第四章网络层

最新推荐文章于 2024-10-21 19:49:31 发布

萌茶๑

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分类专栏：计算机网络文章标签：网络协议网络 tcp/ip

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本文深入探讨网络层的服务类型、网络协议IP，包括虚拟互联网络、IP地址分类、ARP协议、子网划分以及ICMP报文。详细解释了IP地址与硬件地址的区别，以及如何通过ARP解析硬件地址。此外，还介绍了路由选择协议，如RIP、OSPF和BGP，以及路由器的工作原理。

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一、网络提供的两种服务

在计算机通信中，一直存在的争议是网络层应该向运输层提供怎样的服务（面向连接的还是面向无连接的）。
争论的实质是在计算机通信中，可靠的交付应该由谁来负责？网络还是端系统？

面向连接的
一部分人认为应该借鉴电信网的成功经验，使用面向连接的通信方式。
这种方式的核心思想在于：当两台计算机要进行通信的时候，应该先建立连接（一条vc虚电路），以预留双方通信所需要的一切网络资源，然后双方就沿着已经建立这一条虚拟电路进行发送分组，这样的分组方式可以让分组的首部不用再填写完整的目的主机的地址，只用填写这一条虚电路的编号。
面向无连接的
使用电信网的方法进行通信是完全没有问题的，但是网络通信不同于电信网，计算机见得通信涉及到计算机之间的不同的响应，要求是智能的某计算机需要有很强的差错处理能力。

互联网采用的设计思路
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
网络在发送分组的时候，不需要建立连接，每一个分组独立的发送，到达的先后顺序也是无关的（网络层不提供服务质量的承诺）

下面两张图表示的是虚服务电路和数据报服务报电路图形
在这里插入图片描述
数据报服务和虚电路服务的主要区别

二、网络协议IP

网络协议IP是TCP/IP体系中两个最重要的主要协议之一，也是最重要的互联网标准协议之一

与IP协议配套使用的还有三个协议：

地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)
网络报文控制协议ICMP(Internet Control Message Protocol)
网络组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)

下图中画出了三个协议和网络协议IP的关系，在这一层中，由于IP经常使用ARP协议，所以将ARP放在了最下面，ICMP和IGMP也是由于经常会使用IP所以将其花在了最上面。
在这里插入图片描述

1、虚拟互联网络

①产生背景

产生由于大家的网络要求是多种多样的，并且将所有的计算机两两项链式不现实的，也是不可能的，所以需要一个虚拟的大家的都可以连接到的虚拟的网络，绕后在使得计算机可以进行两两通信。

②创建虚拟互联网络的装备

一般来说，将网络相互链接起来需要一些中间设备，这些中间设备根据所在的不同层次有以下四种不同的中间设备：

物理层使用的中间设备叫做转发器
数据链路层使用的中间设备叫做网桥或者桥接器
网络层使用的中间设备叫做路由器
在网络层以及网络层以上使用的是网关。用网关将两个不兼容的系统需要在高层进行转换

③数据在虚拟网络上的传输

传输图：由于有了上述的各种的中间设备，让网络看起来像是一个虚拟的互联网络
在这里插入图片描述

2、分类的IP地址

①IP地址及其表示表示方法

IP地址是给这个世界上（至少在地球上）所有的计算机提供一个唯一的标识。
IP地址的编码方式共经历了三个历史阶段

分类的IP地址。这是最基本的编址方法（也是下面要介绍的方法）
子网的划分。基于上面的编码方法的改进。
构建超网。这是比较的新的无分类的编址方式。
IP地址的分类就是将IP地址划分为唯一可以标识的地址：
分为两个部分：
网络号：在地球上是唯一的
主机号：在一个网络号下要是唯一的
IP地址的分类：

从上图可以看出：
A类、B类、C类的网络号字段分别占据了1、2、3个字节长度，二每一个网络号的最前面的一到三位分别定义为了0、10、110
A类、B类、C类的主机号字段分别占了3、2、1个字节长度
D类用于多播
E类以后使用

②常见的三种类别的IP地址

A类地址的网络号占了个字节，只有七个字节可以供网络号使用：可以指派的IP地址有2^7 - 2 个，减2的原因为全0和全1不会被用，全0为本机，全1作为本地区软件的回环测试，主机号占了三个字节（24位）
B类地址的网络号字段有两个字节，前面两位是标识位，剩余14为是可以分配的网络号，B的前两个是10，所以不会出现全1或者全0的状况，但是128.0.0.0是不可指派的所以B类的网络号有2^14 - 1 个
C类前两位是110，网络号占了三个字节
IP地址的指派范围
在这里插入图片描述
一般不使用的特殊指派地址

IP地址具有以下的重要特点
10. 每一个IP地址都是有网络号和主机号共同组成
11. IP地址是标识一台主机和一条链路的接口
12. 按照互联网的特点，使用转发器或者网桥连接起来的若干个局域网还是一个网络
13. 在IP地址上所有分到网络好的网络都是平等的

3、IP地址与硬件地址

①IP地址和硬件地址的区别

IP地址是网络和以上各层使用的逻辑地址
物理地址是数据链路层和物理层使用的地址
如下图所示

三个需要注意的点
在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报，
虽然在IP数据报首部有源站IP地址，但路由器只根据目的站的IP地址进行选择路由器
在局域网的链路层，只能看到MAC帧

4、地址解析协议ARP

在这里插入图片描述

①ARP协议的作用

如上图所示，ARP协议的主要作用是从网络层使用的IP地址解析出出数据链路层所使用的的硬件地址

②实现的方法

当主机A想要在一个网络中向主机B通信，使用广播的方式想GIA网络号的所有的主机发送请求B，当B接受到的时候就返回B 的硬件地址。若是没有人反馈，就是B不存在

三、划分子网

1、划分子网

①为什么要划分子网：
由于早期的分配IP地址不合理，使得IP地址不够使用。
1、IP地址的空间利用率有时很低
2、给每一个物理网络分配一个网络号会使得路由表边的太大而使得网络变差
3、两级IP不够灵活
②划分子网的基本思路
1、一个拥有很多物理网络的单位，可以将所属的物理网络划分为若干个子网。划分子网纯属于单位内部的事情，这个单位对外依旧表现为一个网络
2、划分子网的方法是从网络的主机号借用若干位作为子网号，这时网络号也就会减少相应的位数，这时，IP地址就变为了三级地址网络号 + 子网号 + 主机号
3、由路由器接收到数据IP的时候，由路由器在本网络内寻找对应的目的主机