目錄

• 1 網絡層提供的兩種服務
• 2 網際協議IP
• • 2.1 虛擬互連網絡
  • 2.2 分類的 IP 地址
  • 2.3 IP 地址與硬件地址
  • 2.4 地址解析協議 ARP 和逆地址解析協議 RARP
  • • 2.4.1 地址解析協議 ARP
    • 2.4.2 逆地址解析協議 RARP
  • 2.5 IP 數據報的格式
• 3 劃分子網和構造超網
• • 3.1 劃分子網
  • 3.2 子網掩碼
• 4 網際控制報文協議 ICMP
• • 4.1 ICMP的應用舉例 PING (Packet InterNet Groper)
  • 4.2 內部網關協議 RIP (Routing Information Protocol)
  • 4.3 內部網關協議 OSPF (Open Shortest Path First)

1 網絡層提供的兩種服務

• 在計算機網絡領域，網絡層應該向運輸層提供怎樣的服務（“面向連接”還是“無連接”）曾引起了長期的爭論
• 爭論焦點的實質就是：在計算機通信中，可靠交付應當由誰來負責？是網絡還是端系統？

電信網的成功經驗讓網絡負責可靠交付：

• 面向連接的通信方式
• 建立虛電路(Virtual Circuit)，以保證雙方通信所需的一切網絡資源
• 如果再使用可靠傳輸的網絡協議，就可使所發送的分組無差錯按序到達終點
  

虛電路是邏輯連接：

• 虛電路表示這只是一條邏輯上的連接，分組都沿著這條邏輯連接按照存儲轉發方式傳送，而并不是真正建立了一條物理連接
• 請注意，電路交換的電話通信是先建立了一條真正的連接。因此分組交換的虛連接和電路交換的連接只是類似，但并不完全一樣

因特網采用的設計思路：

• 網絡層向上只提供簡單靈活的、無連接的、盡最大努力交付的數據報服務
• 網絡在發送分組時不需要先建立連接。每一個分組（即 IP 數據報）獨立發送，與其前后的分組無關（不進行編號）
• 網絡層不提供服務質量的承諾。即所傳送的分組可能出錯、丟失、重復和失序（不按序到達終點），當然也不保證分組傳送的時限

虛電路服務與數據報服務的對比：

2 網際協議IP

網際協議 IP 是 TCP/IP 體系中兩個最主要的協議之一。與 IP 協議配套使用的還有四個協議：

地址解析協議 ARP (Address Resolution Protocol)

逆地址解析協議 RARP (Reverse Address Resolution Protocol)

網際控制報文協議 ICMP (Internet Control Message Protocol)

網際組管理協議 IGMP (Internet Group Management Protocol)

網際層的 IP 協議及配套協議：

2.1 虛擬互連網絡

互連在一起的網絡要進行通信，會遇到許多問題需要解決，如：不同的尋址方案、不同的最大分組長度、不同的網絡接入機制、不同的超時控制、不同的差錯恢復方法、不同的狀態報告方法、不同的路由選擇技術、不同的用戶接入控制、不同的服務（面向連接服務和無連接服務）、不同的管理與控制方式

網絡互相連接起來要使用一些中間設備（中間設備又稱為中間系統或中繼(relay)系統）：

• 物理層中繼系統：轉發器(repeater)
• 數據鏈路層中繼系統：網橋或橋接器(bridge)
• 網絡層中繼系統：路由器(router)
• 網橋和路由器的混合物：橋路器(brouter)
• 網絡層以上的中繼系統：網關(gateway)

互連網絡與虛擬互連網絡 ：

2.2 分類的 IP 地址

IP 地址及其表示方法：

• 我們把整個因特網看成為一個單一的、抽象的網絡。IP 地址就是給每個連接在因特網上的主機（或路由器）分配一個在全世界范圍是唯一的 32 位的標識符
• IP 地址現在由因特網名字與號碼指派公司ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)進行分配

