失俗称“丢包”

数据报和数据报分组：数据报有两种解读：1.表示分组交换的一种具体方式；2.表示网络层的PDU，这时数据报等价于数据报分组

3.两级IP地址（没有子网的概念）和三级IP地址（有子网的概念）都有子网掩码。子网掩码的作用是：准确的知道IP地址到底后几位才代表主机号

IP地址和子网掩码进行完与运算以后得到的是网络号，但这里的网络号是包括了子网号的（是由该单位自由分配且灵活的），而非广义上的A，B，C三类固定长度的因特网网络号

4.在224.0.0.0～239.255.255.255范围内的地址称为D类IP组播地址。其中，224.0.0.0～224.0.0.255为预留的组播地址(永久组地址)，地址224.0.0.0保留不做分配，其他地址供路由协议使用。224.0.1.0～238.255.255.255为用户可用的组播地址(临时组地址)，全网范围内有效。239.0.0.0～239.255.255.255为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效。

5.一般不使用的特殊IP地址

6.IPv4数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算首部检验和，因为某些字段（生存时间、标志、片偏移等）的取值可能发生变化。在IPv6中，路由器不再重新计算首部检验和

7.牢记NAT协议中的私有IP地址网段：

A类：1个A类网段，即10.0.0.0~10.255.255.255

B类；16个B类网段，即172.16.0.0~172.31.255.255

C类：256个C类网段，即192.168.0.0~192.168.255.255

8.IP缺乏差错控制机制、主机和网络管理查询机制

9.在数据报分片中，牢记以下几点：1.对于链路层的帧来说，数据部分包括IP头部。2.分片时除了最后一片以外其他每一片的长度都应该是8B的整数倍，这样做是为了能1:8表示片偏移，注意这里算8B的时候和首部没有任何关系，直接对着数据部分分就OK了。3.片偏移的数值要在原位置序号的基础上除以8。4.MF=0不能确定是独立的数据报，还是分片得来的，只有当MF=0且片段偏移字段>0时，才能确定是分片的最后一个分片

10.CIDR分址流程：以各子网要求最大主机台数为导向一个一个分。分配原则是：每个子块的起点位置不能随意选取，只能选取块大小为整数倍的地址作为起点，建议先给大的子块分配，注意这里的块大小包括本地网络号和广播地址，需要加2计算，如果使用王道书p180第10题的思考方法则暗含了整数倍这一约束，不需要再做特别考虑

11.CIDR选择路由的流程：

（1）查网络前缀表，找匹配，若找到匹配，则选择最长前缀的一跳发送。注意这里的“匹配”指的是目标地址和前缀表对应项的子网掩码诸位相与后的结果与该条对应的网络号部分完全相同，不能有任何一位不一样

（2）未找到匹配时，如果有默认路由则发往默认路由

（3）如果没有默认路由则丢弃该分组，并向源主机报告错误

注： a.常说的最长前缀原则一定是在“匹配”的前提下讨论的，即如果一个不匹配的条目即使对应上的前缀更长，那也不能代替匹配的条目

        b.在（1）中其实还可以细分为三个步骤：先查找直接交付网络，再查找特定主机路由，最后查找间接网络

12.   路由器的：

        特定主机路由：x.x.x.x/32

        默认路由：0.0.0.0/0

13.地址块指网络号

14.“下一跳”专指的路由器，如果是直接交付网络的话，路由表中所有含“下一跳”的表项都为无。在做题时，若给出下一跳路由器的ip地址，则路由表“下一跳”项填该ip地址，若没有给出则填该路由表名称（如R1）

15.IPv4首部标志位的中间位DF=0的时候表示不可分片，但这个“不可分片”指的仅仅是该分组无法继续细分，但不一定意味着该分组就不是已经分好的片。也就是说每一片的DF可能都不相同，DF仅表示本片不可继续再分，而不能说明自己是否就是被分过的片

16.IP数据报和链路层MTU结合考察题型的方法：分片。具体流程如下：

（1）先考虑DF位是否为0，只有为0才能分片，否则用ICMP报错

（2）先严格按照MTU的要求分，分完如果不是8的整数倍，做微调

（3）如果给出具体的帧协议（如802.3帧，以太网v2帧，802.1Q帧，802.11帧等）再检查有没有低于最低限度，如果低于最低限度还是需要微调一下。各协议所要求的数据部分的大小范围如下：

802.3帧&以太网v2帧&802.1Q帧：46B~1500B

802.11帧：0~2312B

17.默认网关设置错误意味着可能无法正常访问外网，但是内网还是可以正常访问的

18.交换机的ARP和自学习，两者有类似的地方，但也有区别

（1）ARP指的是地址解析协议，作用是将IP地址转换成对应的MAC地址，ARP过程不止包括通过发送广播“从无到有”构建ARP高速缓存表，也包括在已有的缓存表中进行查找转换，也即如果查到ARP高速缓存表中有对应表项从而进行了转换，也叫一次ARP过程

（2）自学习指的是“从无到有”扩充MAC地址与接口对应表的过程，主要手段有两种：1.从被动收到的所有帧中进行学习。2.当目的MAC地址无对应接口时，进行泛洪（给除了源接口以外的所有接口都进行广播，再从收到的答复帧中进行学习

