计算机网络-网络层

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网络层的核心内容是IP协议。 ### 网络层向上提供无连接的，简单灵活的，尽最大努力交付的数据报服务这里要注意的是，网络层是不会考虑可靠运输的，可靠运输是数据链路层的事情。在数据链路层我们要进行差错检测，流量控制等等功能。上面描述的是数据报服务。还有一种虚电路服务，我们只需要知道他是模拟电话线，即两端要模拟建立一条通路的思路。下图可以让我们明白他们的思路和不同。 ![image](https://img2022.cnblogs.com/blog/1594019/202206/1594019-20220630101911730-1620134266.png)

IP协议

重点中的重点
IP协议中有配套的三个重要辅助协议

地址映射协议ARP（Address Resolution Protocol）
网际控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol）
网际组管理协议IGMP（Internet Group Manage Protocol）

通过上图我们可以了解到这三个辅助协议在网络层中的位置--它们就是IP协议的辅助工具。位于上层的ICMP和IGMP是因为它们要经常使用IP协议；而位于下层的ARP则是IP协议要经常用它。

IP网的形象理解

不同的主机通过路由器连接起来，共同使用IP协议，组成了一个虚拟世界里的网络。在物理层面它们可能会存在许多差异：光纤或者电话线、个人PC或者服务器或者单片机等等。但是在网络层上来看，它们确实是一个统一的网络。

若R1，R2，R3，R4，R5都是路由器（它们只有网际层和网络接口层，它们之间的物理介质可能是不同的--双绞线、光纤、卫星通信。但是H1到H2在IP网上是一个网络。

IP地址

分类的IP地址。

这是最基本的IP地址分类方式。其中A，B，C类都是一对一使用的单播地址，D类用于多播，E类留着还没用
IP地址由图片我们可以知道，由网络号和主机号组成。因为ABC类都是单播地址，主机地址是网络内主机的地址，因此每个IP地址都是唯一的（互联网范围内，自建局域网内可不会是）

192.168.0.1这是我们常见的一个IP地址。这种描述形式又被称作点分十进制------IP地址32位，看起来太折磨人了。因此，我们可以知道每个区间内的最大值是255（11111111）。
IP地址的使用范围

从上面我们可以看到两个奇怪的点，为什么所有类地址要“-1”？这是因为所有为0都是不划分的：A类主机127.0.0.0是默认规定代表本机的；B，C类则是根本不使用。同时为什么A类地址要“-2”呢，这是因为网络号127（01111111）是默认设置为本地环回测试使用的，所有以127开头的都是本地环回地址，所有数据服务都在本地进行，不会上传到网络。

这是特殊IP的归总。

在路由器上面，路由器只会通过主机连接的网络号来进行转发，不会根据目的地址精确转发--这能大大减少路由器的存储要求（况且你没连你怎么直接发，不还是要一下一下的转发？）

IP地址实际上就是主机或者路由器以及一条链路的接口的标识

IP地址和硬件地址。
我们上一个章节了解了MAC帧的概念，知道了MAC帧内包含IP数据报。这里要注意的是IP地址是逻辑地址，即不和现实设备对应，这也是他服务于网络层及以上的特征；而硬件地址，即MAC帧的头部和尾部

有一些点需要强调
1. IP数据报的首部有着完整的IP地址，但是路由器仅仅根据网络号来进行转发。
2. 网络层及向上层次，它们只能够看到IP数据报。
3. 链路层只能看到MAC帧

地址解析协议ARP
APR协议是为了将IP地址转换为硬件地址的协议。他的操作方式为下面4步
1. ARP cache进行广播ARP请求分组，这个请求包含了该 ARP cache所在主机的IP地址，硬件地址，以及需要请求获取硬件地址的目标IP地址
2. 局域网内各个主机路由器都接收该消息。
3. 目标主机发送一个单播通信给发送广播的ARP cache所在主机，信息内包含其IP地址，硬件地址
4. ARP cache将收到的硬件地址和IP地址存入表中。
  **ARP协议是解决局域网内IP地址和硬件地址的转换的，跨局域网走的还是链路层上面的方式。
  **
IP数据报格式

这里先标注一下，各种数据格式常常以4字节（32位）为一个单位，也会以4位来做基本单位。基本上都得能整除4
1. 版本：表明是IPV4还是IPV6
2. 首部长度：占4位，因为首部固定长度29，所以首部长度内值为5-15
3. 区分服务：占据8位，一般不用，只有使用区分服务时才会有数据
4. 总长度：16位，值为首部和数据部分的长度
5. 标识：16位，标识的作用是帮助因为数据报过大导致不得不分片时，各个分片能够重新组合成原本的数据报--同标识的分片就是同数据报
6. 标志：3位，但是目前只有两位有意义：标识最短最低位定义为MF，MF=1时，表“还有分片”，MF=0时，表“没有分片”；中间位定义为DF，DF=0时可以分片，其余值（1）不能分片
7. 片偏移：13位。片偏移描述的是分片信息在原来数据报中的相对位置。片偏移以8字节为单位，因此这里我们可以知道一个小信息：分片的长度必然是8的倍数。
8. 生存时间。8位，又名TTL（Time to Live）。这里存放的是数据可以被转发的次数：每被路由器转发一次TTl就减1。TTL=0时，数据报丢弃。
9. 协议：8位，指出使用的是那种协议，方便目标主机IP层将数据部分上交哪个主机处理。
10. 首部检验和：16位，只检验首部的数据正确性，且每经过一个路由器都要检验一次。计算方式：
  1. 发送方将首部划分为多个16位字的序列，并将检验和致0.
  2. 将首部所有16位字使用反码算数运算进行相加，得到的和取反码写入检验和。
  3. 接收方将首部所有16位字进行反码运算，若结果为0即正确，保留该数据报；若非0，丢弃该数据报。
11. 源地址：32位
  12.目的地址：32位
IP层分组转发流程
从一个路由器转发到另一个路由器--基于路由表.路由表给出到某一个网络该如何转发，可以大大减少路由表大小