网络层 详解，网络层功能，网络层协议，网络层设备。

Posted 2022-05-16 士别三日wyx

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「专栏简介」：此文章已录入专栏《计算机网络零基础快速入门》

本章重点

1. 掌握网络层的协议及工作原理
2. 掌握网络层的物理设备

网络层

• 一、IP协议
• • 1）数据传输
  • 2）数据分片
• 二、ICMP协议
• 三、DHCP协议
• 四、RIP协议
• 五、OSPF协议
• • 1）工作原理
  • 2）工作过程
• 六、网络层设备
• • 1）路由器

网络层负责 「端到端」的数据传输，端到端指的是源端到目的端。

数据链路层只能在相邻节点之间传递数据，而网络层可以在「不相邻」的节点之间传递数据，无论中间有多少个机器，网络层都能将将数据从源设备传递到目的设备，而网络层传输数据的核心，就是IP协议。

接下来，我们来了解一下，IP协议是怎么传输数据的。

一、IP协议

IP协议是一种不可靠的端到端数据包「传输服务」，主要实现两个功能：数据传输和数据分片。

1）数据传输

数据传输功能依赖于「IP地址」，IP协议规定IP地址的格式为32位二进制，分为A、B、C、D、E五类：

• A类（1~127）：1.0.0.1 ~ 127.255.255.254
• B类（128~191）：128.0.0.1 ~ 191.255.255.254
• C类（192~233）：192.0.0.1 ~ 233.255.255.254
• D类（224~239）：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
• E类（240~225）：240.0.0.0 ~ 255.255.255.254

2）数据分片

当传输的数据超过帧的「最大值」时，IP协议会将数据「分割」，放到多个数据帧中传输，传输完成时，再将数据「重组」。

详细资料请参考我的另一篇文章：IP协议详解

二、ICMP协议

ICMP协议是IP的一个组成部分，负责传递「控制信息」，它只负责「检错」而不负责「纠错」。

ICMP协议根据 Type 和 Code 这两个字段来标明传输的情况，以此来控制数据的传输。比如 Type=0，Code=0，代表传输正常；Type=3，Code=3，则意味着端口不可达。

详细资料请看考我的另一篇文章：ICMP协议详解

IP协议定义了IP的格式和使用规则，而电脑具体使用哪个IP地址，你得自己配，DHCP刚好可以帮我们实现分配IP的工作。

三、DHCP协议

DHCP也叫动态主机配置协议，负责「管理和分配IP」。

工作流程分为四步：

1. DHCP Discover：客户端广播发现报文，寻找网络内的DHCP服务器。
2. DHCP Offer：DHCP服务器发送提供报文，给客户端提供IP地址。
3. DHCP Request ：客户端广播请求报文，使用指定服务器提供的IP地址。
4. DHCP ACK：DHCP服务器发送确认报文，告知IP地址的租期。

详细资料请参考我的另一篇文章：DHCP协议详解

IP协议根据IP地址将数据传输到目的地址，通往目的地址的路线有很多，我们需要选择一条最优的路线，也就是路由选择，而RIP刚好可以帮我们实现这个功能。

四、RIP协议

RIP全称（Routing Information Protocol），中文叫路由信息协议，使用「距离矢量算法」，根据跳数来判断到达目标的「最佳路径」。

每一个路由器都维护一张「路由表」，路由表提供自己到达其他所有路由器的跳数，以及下一跳的路由器。
「跳数」就是到达目标路由器需要经过的路由器的个数，每经过一个路由器，跳数就加1，跳数大于 15 时，判定网络不可达。
路由器每隔30秒广播一次更新信息，并根据其他路由器响应的更新报文修改路由表。

每个路由器都有独立的「计时器」，以此来减小同时广播的几率。
路由表中的每条路由都有一个「超时定时器」，如果超过180秒没有收到路由的更新信息，则判定该路由无效。
对于判定无效的路由，会开启「清除定时器」，如果超过120秒还没有收到路由的更新信息，就从路由表中删除这条路由。

由于最大跳数的限制，RIP只适合小型网络，应用较少，为了适应大型的网络，人们在RIP协议的基础上，研究出了OSPF协议。

五、OSPF协议

OSPF（Open Shortest Path First）根据链路状态选择最短路径。

1）工作原理

OSPF的工作原理很简单：相邻的路由器发送hello报文确定邻居关系，邻居路由器互相交换链路状态，然后使用最短路径算法计算出路由表。

2）工作过程

OSPF协议的工作过程分为三个阶段：邻居发现、链路交换 和 路由计算。

1）「邻居发现阶段」：当路由器初始化或者网络结构发生变化时，相邻的路由器之间发送hello报文，将通信正常的路由器保存到邻居表。

2）「链路交换阶段」：路由器和邻居路由器交换链路状态、并更新到自己的链路状态数据库，邻居再和邻居的邻居交换链路状态，交换到最后，每一个路由器都会获得全网的链路状态。

3）「路由计算阶段」：路由器根据链路状态数据库，使用最短路径算法，计算出各自的OSPF路由表；然后从所有OSPF路由表中选出最优的路径，放到全局路由器。

六、网络层设备

网络中的设备根据IP地址进行通信，IP地址由网络地址和主机地址两部分组成，网络地址不同的两个IP处于两个网段，不同的网段之间不可以直接通信；

而路由器的多个端口可以连接「多个网段」，每个端口的IP地址的网段与所连接的网段一致，从而使数据在不同的网段之间传输。

1）路由器

路由器用来链接多个不同协议的网络，根据路由算法把数据包按照最佳路线传送到目的地址。

路由器内部有一个「路由表」，表里有目的IP地址对应的「下一跳」地址和接口，表里的这些内容是路由选择协议算出来的，比如RIP协议和OSPF协议。

路由表的执行逻辑是，让数据不断的接近目标地址，这个下一跳可能是转发地址，也可能就是目标地址，就像发快递要经过很多个中转站一样。