【计算机网络】网络层

计算机网络 网络层

专有名词

• IP internet protocol

• ARP address resolution protocol 地址解析协议

• ICMP internet control message protocol

• IGMP internet group management protocol

• RIP routine information protocol

• OSPF open shortest path first

• BGP border gateway protocol

• IGP 内部网关协议

• EGP 外部网关协议

• NAT network address translation

• CIDR classes inner domain routing

需要计算

• IP分组分片
• 网络划分

该层涉及的格式：

IP分组的格式

功能

寻址：选择合适的路由，把数据分组从源主机传送到目的机器。

核心网络提供尽力而为的IP分组传输服务。

无连接的、尽最大努力交付的。

不提供服务质量的承诺。

网络互联：路由器进行网络互联和路由选择。

IP协议

概述

• IP
• ARP
• ICMP
• IGMP

IP地址

标识连接在互联网上的主机

IPV4：32位标识符

基本编址方法

网络分类
A	1	127
B	128	191
C	192

特殊IP地址

网络号	主机号	源地址可用	目的地址可用	代表
0	0	√		本网络的本主机
0	主机号	√
全1	全1		√
网络号	全1		√
127	非全0或全1	√	√	本地软件环回测试

特殊IP地址

私网地址

说明

用集线器和交换机连接起来的若干个局域网仍为一个网络，具有同样的网络号net-id

• 多归属主机
• 路由器：至少连接在两个网络上

IP分组格式

首部的前一部分固定长度是20字节

数据部分又称有效载荷。

采用16位反码求和校验

IP分组分片

ARP

地址解析协议

通信的时候使用了两个地址：

• IP地址（网络层）
• MAC地址（数据链路层）

解决的问题

解决同一局域网内，IP地址和MAC地址的映射问题。

工作原理

A向B发IP分组，除了要写目的IP地址，还要在A的 ARP cache里查看是否有B的映射信息。

如果有，就将B的MAC地址写入帧目的物理地址，然后发送

如果没有，就广播ARP请求，询问B的MAC地址。收到B的ARP响应后，写入ARP cache。

如果目的主机和源主机不在同一个局域网上，就要通过ARP找到本局域网上的路由器MAC地址，把分组转发给路由器，让路由器把这个分组发给下一个网络。

查看ARP缓冲

arp -a

ARP缓冲存放最近获得的IP地址到MAC地址的绑定，减少广播的数量。

网络划分

子网掩码

功能

将一个大网络划分成多个小网络，或者是将多个小网络聚合成一个大网络。

组成

32位

前面是连续的1（对应网络号），后面是连续的0（对应主机号）

默认的子网掩码

网络类别	子网掩码
A类	255.0.0.0
B类	255.255.0.0
C类	255.255.255.0

CIDR无类别域间路由选择✨✨

记法

10.0.0.0/10

表示掩码的前10位是1，也就是前10位是网络号

路由聚合

一个CIDR地址块包含多个地址，这中地址的聚合就叫做 路由聚合。

减少路由器之间的路由选择信息的交换

也称为 “构成超网”

路由器

路由器工作过程

根据网络号转发分组

路由表的每条路由包括：目的网络地址、子网掩码、下一跳

在划分子网的情况下，路由转发分组的算法

例：

已知互联网和路由器R1的路由表。主机H1向H2发送分组。试讨论R1收到H1向H2发送的分组后查找路由表的过程。

首先，H1检查H2是否连接在本网络上，如果是，则直接交付。否则，就送交给路由器R1。

然后，路由器R1逐项检查路由表。

主机H1如何判断目标主机H2是否和自己在一个网络上

用H2的IP和H1的子网掩码做“与”运算，看结果是不是跟H1的网络地址相同。

相同则是在一个网络上。

最长前缀匹配

路由表

目的网络地址	下一跳
...	...
206.0.68.0/22	略
206.0.71.128/25	略
0.0.0.0	略

AS

Autonomous system

自治系统

单一的技术管理下的一组路由器组成，这些路由器内部使用一种策略

路由表的动态计算（路由选择）

RIP

• 是一个内部网关协议IGP
• 基于分布式的
• 基于距离向量的
• 路由选择协议

距离向量算法

距离单位，最大15跳 hops

目标

动态构建路由表

工作原理

1. 每一个路由器都要维护它自己到其他每一个目的网络的距离记录。
2. 与相邻的路由器交换路由信息，更新自己的路由表，获得最短的路由

特点

好消息传得快，换消息传的慢。

存在问题

如果网络出现故障，会经过相当时间才会将这个信息传送到所有的路由器。

OSPF

克服RIP的缺点

采用分布式的链路状态协议 link state protocol

BGP

不同自治系统之间的路由选择协议

从路由算法的自适应性考虑

分两种

静态路由选择算法

非自适应的，不能适应网络的变化，实现简单，开销小

动态路由选择算法

自适应性的，能够适应网络的变化，实现复杂，开销大

• 内部网关协议IGP：RIP、OSPF
• 外部网关协议EGP：BGP

AS与IGP、EGP的关系

NAT

网络地址转换

NAT至少有一个有效的外部全球IP地址

内部主机和外部主机通信时，NAT路由器上发送了两次地址转换：

1. 离开专用网：改源地址，内部->外部
2. 进入专用网：改目的地址，外部->内部

例如，私有IP地址A，默认网关 外部IP地址B，外部主机IP地址C。如果A向C发送一个数据包～～

过程详细描述：

初始，

源IP	目的IP
A	C

数据包到达有NAT功能的默认网关，会将把所有向外传送的IP分组的源IP地址，改为自己对外的IP地址，同时生成“状态表”中的一项。

源IP	目的IP
B	C

“连接”---源IP（内部），目的IP（外），标识