计算机网络 网络层（上）

Posted 2022-12-11 My heart will go ~~

网络层（上）

• 1.网络层提供的两种服务
• 2.网际协议IP

1.网络层提供的两种服务

对于网络层面向连接与否，可靠交付与否，存在着较多的争论。
而最后互联网的设计思路是：网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

2.网际协议IP

网际协议IP是TCP/IP体系中最主要的协议之一。与IP协议配套使用的还有三个协议：地址解析协议（ARP），网际控制报文协议（ICMP），网际组管理协议（IGMP）

中间系统：将网络互相连接起来的中间设备。五种不同的中间设备：

1. 物理层中继系统：转发器 (repeater)。
2. 数据链路层中继系统：网桥 或 桥接器 (bridge)。
3. 网络层中继系统：路由器 (router)。
4. 网桥和路由器的混合物：桥路器 (brouter)。
5. 网络层以上的中继系统：网关 (gateway)。
   网络互连：用路由器进行网络互连和路由选择。
   虚拟互连网络（逻辑互连网络）：虽然各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是利用 IP 协议就可以使这些性能各异的网络看起来好像是统一的网络。

IP地址：给每个在互联网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的32位的标识符。
分类的IP地址：是最基本的编址方法。具体如下，
每一类地址由网络号和主机号组成。主机号在其网络号指明的网络范围内是 唯一的。
各类IP地址：

常用的三类IP地址：

一般不适用的特殊IP地址：

IP地址的重要特点：
1.IP地址是一种分等级的地址结构，分级的好处在于：（1）.IP管理机构只分配网络号，剩下的主机号由单位自行分配。（2）.路由器仅根据网络号进行转发，使得路由表项目大幅减少。
2.IP地址是标志一个主机和一条链路的接口。一个主机接到两个网络时，主机必须同时有两个IP，主机称为多归属主机。一个路由器至少连接两个网络，所以一个路由器至少有两个不同的IP地址。
3.用转发器或者网桥连接起来的网络是一个网络，有相同的网络号。
4.所有分配到网络号的网络，无论大小，都是平等的。

IP地址与硬件地址：硬件地址（物理地址）是数据链路层和物理层使用的地址。IP地址是网络层以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。

地址解析协议：ARP。通信时使用两个地址：IP地址，MAC地址。
ARP协议的作用：从IP地址解析出硬件地址。
工作流程：主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，先在ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。

1. 如有，就可查出其对应的硬件地址并写入 MAC 帧，然后通过将该 MAC 帧发往此硬件地址。
2. 如没有， ARP 进程在本局域网上广播发送一个 ARP 请求分组。收到 ARP 响应分组后，将得到的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 高速缓存。
   ARP请求分组包含：发送方MAC、IP地址，目标方MAC、IP地址。
   ARP响应分组包含：发送方MAC、IP地址，目标方MAC、IP地址。
   ARP 分组封装在物理网络的帧中传输。
   ARP高速缓存的作用：存放最近获得的 IP 地址到 MAC 地址的绑定，以减少 ARP 广播的数量。例：1.主机 A 在发送其 ARP 请求分组时，就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组。2.当主机 B 收到 A 的 ARP 请求分组时，就将主机 A 的这一地址映射写入主机 B的 ARP 高速缓存中。
   注意：
   1.ARP 用于解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射问题。如果目的主机和源主机不在同一个局域网上，就要通过 ARP 找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。
   2.从 IP 地址到硬件地址的解析是自动进行的。
   使用ARP的四种典型情况：
3. 发送方是主机，要把 IP 数据报发送到本网络上的另一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。
4. 发送方是主机，要把 IP 数据报发送到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。
5. 发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到本网络上的一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。
6. 发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上另一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。

思考：问什么不能直接使用硬件地址进行通信？
答：全世界存在各式样的网络，使用不同的硬件地址。异构网络间互相通信需要硬件地址转换工作，这几乎是不可能的事。IP编址解决了这一问题。

IP数据报的格式：由首部和数据两部分组成。首部中固定部分20字节，是IP数据报必须有的。

注释：

1. 版本：IP协议的版本，（目前的俄日IPv4
2. 首部长度：4位可表示15个单位，所以IP首部长度最大为60字节
3. 区分服务：用来获得更好的服务
4. 总长度：首部和数据之和的长度（不得超过最大传输单元MTU
5. 标识：计数器，用于产生IP数据报的标识
6. 标志：MF=0，最后一个分片，=1，后面还有分片；DF=0时才允许分片。
7. 片偏移：较场分组分片后某片在元分组中的相对位置。
8. 生存时间：TTL，数据报在网络中可通过路由器数的最大值
9. 协议：数据使用何种协议，以便目的主机IP层将数据上交处理
10. 首部检验和：检验数据报的首部
11. 源地址和目的地址各占4字节，不做过多解释
12. 可变部分是为了增加IP数据报的功能。（实际上很少被使用

IP数据报分片实例：

（原始数据报的首部被复制为各数据报的首部，但必须修改有关字段的值）

特定主机路由：为特定的目的主机指明一个路由，使网络管理人员更方便控制、测试网络。
默认路由：减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间。（一般在网络很少对外连接时有用，

路由器收到待转发的数据报后，送交下层的网络接口软件，使用ARP将下一跳路由器的IP地址转换成MAC地址，并放在链路层的MAC帧的首部，根据这一MAC地址找到下一跳路由器。

路由表分组转发算法的顺序如下：
获取目的主机的IP地址，网络地址—>直接交付—>特定主机路由—>路由表中查目的网络—>选择默认路由—>报告出错。