计算机网络总结-网络层

概念

单播:点对点传输
多播:一对多传输
子网掩码:同IP地址一样是一个32位地址,网络位全为1,主机位全为0,通过和IP按位与来屏蔽IP地址的主机号部分,来区分三级IP地址的网络号,子网号,主机号
TTL(Time to Live):被存在IPv4报头的8bit字段,IP包生存时间值,单位是被转发次数,避免IP包在网络中无限循环收发

网际协议IP

IP(Internet Protocol)协议是用来将不同网络互连起来的协议,为主机提供一种无连接,不可靠的,尽力而为的数据包传输服务

IP协议作用

1.寻址和路由:
2.分隔与重组:

IP地址编址方法

IP地址的编址方法经过三个历史阶段:分类的IP地址(最基本的编址方法),子网的划分(最基本的编址方法改进),超网(无分类编址方法)

IP地址分类

IP地址为4字节,由网络号和主机号组成,分为A,B,C类单播地址,D类多播地址和E类保留地址总共五类地址,且主机号全为0保留为网络地址,全为1保留为广播地址
A类地址:以0开头,1字节网络号,3字节主机号,IP范围1.0.0.0~127.255.255.255,保留10.X.X.X作为局域网地址,127.X.X.X作本地进程间通信的循环测试用的地址,
B类地址以10开头,:2字节网络号,2字节主机号,所以IP范围为128.0.0.0~191.255.255.255,其中172.16.0.0-172.31.255.255保留作为局域网地址
C类地址:以110开头,3字节网络号,1字节主机号,所以192.0.0.0~223.255.255.255,其中192.168.X.X保留作为局域网地址
D类地址::以1110开头,作为多播地址,所以IP范围为224.0.0.0~239.255.255.255
E类地址:11110开头(注书上描写虽然是以1111开头,但实际E类地址只到247所以应该是以11110开头),该类地址保留为今后使用,所以IP范围为240.0.0.0~247.255.255.255
由于无分类编址方法的使用,对IP地址进行分类已经成为历史

子网划分

IP地址分类将IP分为网络号和主机号,即设计为两级结构IP地址,而子网划分是在IP地址分类的基础上将IP设为三级结构IP地址,借用原来的主机号若干位作为子网号,再设置子网掩码来标识子网号和主机号
解决问题:
1.IP地址空间利用率有时很低,A类地址网络可连接主机数超过1000w,B类地址网络页超过w,但有些单位申请一个A类或B类地址网络后所连接的主机数并不多,且不愿意使用C类网络,因为考虑今后发展
2.网络号过多会导致路由器的路由表变得太大而导致性能变差，每个路由表中的都应该能查到到达任意网络的下一跳路由器IP,网络数越多路由表的项目数自然越多，而子网划分不需要通过增加网络号来增加网络数量
3.两级IP地址不够灵活，而划分子网后，可以任意修改子网数量，任意子网的IP数

无分类编址 (构造超网)

子网划分虽然一定程度缓解了IP地址分类的问题，但依然使路由表项目数过多，IPv4地址不够分。所以很快就研究出采用无分址方法来解决前面的问题，无分类编址正式名为无类别域间路由CIDR(Classlsess Inter-Domain Routing)通过将IP地址分为网络前缀和主机号,然后在IP地址后加一个斜线然后写上网络前缀所占位数,来更加有效地对IP地址进行归类
特点:
1.消除了传统的A类,B类和C类地址以及划分子网的概念,即将IP地址改为网络前缀和主机号,网络前缀可以为任意长度
2.把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个"CIDR地址块",只要知道CIDR地址块中的任何一个地址就能知道该地址块的最小地址,最大地址,地址数
比如:128.14.35.7/20 前20位就为网络前缀,所以该地址块范围为128.14.32.0~128.14.47.255

ICMP协议

ICMP(Internet Control Message Protocol)因特网控制报文协议是用来更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会,本身不传输数据,ICMP报文直接装在IP数据报中作为其数据部分,相当于对IP协议功能的扩展

ICMP协议作用

1.数据包差错检查:四种ICMP差错报文对应四种差错检查功能,分别是告诉源主机终点不可达,时间超过,参数问题改变路由
2.检查网络是否通畅:ICMP除了ICMP差错报文外还有ICMP询问报文,其中的ICMP回送请求报文会要求目的主机必须回发ICMP回送回答报文,一般用来测试目的主机是否可达和网络通畅

ARP协议

ARP(Address Resolution Protocol)是地址解析协议,在实际主机发送数据时是已知目的IP地址的,但不知到目的Mac地址,而ARP协议就是提供根据IP地址获取物理地址的功能.根据IP协议使用了ARP协议且ARP包中有IP信息所以可以划归为网络层,但根据封装方式,ARP包封装成帧,是运行在数据链路层的,所以也能划归为数据链路层

ARP原理：

1.首先每个主机都会有个ARP高速缓存区,里面有本局域网中的IP地址和MAC地址之间的映射关系列表
2.当源主机都向某个目的主机发送数据时会检查目的IP地址是否为当前局域网地址,如果不是则需要将目的IP地址解析为当前局域网路由器的MAC地址.如果是则检查ARP李彪中是否有目的主机MAC地址,存在就直接发送数据,否则就向同一子网的所有主机广播发送ARP请求分组,该请求包中含有源IP地址,源MAC地址和目的IP地址
3.局域网中主机收到ARP请求分组后,会检查是否IP地址一致,不一致就忽略,一致就将源主机IP和MAC都写入当前主机ARP列表,并向源主机发送ARP响应分组,包含了自己的MAC地址
4.源主机收到ARP响应分组后就将该信息写入到ARP列表中,并利用此信息发送数据.如果源主机一直没收到ARP响应包则表示ARP解析失败

NAT技术

NAT(Network Address Translation)是网络地址转换技术,于1994年提出的.需要在连接到互联网的路由器上安装NAT软件,实现将内部私有网络地址翻译成网络IP地址

NAT作用

1.解决IP地址不足问题
2.隐藏和保护本地网络的主机

NAT实现方式

1.静态转换:一对一关系,私有IP地址和公有IP地址是一对一的,固定的,由管理员手动分配,这种方式简单,但需要足够多的公有IP地址
2.动态转换:多对多关系,私有IP地址在连接网络时随机分配公有IP地址,当公有IP地址少于内部主机数可使用该方式
3.端口多路复用:多对一关系,多个私有IP地址共同使用一个公有IP地址,来自内部不同主机的数据会使用随机的不同端口区分,从而最大限度节约IP资源,且可隐藏网络内部所有主机,目前网络中应用最多的就是该方式

参考资料:《计算机网络（第7版）》 谢希仁 电子工业出版社．2017-11-15