计算机网络 网络层

网络层

2021-6-3
大二上课笔记，谢希仁版，图源教材

物理层笔记
数据链路层笔记
运输层笔记(tcp)

1. 网络层提供的服务

本章节向大家介绍网络层的内容，先介绍网络层在计算机网络中提供什么服务，然后介绍网络层的核心内容——IP协议，然后介绍服务于IP协议的相关内容。

1.1 虚电路

对于网络层提供的服务，曾有争议，有人认为应该学习电信网成功的经验，让网络提供可靠服务，提供一种面向连接的服务，这会在两台计算机之间搭建一条虚电路，两台主机之间的通信是可靠的，但是这带来的问题是，两台主机之间通信会十分缓慢。

1.2 无连接

互联网的设计思路则是无连接服务，因为电信网成功的原因是因为，电话机的终端是简单的，并没有差错处理的能力，而互联网的终端则是强大的计算机，因此，设计者采用了面向数据报的无连接服务，是一种不可靠的服务。出现差错则有强大的计算机终端处理。

2. 网际通信协议——IP

连接在互联网之中的主机如何通信？下面将介绍网际通信协议——IP协议。

2.1 用途——虚拟互联网络

在理解IP协议前，首先要明白它的应用场景——虚拟互联网络。各个计算机，网络之间是通过虚拟的方式互连的。

2.1.1 目的

首先我们要明白，不同的物理网络之间的结构是不一样的，我们想要通信，需要消除这种异构，从逻辑上将其统一。通过IP协议，将其从逻辑上连接成一个统一的网络，忽略各种异构的细节。

我们可以看下图的例子，主机H1发送消息给H2，经过多个路由器的分组转发，最后交付给H2，这些路由器的物理结构都是不同的，但是IP协议将其高度抽象化了。

2.2 内容

要理解该协议的功能，肯定要看数据报格式的首部，即其控制字段，看它的字段便能猜测到它的大部分功能了。

2.2.1 IP地址分类

IP地址是给互联网上的各个主机之间分配的唯一的标识符，对于IP地址的编制有三个阶段：分类编址，划分子网，构造超网。

（1）IP地址表示方法

对于将IP地址分类的方法，是指将IP地址分为两个字段——网络号和主机号，通过网络号来标识主机所在的网络，然后通过主机号来找到具体的主机。

如下图为两级IP地址的格式。

如下图，有五类IP地址，其中A，B，C类是单播地址（一对一通信）

将IP地址分类的目的是减少IP地址的浪费，因为不同的网络拥有的主机数也不同，倘若都是同一类地址，那主机数较少的网络则会浪费较多的地址。

2.2.2 数据报格式

想要知道IP协议具体有什么功能，可以通过它的数据报首部格式略知一二，如下图是数据报的完整格式。

（1）首部字段

上图我们看到IP数据报有首部和数据部分，数据部分我们不用花太多信息，理解好首部即理解了IP协议的内容，下面将一个一个展开首部内容的讲解，首先讲固定部分，下一段讲可变部分。

上面我们能看到，横向的是位大小，纵向的是字节大小，一行4字节，32位。

1. 版本：4位，指IP协议的版本，双方使用的版本应该是一致的。IPV4与IPV6是不兼容的

2. 首部长度：4位，IP首部的固定长度为20字节，最大长度为60字节，要注意的是，当长度不为4的倍数的时候，则需要在最后填充。

<