计算机网络之网络层-期末速成-优快云博客

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4.网络层

4.1 网络层的作用

实现端系统间数据透明传送，核心功能包括：
- 寻址与路由选择（IP地址与路由表）
- 分组转发与分组重组
- 连接的建立、维护与终止
服务特点：屏蔽底层传输细节，为传输层提供统一的数据传输服务

4.2 网际层协议

4.2.1 ARP协议（地址解析协议）

功能：通过IP地址获取MAC地址（ARP请求/应答）
补充：存在ARP欺骗攻击，需配合ARP绑定防御

4.2.2 ICMP协议（网际控制报文协议）

典型应用：
- ping（测试连通性）
- traceroute（路径追踪）
报文类型：错误报告报文（如目标不可达）和查询报文（如回显请求）

4.2.3 IGMP协议（网际组管理协议）

应用场景：视频会议、在线直播等组播通信
工作层级：介于网络层与应用层之间（L3.5）

4.3 IP地址

4.3.1 IP地址的概念

IP地址
- IP地址（Internet Protocol Address）是IP协议提供的一种逻辑地址格式，用于为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个唯一的标识符，从而屏蔽物理地址的差异。
组成
- 一个IP地址由4个字节（32位）组成，通常用点分十进制的方式表示。例如：192.168.1.1
IP地址和MAC地址的区别
1. IP地址是一个逻辑地址，用于网络层；MAC地址是物理地址，用于数据链路层。
2. MAC地址是全球唯一的，每个网卡都有一个唯一的MAC地址；而IP地址在不同的网络中可以重复使用。
3. MAC地址主要工作在第二层（数据链路层），IP地址在网络层（第三层）。
4. MAC地址是48位二进制数；IPv4地址是32位二进制数，IPv6地址是128位二进制数。
5. IP地址的分配取决于网络拓扑结构；MAC地址由设备制造商分配。

4.3.2 IP地址的组成

4.3.2.1 主机地址/主机号

主机地址用于标识网络中的某一台特定设备。

4.3.2.2 网络地址/网络号

网络地址用于标识一个网络，即一组连接在一起的计算机或其他网络设备。

4.3.2.3 子网掩码

定义
- 子网掩码是一种用来区分IP地址中的网络部分和主机部分的位掩码。它与IP地址结合使用，确定哪些位代表网络部分，哪些位代表主机部分。
作用
- 子网掩码通过将IP地址划分为网络地址和主机地址两部分，使得同一网络内的设备能够相互识别，并且不同网络之间的通信可以通过路由器进行路由。
表示方法
- 子网掩码通常以点分十进制的形式表示，例如：255.255.255.0。
- 在子网掩码中，值为1的比特对应IP地址中的网络位；值为0的比特对应IP地址中的主机位。
- 例如，子网掩码 255.255.255.0 表示前24位是网络位，后8位是主机位。

4.3.3 IP地址的分类

4.3.3.1 A类地址

结构特征：
- 第一个字节为网络号（首位固定为0）
- 后三个字节为主机号（24位）
范围：
- 网络号：1.0.0.0 ~ 126.0.0.0（0和127保留）
- 可用地址：1.0.0.1 ~ 126.255.255.254
容量：
- 126个网络（每个网络支持1677万台主机）
默认子网掩码：255.0.0.0（/8）
特殊用途：
- 10.0.0.0/8为私有地址

4.3.3.2 B类地址

结构特征：
- 前两个字节为网络号（前两位固定为10）
- 后两个字节为主机号（16位）
范围：
- 网络号：128.0.0.0 ~ 191.255.0.0
- 可用地址：128.0.0.1 ~ 191.255.255.254
容量：
- 16,384个网络（每个网络支持6.5万台主机）
默认子网掩码：255.255.0.0（/16）
特殊用途：
- 172.16.0.0/12为私有地址

4.3.3.3 C类地址

结构特征：
- 前三个字节为网络号（前三位固定为110）
- 最后一个字节为主机号（8位）
范围：
- 网络号：192.0.0.0 ~ 223.255.255.0
- 可用地址：192.0.0.1 ~ 223.255.255.254
容量：
- 209万个网络（每个网络支持254台主机）
默认子网掩码：255.255.255.0（/24）
特殊用途：
- 192.168.0.0/16为私有地址

