计算机网络 网络层 虚电路服务 数据报服务 IPV4地址概述 点分十进制表示法 子网掩码 IP数据报的发送和转发过程 路由选择协议 路由信息协议RIP OSPF协议 ICMP协议

网络层

一、网络层概述

网络层的主要任务是实现网络互连，进而实现数据包在各网络之间的传输

二、网络层提供的两种服务

1. 面向连接的虚电路服务

(1) 可靠通信由网络来保证
(2) 必须建立网络层的连接 – 虚电路 (并不存在一条真正的物理连接)
(3) 通信双方沿着已建立的虚电路发送分组
(4) 目的主机的地址仅在连接建立阶段使用，之后每个分组的首部只需携带一条虚电路的编号
(5) 通信结束后，需要释放之前建立的虚电路
如图所示：

2. 无连接的数据报服务

(1) 可靠通信由用户主机来保证
(2) 不需要建立网络层的连接
(3) 每个分组可走不同的路径
(4) 每个分组的首部必须携带目的主机的完整地址
(5) 这种通信所传送的分组可能误码、丢失、重复和失序
如图所示：

3. 两种服务的对比

注意：TCP/IP结构的因特网提供的是数据报服务

三、IPv4地址概述

1. IP地址概念

(1) IP地址是因特网上的主机和路由器所使用的地址，用于标识两部分信息：
① 网络编号：用于区分不同的网络，不同网络的网络编号不同，同一个网络的各主机的网 络编号相同 (路由器连接的是不同的网络)
② 主机编号：标识同一网络的不同主机 (或路由器各接口)，不同主机的主机编号不同

2. IPv4地址概念

IPv4地址就是给因特网上的每一台主机或路由器的接口分配一个在全世界范围内是唯一的32 比特的标识符

3. 点分十进制表示法

四、IPv4地址编址方法经历的三个阶段

1. 分类编址

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(1) A类地址详解

(2) B类地址详解

(3) C类地址详解

(4) 注意

(5) 练习

2. 划分子网

即从主机号借用一部分作为子网号
(1) 子网掩码
32比特的子网掩码可以表明主机号被借用了几个比特作为子网号
① 子网掩码使用连续的比特1对应网络号和子网号
② 子网掩码使用连续的比特0对应主机号
③ 将IPv4地址与其对应的子网掩码进行与运算即可得到IPv4地址所在子网的网络地址

(2) 练习

(3) 默认的子网掩码

3. 无分类编址

CIDR (无分类编址)消除了传统的A类、B类、C类地址以及划分子网的概念

CIDR使用斜线记法：在IPv4地址后面加斜线”/”，在斜线后面写上网络前缀所占的比特数量
(网络前缀指的是子网掩码为1的部分)

举例：

例1：

路由聚合(构造超网)：

注意：

1. 网络前缀越长，地址块越小，路由越具体
2. 转发分组时若有多条路由可选，则选择网络前缀最长的那条，称为最长前缀匹配

五、IPv4地址的应用规划

给定一个ipv4地址块，如何将其划分成几个更小的地址块

(1) 定长的子网掩码

缺点：
①只可分配2n个子网，造成了子网的浪费
②每个子网的ip地址个数相同，造成浪费，如N5只需要4个ip地址

(2) 变长的子网掩码

(3) 二者对比

六、IP数据报的发送和转发过程

1. ip数据报的分组和转发过程包含以下两部分：

(1) 主机发送ip数据报
(2) 路由器转发ip数据报

2. ip数据报的转发有两种：

(1) 同一个网络直接交付
(2) 不同网络间接交付：由路由器帮忙转发

3. 详细过程如下：

4. 注意

路由器不转发广播ip数据报，也就是说路由器是隔离广播域的

七、静态路由配置及其可能产生的路由环路问题

1. 静态路由配置是指用户或管理员人工配置路由表

(1) 这种方式简单、开销小，但不能及时适应网络状态的变化
(2) 一般只在小规模网络中采用

2. 静态路由配置可能产生的路由环路问题

(1) 配置错误

(2) 聚合了不存在的网络

解决方法：使用黑洞路由，将聚合网络中不存在的网络设为黑洞路由，符合此网络的数据 有去无回，即被丢弃，如

(3) 网络故障

解决方法：添加一个故障网络的黑洞路由

八、路由选择协议概述

1. 静态路由选择与动态路由选择对比

2. 常见的路由选择协议

(1) 内部网关协议：路由信息协议RIP、开放式最短路径优先OSPF
(2) 外部网关协议：BGP

九、路由信息协议RIP的基本工作原理

1. RIP要求自治系统内的每一个路由器都要维护从它自己到自治系统内其他每一个网络的距离向量

2. RIP使用跳数作为度量单位来衡量到达目的网络的距离

(1) 路由器到直连网络的距离定义为1
(2) 路由器到非直连网络的距离定义为所经过的路由器数加1
(3) 一条路径最多只能包含15个路由器，距离等于16时相当于不可达

3. RIP认为好的路由就是距离短的路由，也就是所通过路由器数量最少的路由

4. 当到达目的网络有多条距离相等的路由时，可以进行等价负载均衡：将通信量均衡的分配到多条 等价的路由上

5. RIP包含三个要点

(1) 仅和相邻的路由器交换信息
(2) 交换的信息是自己的路由表
(3) 周期性的交换信息

6. RIP的基本工作过程
   (1) 路由器刚开始工作时，只知道自己到直连网络的距离为1
   (2) 每个路由器仅和相邻的路由器周期性的交换并更新路由信息
   (3) 若干次的交换和更新之后，每个路由器都知道本自治系统内各网络的最短距离和下一跳

7. RIP更新路由条目的规则

十、开放最短路径优先OSPF的基本工作原理

1. OSPF相邻路由器之间通过交互问候分组，建立和维护邻居关系

2. 问候分组的发送周期是10秒，40秒未收到邻居路由器的问候分组，则认为该路由器不可达

3. 使用OSPF的每个路由器都会产生链路状态通告LSA，LSA中包含以下内容：

(1) 直连网络的链路状态信息
(2) 邻居路由器的链路状态信息

4. LSA被封装在链路状态更新分组LSU中，采用洪泛法发送：将从自己的所有接口转发该分组

5. 使用OSPF的每个路由器都有一个链路状态数据库LSDB，用于存储LSA

6. 通过各路由器洪泛发送封装有自己LSA的LSU分组，各路由器的LSDB最终将达到一致
   

7. 使用OSPF的各路由器基于LSDB进行最短路径优先SPF计算，构建出各自到达其他路由器的最 短路径，即构建各自的路由表

8. OSPF的基本工作原理

9. OSPF把一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域
   

10. 注意

(1) OSPF是基于链路状态的，而不是像RIP那样基于距离向量
(2) OSPF使用SPF算法计算路由，从算法上保证了不会产生路由环路

十一、ipv4数据报的首部格式

十二、网际控制报文协议ICMP

1. 为了更有效的转发ip数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用网际控制报文协议ICMP

2. 主机或路由器使用ICMP来发送差错报告报文和询问报文

3. ICMP差错报告报文被封装在IP数据报中发送

4. ICMP差错报告报文共有五种

(1) 终点不可达

(2) 源点抑制

(3) 时间超过

(4) 参数问题

(5) 改变路由

5. 以下情况不应发送ICMP差错报告报文

6. ICMP应用举例

(1) 分组网间探测

(2) 跟踪路由