计算机网络|《计算机网络》第四章网络层知识点笔记（上） ip|计算机网络

文章目录

4.1 网络层提供的两种服务
- 一种观点：让网络负责可靠交付
- - 虚电路服务
- 另一种观点：网络提供数据报服务
- - 数据报服务
- 虚电路服务与数据报服务的对比
4.2 网际协议 IP
- 4.2.1 虚拟互连网络
- - 1、网络互连问题
  - 2、使用一些中间设备进行互连
  - 3、虚拟互连网络
- 4.2.2 分类的 IP 地址
- - 1、IP地址及其表示方法
  - 2、分类IP地址
  - 3、各类 IP 地址的网络号字段和主机号字段
  - 4、点分十进制记法
  - 5、常见三种类别的IP地址
  - 6、一般不使用的特殊的 IP 地址
  - 7、IP地址的一些重要特点
  - 8、互联网中的IP地址
- 4.2.3 IP 地址与硬件地址
- 4.2.4 地址解析协议 ARP
- - 地址解析协议 ARP 的作用
  - 地址解析协议 ARP 要点
- 4.2.5 IP 数据报的格式
- 4.2.6 IP 层转发分组的流程
- - 路由器分组转发算法
  - 特定主机路由
  - 默认路由

4.1 网络层提供的两种服务

在计算机网络领域，网络层应该向运输层提供怎样的服务（“面向连接”还是“无连接”）曾引起了长期的争论。
**争论焦点的实质就是：在计算机通信中，可靠交付应当由谁来负责？是网络还是端系统？ **

一种观点：让网络负责可靠交付

这种观点认为，应借助于电信网的成功经验，让网络负责可靠交付，计算机网络应模仿电信网络，使用面向连接的通信方式。通信之前先建立虚电路 (Virtual Circuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源。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。

虚电路服务

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。

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另一种观点：网络提供数据报服务

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。

由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉（与电信网的交换机相比较）。
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。

数据报服务

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虚电路服务与数据报服务的对比

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4.2 网际协议 IP

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4.2.1 虚拟互连网络 1、网络互连问题
将网络互连并能够互相通信，会遇到许多问题需要解决，如：

不同的寻址方案
不同的最大分组长度
不同的网络接入机制
不同的超时控制
不同的差错恢复方法
不同的状态报告方法
不同的路由选择技术
不同的用户接入控制
不同的服务（面向连接服务和无连接服务）
不同的管理与控制方式等
如果全世界都用统一的网络，让网络互连变得简单，答案是不行的，没有一种网络可以满足所有用户的使用，而且各厂家也要推陈出新，那么如何将异构的网络互相连接起来？

2、使用一些中间设备进行互连
中间设备又称为中间系统或中继 (relay)系统。
有以下五种不同的中间设备：

物理层中继系统：转发器 (repeater)。
数据链路层中继系统：网桥或桥接器 (bridge)。
网络层中继系统：路由器 (router)。
网桥和路由器的混合物：桥路器 (brouter)。
网络层以上的中继系统：网关 (gateway)。
当中继系统是转发器或网桥时，一般并不称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。网络互连都是指用路由器进行网络互连和路由选择。

3、虚拟互连网络

【计算机网络|《计算机网络》第四章网络层知识点笔记（上）】由于参加互连的计算机网络都使用相同的网际协议IP，构成一个虚拟互连网络（逻辑互连网络），虽然互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用 IP 协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。

使用虚拟互连网络的好处是：当互联网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节。

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如果我们只从网络层考虑问题，那么 IP 数据报就可以想象是在网络层中传送。

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4.2.2 分类的 IP 地址 1、IP地址及其表示方法

我们把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络。IP 地址就是给每个连接在互联网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符。由互联网名字和数字分配机构ICANN 进行分配。

IP 地址的编址方法 :

分类的 IP 地址。这是最基本的编址方法，在 1981 年就通过了相应的标准协议。
子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准 [RFC 950] 在 1985 年通过。
构成超网。这是比较新的无分类编址方法。 1993 年提出后很快就得到推广应用。

2、分类IP地址

将IP地址划分为若干个固定类。每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号 net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络，而另一个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）。主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。由此可见，一个 IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。

