目錄

• 1 網(wǎng)絡(luò)層提供的兩種服務(wù)
• 2 網(wǎng)際協(xié)議IP
• • 2.1 虛擬互連網(wǎng)絡(luò)
  • 2.2 分類的 IP 地址
  • 2.3 IP 地址與硬件地址
  • 2.4 地址解析協(xié)議 ARP 和逆地址解析協(xié)議 RARP
  • • 2.4.1 地址解析協(xié)議 ARP
    • 2.4.2 逆地址解析協(xié)議 RARP
  • 2.5 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的格式
• 3 劃分子網(wǎng)和構(gòu)造超網(wǎng)
• • 3.1 劃分子網(wǎng)
  • 3.2 子網(wǎng)掩碼
• 4 網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議 ICMP
• • 4.1 ICMP的應(yīng)用舉例 PING (Packet InterNet Groper)
  • 4.2 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 RIP (Routing Information Protocol)
  • 4.3 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 OSPF (Open Shortest Path First)

1 網(wǎng)絡(luò)層提供的兩種服務(wù)

• 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該向運(yùn)輸層提供怎樣的服務(wù)（“面向連接”還是“無連接”）曾引起了長(zhǎng)期的爭(zhēng)論
• 爭(zhēng)論焦點(diǎn)的實(shí)質(zhì)就是：在計(jì)算機(jī)通信中，可靠交付應(yīng)當(dāng)由誰(shuí)來負(fù)責(zé)？是網(wǎng)絡(luò)還是端系統(tǒng)？

電信網(wǎng)的成功經(jīng)驗(yàn)讓網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)可靠交付：

• 面向連接的通信方式
• 建立虛電路(Virtual Circuit)，以保證雙方通信所需的一切網(wǎng)絡(luò)資源
• 如果再使用可靠傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就可使所發(fā)送的分組無差錯(cuò)按序到達(dá)終點(diǎn)
  

虛電路是邏輯連接：

• 虛電路表示這只是一條邏輯上的連接，分組都沿著這條邏輯連接按照存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式傳送，而并不是真正建立了一條物理連接
• 請(qǐng)注意，電路交換的電話通信是先建立了一條真正的連接。因此分組交換的虛連接和電路交換的連接只是類似，但并不完全一樣

因特網(wǎng)采用的設(shè)計(jì)思路：

• 網(wǎng)絡(luò)層向上只提供簡(jiǎn)單靈活的、無連接的、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)
• 網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送分組時(shí)不需要先建立連接。每一個(gè)分組（即 IP 數(shù)據(jù)報(bào)）獨(dú)立發(fā)送，與其前后的分組無關(guān)（不進(jìn)行編號(hào)）
• 網(wǎng)絡(luò)層不提供服務(wù)質(zhì)量的承諾。即所傳送的分組可能出錯(cuò)、丟失、重復(fù)和失序（不按序到達(dá)終點(diǎn)），當(dāng)然也不保證分組傳送的時(shí)限

虛電路服務(wù)與數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)的對(duì)比：

2 網(wǎng)際協(xié)議IP

網(wǎng)際協(xié)議 IP 是 TCP/IP 體系中兩個(gè)最主要的協(xié)議之一。與 IP 協(xié)議配套使用的還有四個(gè)協(xié)議：

地址解析協(xié)議 ARP (Address Resolution Protocol)

逆地址解析協(xié)議 RARP (Reverse Address Resolution Protocol)

網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議 ICMP (Internet Control Message Protocol)

網(wǎng)際組管理協(xié)議 IGMP (Internet Group Management Protocol)

網(wǎng)際層的 IP 協(xié)議及配套協(xié)議：

2.1 虛擬互連網(wǎng)絡(luò)

互連在一起的網(wǎng)絡(luò)要進(jìn)行通信，會(huì)遇到許多問題需要解決，如：不同的尋址方案、不同的最大分組長(zhǎng)度、不同的網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制、不同的超時(shí)控制、不同的差錯(cuò)恢復(fù)方法、不同的狀態(tài)報(bào)告方法、不同的路由選擇技術(shù)、不同的用戶接入控制、不同的服務(wù)（面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)）、不同的管理與控制方式