19.IPv6和IPv4的区别：

（1）IPv6的地址从32位（4B）扩大到128位（16B），更大的地址空间

（2）IPv6移除了首部校验和字段，减少了每跳的处理时间

（3）IPv6首部不再有可选字段，变成了扩展首部并入有效载荷中

（4）IPv6支持即插即用（即自动配置IP地址），不需要DHCP协议（为什么？）

（5）IPv6首部长度必须是8B的整数倍，IPv4首部是4B的整数倍

（6）IPv6只能在主机处分片

20.在RIP协议中，距离为L表示这条路径中有L个路由器（包括自身在内）

21.“路由收敛”指的是网络设备的路由表与网络实际拓扑结构保持一致

22.RIP中路由器发送的信息是整个路由表；OSPF协议中路由器发送的信息只是路由表的一部分

23.网络层所涉及的各协议在计算机网络体系结构中的归属层：

RIP、BGP、DHCP：应用层协议

OSPF、CIDR、ARP、​​​​​​ICMP、IGMP：网络层协议

24.OSPF中各种路由器的命名：

 25.有关王道p193题15的解读：

关键在于“通告”和“更新”两个动词的定义，此题照答案理解的话应如是定义：R3“通告”R2即R3主动把自己的新路由表发给R2这一特定主机（其实这里存疑，因为这种改变后立即主动发送应该不是基础RIP的内容，而是为了减少RIP环路而进行的改进），R2“更新”指的是R2又从自己所有邻居那里全部接受一次他们的路由表并改造自身。（只能这么解释，感觉这题出的不太好，方向上太咬文嚼字了……）

26.路由表和转发表：路由表向量格式为<目的网络ip，子网掩码，距离/代价，下一跳>；转发表格式<目的网络ip，子网掩码，下一跳，接口>，其中目的网络ip与子网掩码也一般聚合为CIDR形式表示，二者有如此区别是因为路由表在路由选择协议中使用，属于控制部分，负责造；转发表在路由器进行ip数据报转发时使用，负责用，可以看做转发表根据路由表而来的。“路由表”在不特别指明或暗示的情况下一律默认指“转发表”，因为相比怎么“造”我们更关注怎么“用”，下面具体描述一下某路由器从一个具体的网络拓扑图到构建出路由表再到构建出转发表的从无到有的过程：

1.使用RIP协议或OSPF协议，得到该路由器到所有网络（不包括到其他路由器）的最短路径向量（至于非最短路径向量是否暂存就先不考虑了），收敛后，至此路由表构建完成，此时有几个网络就有几个表项

2.使用CIDR进行路由聚合构造超网，方法是对路由表中“下一跳”相同的项进行聚合，在聚合过程中目的网络ip的前缀数量没有任何作用，完全忽略即可，至此转发表构建完成，表项个数与该路由器接口数保持一致

3.广义上“路由表”即可指路由表又可指转发表，甚至可以指含四元组向量<目的ip地址，距离/代价，下一跳，接口>的表，所以“路由表”这个概念的关键数据是“目的ip地址”和“下一跳”，其他的根据题目要求灵活变更

27.关于各网络段能否转发ip数据报的疑问解答：在不遇到路由器之前都是属于广播域，根本没有“转发”这一说法……

28.默认网关这个概念是相对于主机来说的，它是指是子网与外网连接的设备，一般是一个路由器，即主机不知道需要直接发往哪里时就发往默认网关；而默认路由这个概念则是相对于路由器的，即路由器不知道需要直接发往哪里时就发往默认路由。默认网关的网络号（或网络前缀）是路由器入口的ip地址，而默认路由的网络号（或网络前缀）是0.0.0.0/0（结合第12条理解）。一般来说转发表中的默认路由项即0.0.0.0/0项的下一跳可以设置为接入因特网的路由器入口ip地址，这样一来只要该路由器收到不知下一跳去哪的数据报就可以直接发入因特网。

29.TTL是后检查，即先减1，再检查是否为0，若为0则丢弃不再转发。

30.能够运行组播协议的路由器可以是一个单独的路由器，也可以是运行组播软件的普通路由器。因特网上的组播比以太网上的组播复杂得多，因为以太网本身支持广播和组播，而因特网上当前的路由器和许多物理网络都不支持广播和组播

31.CIDR表达式既可以表示网络号，也可以表示具体的ip地址。如果主机号为全0则为网络号，如果主机号非全0则为具体的ip地址

32.异构网络(Heterogeneous Network）是一种类型的网络，其是由不同制造商生产的计算机，网络设备和系统组成的，大部分情况下运行在不同的协议上支持不同的功能或应用

33.局域网没有网络层，但是广域网有网络层。并且广域网在路由器中不需要分片，因为广域网的MTU是公共已知的，在主机处就会分好，具体解释见王道书p214

34.在主机处对单播帧、组播帧、广播帧的处理方式差异：

（1）单播帧：网卡（NIC）决定是否接收

（2）组播帧：网卡（NIC）决定是否接收

（3）广播帧：CPU决定是否接收，因为对于广播帧网卡会一律接收

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