两级的IP地址：

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3、各类 IP 地址的网络号字段和主机号字段

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4、点分十进制记法

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5、常见三种类别的IP地址

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6、一般不使用的特殊的 IP 地址

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7、IP地址的一些重要特点

IP 地址是一种分等级的地址结构
方便了 IP 地址的管理
减小了路由表所占的存储空间。
实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口
一个主机同时连接到两个网络上，同时具有两个相应的 IP 地址，称为多归属主机
一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址
用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id。
互联网同等对待每一个IP地址

8、互联网中的IP地址

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在同一个局域网上的主机或路由器的IP 地址中的网络号必须是一样的。
路由器总是具有两个或两个以上的 IP 地址。路由器的每一个接口都有一个不同网络号的 IP 地址。
两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明 IP 地址。如指明 IP 地址，则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊“网络” 。现在常不指明 IP 地址，称为无编号网络或无名网络。

4.2.3 IP 地址与硬件地址

IP 地址与硬件地址是不同的地址。从层次的角度看，

硬件地址（或物理地址）是数据链路层和物理层使用的地址。

IP 地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（称 IP 地址是逻辑地址是因为 IP 地址是用软件实现的）。

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4.2.4 地址解析协议 ARP

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地址解析协议 ARP 的作用

ARP 作用：
从网络层使用的 IP 地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址。

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地址解析协议 ARP 要点

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4.2.5 IP 数据报的格式

一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段（用来增加IP数据报的功能），其长度是可变的。

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首部各字段作用

版本——占 4 位，指 IP 协议的版本。目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)。
首部长度——占 4 位，可表示的最大数值是 15 个单位（一个单位为 4 字节），因此 IP 的首部长度的最大值是 60 字节。
区分服务——占 8 位，用来获得更好的服务。在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直未被使用过。1998 年这个字段改名为区分服务。只有在使用区分服务（DiffServ）时，这个字段才起作用。在一般的情况下都不使用这个字段
总长度——占 16 位，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为 65535 字节。总长度必须不超过最大传送单元 MTU（每一种数据链路层协议都规定了一个数据帧中的数据字段的最大长度）。
标识(identification) ——占 16 位，它是一个计数器，用来产生 IP 数据报的标识。数据报分片后的各个数据报片具有相同的标识字段的值使得分片后的各个数据报片最后能正确地重装成为原来的数据报。
标志(flag) ——占 3 位，目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF ? 1 表示后面“还有分片”。MF= 0 表示最后一个分片。标志字段中间的一位是 DF (Don’t Fragment) 。只有当 DF=? 0 时才允许分片。
片偏移——占13 位，指出：较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。
IP 数据报分片：当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片。
例如一数据报的总长度为 3820 字节，其数据部分的长度为 3800 字节（使用固定首部），需要分片为长度不超过 1420 字节的数据报片。因固定首部长度为 20 字节，因此每个数据报片的数据部分长度不能超过 1400 字节。于是分为 3 个数据报片，其数据部分的长度分别为 1400、1400 和 1000 字节。原始数据报首部被复制为各数据报片的首部，但必须修改有关字段的值。

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生存时间——占8 位，记为 TTL (Time To Live)，指示数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。
协议——占8 位，指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给那个处理过程。IP 协议支持多种协议，IP 数据报可以封装多种协议 PDU

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首部检验和——占16 位，只检验数据报的首部，不检验数据部分。这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法。

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源地址和目的地址都各占32位 4个字节

4.2.6 IP 层转发分组的流程

按主机所在的网络地址来制作路由表，减少路由表的容量。根据目的网络地址确定下一跳路由器，找目的主机需要多次间接交付，只有到达最后一个路由器时，才试图向目的主机进行直接交付

在路由表中，对每一条路由，最主要的是（目的网络地址，下一跳地址）

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IP 数据报的首部中没有地方可以用来指明“下一跳路由器的 IP 地址”。
当路由器收到待转发的数据报，不是将下一跳路由器的 IP 地址填入 IP 数据报，而是送交下层的网络接口软件。
网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。
路由器分组转发算法
(1) 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D, 得出目的网络地址为 N。
(2) 若网络 N 与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机 D；否则是间接交付，执行 (3)。
(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行 (4)。
(4) 若路由表中有到达网络 N 的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行 (5)。
(5) 若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行 (6)。
(6) 报告转发分组出错。
特定主机路由