IP 地址的編址方法：

• 分類的 IP 地址。這是最基本的編址方法，在 1981 年就通過了相應的標準協議
• 子網的劃分。這是對最基本的編址方法的改進，其標準[RFC 950]在 1985 年通過
• 構成超網。這是比較新的無分類編址方法。1993 年提出后很快就得到推廣應用

分類 IP 地址：

• 每一類地址都由兩個固定長度的字段組成，其中一個字段是網絡號 net-id，它標志主機（或路由器）所連接到的網絡，而另一個字段則是主機號 host-id，它標志該主機（或路由器）
• 兩級的 IP 地址可以記為：
  

IP 地址中的網絡號字段和主機號字段：

點分十進制記法：

常用的三種類別的 IP 地址：

2.3 IP 地址與硬件地址

2.4 地址解析協議 ARP 和逆地址解析協議 RARP

2.4.1 地址解析協議 ARP

• 不管網絡層使用的是什么協議，在實際網絡的鏈路上傳送數據幀時，最終還是必須使用硬件地址
• 每一個主機都設有一個 ARP 高速緩存(ARP cache)，里面有所在的局域網上的各主機和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表
• 當主機 A 欲向本局域網上的某個主機 B 發送 IP 數據報時，就先在其 ARP 高速緩存中查看有無主機 B 的 IP 地址。如有，就可查出其對應的硬件地址，再將此硬件地址寫入 MAC 幀，然后通過局域網將該 MAC 幀發往此硬件地址

2.4.2 逆地址解析協議 RARP

• 逆地址解析協議 RARP 使只知道自己硬件地址的主機能夠知道其 IP 地址
• 這種主機往往是無盤工作站。 因此 RARP協議目前已很少使用

2.5 IP 數據報的格式

• 一個 IP 數據報由首部和數據兩部分組成
• 首部的前一部分是固定長度，共 20 字節，是所有 IP 數據報必須具有的
• 在首部的固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的

版本——占 4 位，指 IP 協議的版本，目前的 IP 協議版本號為 4 (即 IPv4)

首部長度——占 4 位，可表示的最大數值是 15 個單位(一個單位為 4 字節)，因此 IP 的首部長度的最大值是 60 字節

區分服務——占 8 位，用來獲得更好的服務在舊標準中叫做服務類型，但實際上一直未被使用過。1998 年這個字段改名為區分服務，只有在使用區分服務（DiffServ）時，這個字段才起作用。在一般的情況下都不使用這個字段

總長度——占 16 位，指首部和數據之和的長度，單位為字節，因此數據報的最大長度為 65535 字節。總長度必須不超過最大傳送單元 MTU

標識(identification) 占 16 位，它是一個計數器，用來產生數據報的標識

標志(flag) 占 3 位，目前只有前兩位有意義。標志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF = 1 表示后面“還有分片”。MF = 0 表示最后一個分片。標志字段中間的一位是 DF (Don’t Fragment) 。只有當 DF = 0 時才允許分片

片偏移(12 位)指出：較長的分組在分片后某片在原分組中的相對位置。片偏移以 8 個字節為偏移單位

生存時間(8 位)記為 TTL (Time To Live)數據報在網絡中可通過的路由器數的最大值

協議(8 位)字段指出此數據報攜帶的數據使用何種協議以便目的主機的 IP 層將數據部分上交給哪個處理過程

首部檢驗和(16 位)字段只檢驗數據報的首部不檢驗數據部分。這里不采用 CRC 檢驗碼而采用簡單的計算方法

首部檢驗和(16 位)字段只檢驗數據報的首部不檢驗數據部分。這里不采用 CRC 檢驗碼而采用簡單的計算方法

源地址和目的地址都各占 4 字節

IP 數據報首部的可變部分：

• IP 首部的可變部分就是一個選項字段，用來支持排錯、測量以及安全等措施，內容很豐富
• 選項字段的長度可變，從 1 個字節到 40 個字節不等，取決于所選擇的項目
• 增加首部的可變部分是為了增加 IP 數據報的功能，但這同時也使得 IP 數據報的首部長度成為可變的。這就增加了每一個路由器處理數據報的開銷
• 實際上這些選項很少被使用

