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[网络协议]计算及网络第四章(网络层)

第四章网络层

4.1 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在之间的传输。仅实现计算机网络体系结构中的物理层和数据链路层，是不能实现数据包在互联网种各网络之间传输的。要实现该功能，就必须实现网络层。

这些异构型网络N1 ~ N7 如果只是需要各自内部通信，他们只要实现各自的物理层和数据链路层即可;但是如果要将这些异构型网络互连起来，形成一个更大的互联网，就需要实现网络层设备路由器;有时为了简单起见，可以不用画出这些网络，图中N1~N7，而将他们看做是一条链路即可

要实现网络层任务，需要解决一下主要问题：

网络层向运输层提供怎样的服务（“可靠传输”还是“不可靠传输”）
- 数据包在传输过程中，可能出现误码，也有可能由于路由器繁忙而 被服务器丢弃，还有可能出现按序发送的数据包 不能按序到达接收方。对于 不可靠传输服务UDP，则对错误实施丢弃。若采用 可靠传输服务，则会对错误实行处理，实现正确接收接收方发送的数据。
网络层寻址问题
- TCP/IP协议网际层使用IP地址，N1网络的前三个数字是相同的，可以看作是它们所在网络的网络编号，而第四个数字不用，用于区分这两个不同的路由器接口。 N3网络的前2个数字是相同的，可以看作是它们所在网络的网络编号，而第3.4个数字不用，用于区分这两个不同的路由器接口。
路由选择问题
- 路由器收到数据后，是依据什么来决定将数据包从自己的哪个接口转发出去？依据数据包的目的地址和路由器中的路由表

但在实际当中，路由器是怎样知道这些路由记录？

由用户或网络管理员进行人工配置，这种方法只适用于规模较小且网络拓扑不改变的小型互联网。
另一种是实现各种路由选择协议，由路由器执行路由选择协议中所规定的路由选择算法，而自动得出路由表中的路有记录，这种方法更适合规模较大且网络拓扑经常改变的大型互联网。

因特网是目前全世界用户数量最多的互联网，它 使用TCP/IP协议栈。由于TCP/IP协议栈的网络层使用国际协议IP,它是整个协议栈的核心协议，因此在TCP/IP协议栈中，网络层常称为 网际层。

网络层（网际层）除了 IP协议外，还有之前介绍过的地址解析协议ARP，还有网际控制报文协议ICMP，网际组管理协议IGMP

本章主要通过学习TCP/IP协议栈的网际层来学习网络层的理论知识和实践技术。

4.2 网络层提供的两种服务

网络层提供的两种服务，一种是面向连接的虚电路服务，另一种是无连接的数据报服务。

4.2.1 面向连接的虚电路服务

虚电路的核心思想是，可靠通信应由网络自身来保证。当两台计算机进行通信时，应当首先建立 网络层的连接- 虚电路VC（Virtual Circuit）,以保证通信双方需要的一切资源。通信双方 沿着已建立的虚电路发送分组。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。如果再使用可靠传输的网络协议，就可使所发送的分组无差错按序到达终点，不丢失、不重复。通信结束后，需要释放之前所建立的虚电路

在这里插入图片描述
*

虚电路表示这只是一条逻辑上的连接，分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而并不是真正建立了一条物理连接。电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接，分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似，但并不完全一样

4.2.2 无连接的数据报服务

互联网的先驱者提出了一种崭新的网络设计思路;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）;网络层不提供服务质量的承诺。即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。

发送方 发送给 接收方 的分组可能沿着不同路径传送:

尽最大努力交付

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） 。
采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用。
互连网能够发展到今日的规模，充分证明了当初采用这种设计思路的正确性。

4.3 IPv4地址

在TCP/IP体系中，IP地址是一个最基本的概念。
IPv4地址就是给因特网(Internet)上的每一台主机（或路由器)的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32比特的标识符。

IP地址由因特网名字和数字分配机构**ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)**进行分配。

我国用户可向亚太网络信息中心APNIC(Asia Pacific Network Information Center)申请IP地址，需要缴费。
2011年2月3日，互联网号码分配管理局IANA(由ICANN行使职能）宣布，IPv4地址已经分配完毕〕
我国在2014至2015年也逐步停止了向新用户和应用分配IPv4地址。同时全面开展商用部署IPv6。

lPv4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段:

在这里插入图片描述

4.3.1 IPv4地址的表示方法

32比特的IPv4地址不方便阅读、记录以及输入等，因此IPv4地址采用点分十进制表示方法以方便用户使用.