網(wǎng)絡(luò)互相連接起來要使用一些中間設(shè)備（中間設(shè)備又稱為中間系統(tǒng)或中繼(relay)系統(tǒng)）：

• 物理層中繼系統(tǒng)：轉(zhuǎn)發(fā)器(repeater)
• 數(shù)據(jù)鏈路層中繼系統(tǒng)：網(wǎng)橋或橋接器(bridge)
• 網(wǎng)絡(luò)層中繼系統(tǒng)：路由器(router)
• 網(wǎng)橋和路由器的混合物：橋路器(brouter)
• 網(wǎng)絡(luò)層以上的中繼系統(tǒng)：網(wǎng)關(guān)(gateway)

互連網(wǎng)絡(luò)與虛擬互連網(wǎng)絡(luò) ：

2.2 分類的 IP 地址

IP 地址及其表示方法：

• 我們把整個(gè)因特網(wǎng)看成為一個(gè)單一的、抽象的網(wǎng)絡(luò)。IP 地址就是給每個(gè)連接在因特網(wǎng)上的主機(jī)（或路由器）分配一個(gè)在全世界范圍是唯一的 32 位的標(biāo)識(shí)符
• IP 地址現(xiàn)在由因特網(wǎng)名字與號(hào)碼指派公司ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)進(jìn)行分配

IP 地址的編址方法：

• 分類的 IP 地址。這是最基本的編址方法，在 1981 年就通過了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議
• 子網(wǎng)的劃分。這是對(duì)最基本的編址方法的改進(jìn)，其標(biāo)準(zhǔn)[RFC 950]在 1985 年通過
• 構(gòu)成超網(wǎng)。這是比較新的無分類編址方法。1993 年提出后很快就得到推廣應(yīng)用

分類 IP 地址：

• 每一類地址都由兩個(gè)固定長(zhǎng)度的字段組成，其中一個(gè)字段是網(wǎng)絡(luò)號(hào) net-id，它標(biāo)志主機(jī)（或路由器）所連接到的網(wǎng)絡(luò)，而另一個(gè)字段則是主機(jī)號(hào) host-id，它標(biāo)志該主機(jī)（或路由器）
• 兩級(jí)的 IP 地址可以記為：
  

IP 地址中的網(wǎng)絡(luò)號(hào)字段和主機(jī)號(hào)字段：

點(diǎn)分十進(jìn)制記法：

常用的三種類別的 IP 地址：

2.3 IP 地址與硬件地址

2.4 地址解析協(xié)議 ARP 和逆地址解析協(xié)議 RARP

2.4.1 地址解析協(xié)議 ARP

• 不管網(wǎng)絡(luò)層使用的是什么協(xié)議，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的鏈路上傳送數(shù)據(jù)幀時(shí)，最終還是必須使用硬件地址
• 每一個(gè)主機(jī)都設(shè)有一個(gè) ARP 高速緩存(ARP cache)，里面有所在的局域網(wǎng)上的各主機(jī)和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表
• 當(dāng)主機(jī) A 欲向本局域網(wǎng)上的某個(gè)主機(jī) B 發(fā)送 IP 數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，就先在其 ARP 高速緩存中查看有無主機(jī) B 的 IP 地址。如有，就可查出其對(duì)應(yīng)的硬件地址，再將此硬件地址寫入 MAC 幀，然后通過局域網(wǎng)將該 MAC 幀發(fā)往此硬件地址

2.4.2 逆地址解析協(xié)議 RARP

• 逆地址解析協(xié)議 RARP 使只知道自己硬件地址的主機(jī)能夠知道其 IP 地址
• 這種主機(jī)往往是無盤工作站。 因此 RARP協(xié)議目前已很少使用

2.5 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的格式

• 一個(gè) IP 數(shù)據(jù)報(bào)由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成
• 首部的前一部分是固定長(zhǎng)度，共 20 字節(jié)，是所有 IP 數(shù)據(jù)報(bào)必須具有的
• 在首部的固定部分的后面是一些可選字段，其長(zhǎng)度是可變的

版本——占 4 位，指 IP 協(xié)議的版本，目前的 IP 協(xié)議版本號(hào)為 4 (即 IPv4)

首部長(zhǎng)度——占 4 位，可表示的最大數(shù)值是 15 個(gè)單位(一個(gè)單位為 4 字節(jié))，因此 IP 的首部長(zhǎng)度的最大值是 60 字節(jié)