3 劃分子網和構造超網

3.1 劃分子網

從兩級 IP 地址到三級 IP 地址，在 ARPANET 的早期，IP 地址的設計確實不夠合理：

• IP 地址空間的利用率有時很低
• 給每一個物理網絡分配一個網絡號會使路由表變得太大因而使網絡性能變壞
• 兩級的 IP 地址不夠靈活

三級的 IP 地址：

• 從 1985 年起在 IP 地址中又增加了一個“子網號字段”，使兩級的 IP 地址變成為三級的 IP 地址
• 這種做法叫作劃分子網(subnetting) 。劃分子網已成為因特網的正式標準協議

劃分子網的基本思路：

• 劃分子網純屬一個單位內部的事情。單位對外仍然表現為沒有劃分子網的網絡
• 從主機號借用若干個位作為子網號 subnet-id，而主機號 host-id 也就相應減少了若干個位
  
• 凡是從其他網絡發送給本單位某個主機的 IP 數據報，仍然是根據 IP 數據報的目的網絡號 net-id，先找到連接在本單位網絡上的路由器
• 然后此路由器在收到 IP 數據報后，再按目的網絡號 net-id 和子網號 subnet-id 找到目的子網
• 最后就將 IP 數據報直接交付目的主機

一個未劃分子網的 B 類網絡145.13.0.0：

劃分為三個子網后對外仍是一個網絡：

劃分子網后變成了三級結構：

• 當沒有劃分子網時，IP 地址是兩級結構
• 劃分子網后 IP 地址就變成了三級結構
• 劃分子網只是把 IP 地址的主機號 host-id 這部分進行再劃分，而不改變 IP 地址原來的網絡號 net-id

3.2 子網掩碼

• 從一個 IP 數據報的首部并無法判斷源主機或目的主機所連接的網絡是否進行了子網劃分
• 使用子網掩碼(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子網部分

IP 地址的各字段和子網掩碼：

(IP 地址) AND (子網掩碼) = 網絡地址：

默認子網掩碼：

子網掩碼是一個重要屬性：

• 子網掩碼是一個網絡或一個子網的重要屬性
• 路由器在和相鄰路由器交換路由信息時，必須把自己所在網絡（或子網）的子網掩碼告訴相鄰路由器
• 路由器的路由表中的每一個項目，除了要給出目的網絡地址外，還必須同時給出該網絡的子網掩碼
• 若一個路由器連接在兩個子網上就擁有兩個網絡地址和兩個子網掩碼

4 網際控制報文協議 ICMP

• 為了提高 IP 數據報交付成功的機會，在網際層使用了網際控制報文協議 ICMP (Internet Control Message Protocol)
• ICMP 允許主機或路由器報告差錯情況和提供有關異常情況的報告
• ICMP 不是高層協議，而是 IP 層的協議
• ICMP 報文作為 IP 層數據報的數據，加上數據報的首部，組成 IP 數據報發送出去

ICMP 報文的格式：

4.1 ICMP的應用舉例 PING (Packet InterNet Groper)

• PING 用來測試兩個主機之間的連通性
• PING 使用了 ICMP 回送請求與回送回答報文
• PING 是應用層直接使用網絡層 ICMP 的例子，它沒有通過運輸層的 TCP 或UDP

4.2 內部網關協議 RIP (Routing Information Protocol)

工作原理：

• 路由信息協議 RIP 是內部網關協議 IGP中最先得到廣泛使用的協議
• RIP 是一種分布式的基于距離向量的路由選擇協議
• RIP 協議要求網絡中的每一個路由器都要維護從它自己到其他每一個目的網絡的距離記錄

4.3 內部網關協議 OSPF (Open Shortest Path First)

OSPF 協議的基本特點：

• “開放”表明 OSPF 協議不是受某一家廠商控制，而是公開發表的
• “最短路徑優先”是因為使用了 Dijkstra 提出的最短路徑算法SPF
• OSPF 只是一個協議的名字，它并不表示其他的路由選擇協議不是“最短路徑優先”
• 是分布式的鏈路狀態協議

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络第四章：网络层的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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