网络层的IP地址及其分类和ARP协议

网络层IP

• 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不提供服务质量的承诺。即不可靠传输，也就是所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组传送的时限。
• 如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的运输层负责可靠交付（包括差错处理、流量控制等） 。
• 网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。

如何将异构的网络互相连接起来？则需要使用一些中间设备进行互连。

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)。

IP地址表示方法及其分类

IP 地址就是给每个连接在互联网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符

点分十进制

分类的IP地址

将IP地址划分为若干个固定类。

• 其中一个字段是网络号 net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络
• 而另一个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）。
  

注意：主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。 由此可见，一个 IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。

• IP地址可分为ABCDE五类（见下图）：

常用的三种类别的IP地址

IP地址与硬件地址

• IP 地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（称 IP 地址是逻辑地址是因为 IP 地址是用软件实现的）。
• 硬件地址（或物理地址）是数据链路层和物理层使用的地址。
• IP 地址放在 IP 数据报的首部
• 硬件地址则放在 MAC 帧的首部。
  

地址解析协议ARP

通信时要使用两个地址：

1. IP地址(网络层地址)
2. MAC地址(数据链路层地址)

地址解析协议ARP就是通过从网络层使用的 IP 地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址。因为不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。

ARP要点

1. ARP请求分组（这是一个名词不是动词）：包含发送方硬件地址 / 发送方IP 地址 / 目标方硬件地址(未知时填 0) / 目标方IP 地址，共四个部分。
2. ARP 响应分组：包含发送方硬件地址 / 发送方IP地址 / 目标方硬件地址 / 目标方 IP 地址，共四个部分。

注意： ARP 分组封装在物理网络的帧中传输。

ARP高速缓存

• 每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存 (ARPcache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。
• 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。为了减少网络上的通信量，主机 A 在发送其ARP 请求分组时，就将自的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组。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 自己的 ARP高速缓存中。这对主机 B 以后向 A 发送数据报时就更方便了。

注意：ARP 是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。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通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。

使用 ARP 的四种典型情况

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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