區(qū)分服務(wù)——占 8 位，用來獲得更好的服務(wù)在舊標(biāo)準(zhǔn)中叫做服務(wù)類型，但實(shí)際上一直未被使用過。1998 年這個(gè)字段改名為區(qū)分服務(wù)，只有在使用區(qū)分服務(wù)（DiffServ）時(shí)，這個(gè)字段才起作用。在一般的情況下都不使用這個(gè)字段

總長(zhǎng)度——占 16 位，指首部和數(shù)據(jù)之和的長(zhǎng)度，單位為字節(jié)，因此數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度為 65535 字節(jié)。總長(zhǎng)度必須不超過最大傳送單元 MTU

標(biāo)識(shí)(identification) 占 16 位，它是一個(gè)計(jì)數(shù)器，用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí)

標(biāo)志(flag) 占 3 位，目前只有前兩位有意義。標(biāo)志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF = 1 表示后面“還有分片”。MF = 0 表示最后一個(gè)分片。標(biāo)志字段中間的一位是 DF (Don’t Fragment) 。只有當(dāng) DF = 0 時(shí)才允許分片

片偏移(12 位)指出：較長(zhǎng)的分組在分片后某片在原分組中的相對(duì)位置。片偏移以 8 個(gè)字節(jié)為偏移單位

生存時(shí)間(8 位)記為 TTL (Time To Live)數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中可通過的路由器數(shù)的最大值

協(xié)議(8 位)字段指出此數(shù)據(jù)報(bào)攜帶的數(shù)據(jù)使用何種協(xié)議以便目的主機(jī)的 IP 層將數(shù)據(jù)部分上交給哪個(gè)處理過程

首部檢驗(yàn)和(16 位)字段只檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)的首部不檢驗(yàn)數(shù)據(jù)部分。這里不采用 CRC 檢驗(yàn)碼而采用簡(jiǎn)單的計(jì)算方法

首部檢驗(yàn)和(16 位)字段只檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)的首部不檢驗(yàn)數(shù)據(jù)部分。這里不采用 CRC 檢驗(yàn)碼而采用簡(jiǎn)單的計(jì)算方法

源地址和目的地址都各占 4 字節(jié)

IP 數(shù)據(jù)報(bào)首部的可變部分：

• IP 首部的可變部分就是一個(gè)選項(xiàng)字段，用來支持排錯(cuò)、測(cè)量以及安全等措施，內(nèi)容很豐富
• 選項(xiàng)字段的長(zhǎng)度可變，從 1 個(gè)字節(jié)到 40 個(gè)字節(jié)不等，取決于所選擇的項(xiàng)目
• 增加首部的可變部分是為了增加 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的功能，但這同時(shí)也使得 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的首部長(zhǎng)度成為可變的。這就增加了每一個(gè)路由器處理數(shù)據(jù)報(bào)的開銷
• 實(shí)際上這些選項(xiàng)很少被使用

3 劃分子網(wǎng)和構(gòu)造超網(wǎng)

3.1 劃分子網(wǎng)

從兩級(jí) IP 地址到三級(jí) IP 地址，在 ARPANET 的早期，IP 地址的設(shè)計(jì)確實(shí)不夠合理：

• IP 地址空間的利用率有時(shí)很低
• 給每一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)會(huì)使路由表變得太大因而使網(wǎng)絡(luò)性能變壞
• 兩級(jí)的 IP 地址不夠靈活

三級(jí)的 IP 地址：

• 從 1985 年起在 IP 地址中又增加了一個(gè)“子網(wǎng)號(hào)字段”，使兩級(jí)的 IP 地址變成為三級(jí)的 IP 地址
• 這種做法叫作劃分子網(wǎng)(subnetting) 。劃分子網(wǎng)已成為因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

劃分子網(wǎng)的基本思路：

• 劃分子網(wǎng)純屬一個(gè)單位內(nèi)部的事情。單位對(duì)外仍然表現(xiàn)為沒有劃分子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)
• 從主機(jī)號(hào)借用若干個(gè)位作為子網(wǎng)號(hào) subnet-id，而主機(jī)號(hào) host-id 也就相應(yīng)減少了若干個(gè)位
  