在这里插入图片描述

4.3.2 分类编制的IPv4地址

4.3.2.1 A类地址

4.3.2.2 B类地址

4.3.2.3 C类地址

4.3.2.4 总结

网络号指派范围

网络类别	最大可指派的网络数	第一个可指派的网络号	最后一个可指派的网络号	每个网络中最大主机数	备注
A	$126 (2^7-2 )$	1	126	$16777214(2^{24}-2)$	最小网络号0，保留不指派；最大网络号127，作为本地环回地址，不指派。
B	$16384(2^{14})$	128.0	191.255	$65534(2^{16}-2)$	所有网络号均可指派
C	$2097152(2^{21}-1)$	192.0.0	223.255.255	$246(2^8-2)$	所有网络号均可指派

特殊的IP地址
- 主机号为“全0”，这是网络地址
- 主机号为“全1”，这是广播地址
一般不使用的特殊的IP地址

4.3.3 划分子网的IPv4地址

在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不够合理：

IP 地址空间的利用率有时很低。
给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。
两级的 IP 地址不够灵活。

当有新的主机添加进来的时候，就需要重新申请一个网络号，这是不必要的。

所以就有了划分子网的工具：子网掩码

从 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。
这种做法叫做划分子网 (subnetting) 。
划分子网已成为互联网的正式标准协议。

划分为子网络后，数据的传送流程：

凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。
然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。
最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。

4.3.3.1 子网掩码

32比特的子网掩码可以表明分类IP地址的主机号部分被借用了几个比特作为子网号

子网掩码使用连续的比特1来对应网络号和子网号
子网掩码使用连续的比特0来对应主机号
将划分子网的IPv4地址与其相应的子网掩码进行逻辑与运算就可得到IPv4地址所在子网的网络地址

举例说明

$1 . 已知某个网络的地址为$ 218.75.230.0， $使用子网掩码$ 255.255.255.128 $对其进行子网划分，请给出划分细节$

$解析$

$C 类网络地址$ $主机号为$ .0, $网络号为$ 218.75.230

$子网掩码 :$ 255.255.255.10000000

$故划分出的子网数量：2^1=2$

$子网络可分配的网络地址：2^7-2=126$

在这里插入图片描述

例2.

默认子网掩码

总结

4.3.4 无分类编址的IPv4地址

划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难，但是数量巨大的C类网因为其地址空间太小并没有得到充分使用，而因特网的IP地址仍在加速消耗，整个IPv4地址空间面临全部耗尽的威胁。
为此，因特网工程任务组IETF又提出了采用无分类编址的方法来解决IP地址紧张的问题，同时还专门成立IPv6工作组负责研究新版本IP以彻底解决IP地址耗尽问题。
1993年，IETF发布了无分类域间路由选择CIDR(Classless Inter-Domain Routing)的RFC文档: RFC 1517~1519和1520。

CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址，以及划分子网的概念;
CIDR可以更加有效地分配IPv4的地址空间，并且可以在新的IPv6使用之前允许因特网的规模继续增长。

CIDR使用**“斜线记法”**，或称CIDR记法。即在IPv4地址后面加上斜线“/”，在斜线后面写上网络前缀所占的比特数量。 如 128.14.35.7/20表示网络前缀占用的比特数量为20，主机编号占用的比特数量为： $30 ? 20 = 12$

CIDR实际上是将网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。

我们只要知道CIDR地址块中的任何一个地址，就可以知道该地址块的全部细节:

地址块的最小地址
地址块的最大地址
地址块中的地址数量
地址块聚合某类网络(A类、B类或C类)的数量
地址掩码（也可继续称为子网掩码)

举例

练习

206.0.64.8/18 $\to$ 206.0.0100 0000.0000 1000

最小地址：206.0.0100 0000.0000 0000即206.0.64.0

最大地址：206.0.0111 1111.1111 1111即206.0.127.255

子网掩码：255.255.192.0

地址数量： $2^{14}$

聚合C类网的数量: $2^{14}\div 2^8$

4.3.4.1 路由聚合(构造超网)

路由器R1与五个网络以及路由器R2直接相连。路由器R1和R2互为相邻路由器，它们周期性地同通告给对方自己所知道的路由信息。若R1将直连的五个网络通告给R2，则R2的路由表会增加五条路由记录。可以找“共同前缀”，共22个比特，记为/22,将共同前缀保持不变，剩余10个比特全部取0，然后写成点分十进制形式，放在/22前面，这就是聚合后的地址块(超网)，将五条路由记录聚合成一条。