4.3.3.4 D类地址（组播地址）

结构特征：
- 前四位固定为1110
范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
用途：
- 224.0.0.1：所有主机
- 224.0.0.2：所有路由器
- 224.0.0.5：OSPF路由器

4.3.3.5 E类地址（保留）

范围：240.0.0.0 ~ 255.255.255.255
用途：科研保留

4.3.3.6 特殊地址（重要补充）

地址类型	示例	用途说明
网络地址	`192.168.1.0`	标识整个子网（主机位全`0`）
直接广播地址	`192.168.1.255`	向子网内所有主机发送数据
受限广播地址	`255.255.255.255`	仅在本网络内广播
回环地址	`127.0.0.1`	本地测试（不经过网络卡）
自动配置地址	`169.254.x.x`	DHCP失败时临时使用

4.3.3.7 保留地址空间

私有地址（RFC 1918）：
- 10.0.0.0/8
- 172.16.0.0/12
- 192.168.0.0/16
文档示例地址（RFC 3849）：
- 192.0.2.0/24（TEST-NET-1）

4.3.3.8 技术演进

IPv6过渡技术：
- 双栈协议（Dual Stack）
- 隧道技术（6to4 Tunnel）
- 地址转换（NAT64）

4.4 子网划分

4.4.1 子网划分步骤（

确定所需子网数N → 计算掩码位数：n=⌈log₂N⌉
新子网掩码 = 原掩码 + n位
每个子网主机数 = 2^(剩余主机位) - 2

4.4.3 题型示例

题目：将192.168.1.0/24划分为4个子网
解答：

新掩码：255.255.255.192（/26）
子网地址：192.168.1.0、.64、.128、.192
每个子网可用主机：62台

4.5 网络层的路由

4.5.1 路由

4.5.1.1 路由是什么？

路由是指分组从源到目的地时，决定端到端路径的过程。路由是指导报文转发的路径信息，通过路径可以确认转发IP报文的具体路线。
路由是网络层的主要工作任务之一。
**路由表（Routing Table）或称路由信息库（RIB, Routing Information Base）**是一个存储在路由器或联网计算机中的电子表格或类数据库。路由表存储着通往特定网络地址的路径信息。

4.5.1.2 路由器

基本设备: 路由器是网络层的基本设备。
数据转发: 路由器负责将数据包从一个网络转发到另一个网络。
端口与网段: 每个端口代表一个独立的网段，路由器中存放着通往各个网段的路由表。

4.5.1.3 网关

**网关（Gateway）**又称网间连接器或协议转接器；用于两个高层协议不同的网络互联。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。

4.5.1.4 路由获取方式

直连路由: 直接相连的网络接口自动学习的路由。
静态路由: 由管理员手动配置的路由，适用于拓扑结构简单且稳定的网络。
动态路由: 通过动态路由协议自动学习和更新路由信息，适用于复杂且变化频繁的网络。

4.5.2 路由的配置方式

4.5.2.1 静态路由

静态路由
- 由管理员手工配置，配置方便，对系统要求低，适用于拓扑结构简单稳定的小型网络。
缺省路由
- 是一种特殊的路由，当报文没有在路由表中找到匹配的具体表项时使用。缺省路由通常指向默认的下一跳地址。

4.5.2.2 动态路由

动态路由
- 通过动态路由协议来实现不同网段的路由互通。
- 动态路由协议有自己的路径算法，能够自动适应网络拓扑的变化，适用于具有一定数量的三层设备的网络。
动态路由协议
1. RIP (Routing Information Protocol)
  - 基于矢量的动态路由协议。
  - 适用于中小型网络拓扑，最大跳数为15。
2. OSPF (Open Shortest Path First)
  - 基于链路状态的协议。
  - 使用SPF（Dijkstra）算法计算最短路径，树形协议。
3. BGP (Border Gateway Protocol)
  - 自治系统间的路由协议，用于不同自治系统之间的路由。
4. IS-IS (Intermediate System-to-Intermediate System)
  - 与OSPF类似，但IS-IS基于路由域划分区域，而OSPF利用接口划分。
5. RIP和OSPF的区别
  1. 协议类型: RIP是基于矢量的协议，OSPF是基于链路状态的协议。
  2. 适用范围: RIP适用于中小型网络拓扑，OSPF适用于较大规模的网络。
  3. 子网掩码支持: OSPF支持可变长度子网掩码（VLSM），而RIP不支持。
  4. 收敛速度: OSPF的收敛速度比RIP更加迅速。