• 凡是從其他網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給本單位某個(gè)主機(jī)的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)，仍然是根據(jù) IP 數(shù)據(jù)報(bào)的目的網(wǎng)絡(luò)號(hào) net-id，先找到連接在本單位網(wǎng)絡(luò)上的路由器
• 然后此路由器在收到 IP 數(shù)據(jù)報(bào)后，再按目的網(wǎng)絡(luò)號(hào) net-id 和子網(wǎng)號(hào) subnet-id 找到目的子網(wǎng)
• 最后就將 IP 數(shù)據(jù)報(bào)直接交付目的主機(jī)

一個(gè)未劃分子網(wǎng)的 B 類網(wǎng)絡(luò)145.13.0.0：

劃分為三個(gè)子網(wǎng)后對(duì)外仍是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)：

劃分子網(wǎng)后變成了三級(jí)結(jié)構(gòu)：

• 當(dāng)沒有劃分子網(wǎng)時(shí)，IP 地址是兩級(jí)結(jié)構(gòu)
• 劃分子網(wǎng)后 IP 地址就變成了三級(jí)結(jié)構(gòu)
• 劃分子網(wǎng)只是把 IP 地址的主機(jī)號(hào) host-id 這部分進(jìn)行再劃分，而不改變 IP 地址原來的網(wǎng)絡(luò)號(hào) net-id

3.2 子網(wǎng)掩碼

• 從一個(gè) IP 數(shù)據(jù)報(bào)的首部并無法判斷源主機(jī)或目的主機(jī)所連接的網(wǎng)絡(luò)是否進(jìn)行了子網(wǎng)劃分
• 使用子網(wǎng)掩碼(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子網(wǎng)部分

IP 地址的各字段和子網(wǎng)掩碼：

(IP 地址) AND (子網(wǎng)掩碼) = 網(wǎng)絡(luò)地址：

默認(rèn)子網(wǎng)掩碼：

子網(wǎng)掩碼是一個(gè)重要屬性：

• 子網(wǎng)掩碼是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或一個(gè)子網(wǎng)的重要屬性
• 路由器在和相鄰路由器交換路由信息時(shí)，必須把自己所在網(wǎng)絡(luò)（或子網(wǎng)）的子網(wǎng)掩碼告訴相鄰路由器
• 路由器的路由表中的每一個(gè)項(xiàng)目，除了要給出目的網(wǎng)絡(luò)地址外，還必須同時(shí)給出該網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼
• 若一個(gè)路由器連接在兩個(gè)子網(wǎng)上就擁有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址和兩個(gè)子網(wǎng)掩碼

4 網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議 ICMP

• 為了提高 IP 數(shù)據(jù)報(bào)交付成功的機(jī)會(huì)，在網(wǎng)際層使用了網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議 ICMP (Internet Control Message Protocol)
• ICMP 允許主機(jī)或路由器報(bào)告差錯(cuò)情況和提供有關(guān)異常情況的報(bào)告
• ICMP 不是高層協(xié)議，而是 IP 層的協(xié)議
• ICMP 報(bào)文作為 IP 層數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)，加上數(shù)據(jù)報(bào)的首部，組成 IP 數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去

ICMP 報(bào)文的格式：

4.1 ICMP的應(yīng)用舉例 PING (Packet InterNet Groper)

• PING 用來測(cè)試兩個(gè)主機(jī)之間的連通性
• PING 使用了 ICMP 回送請(qǐng)求與回送回答報(bào)文
• PING 是應(yīng)用層直接使用網(wǎng)絡(luò)層 ICMP 的例子，它沒有通過運(yùn)輸層的 TCP 或UDP

4.2 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 RIP (Routing Information Protocol)

工作原理：

• 路由信息協(xié)議 RIP 是內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 IGP中最先得到廣泛使用的協(xié)議
• RIP 是一種分布式的基于距離向量的路由選擇協(xié)議
• RIP 協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)路由器都要維護(hù)從它自己到其他每一個(gè)目的網(wǎng)絡(luò)的距離記錄

4.3 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 OSPF (Open Shortest Path First)

OSPF 協(xié)議的基本特點(diǎn)：

• “開放”表明 OSPF 協(xié)議不是受某一家廠商控制，而是公開發(fā)表的
• “最短路徑優(yōu)先”是因?yàn)槭褂昧?Dijkstra 提出的最短路徑算法SPF
• OSPF 只是一個(gè)協(xié)議的名字，它并不表示其他的路由選擇協(xié)議不是“最短路徑優(yōu)先”
• 是分布式的鏈路狀態(tài)協(xié)議

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络第四章：网络层的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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