【计算机网络】4网络层①

这篇笔记讲IPv4和IPv6。

为了解决“IP地址耗尽”问题，有三种措施：

①CIDR（延长IPv4使用寿命）

②NAT（延长IPv4使用寿命）

③IPv6（从根本上解决IP地址耗尽问题）

IPv6 在考研中考查频率较低，但需掌握基础概念以防冷门考点，重点结合数据报格式和与 IPv4 的对比记忆。

2.IPv4🦊

IP协议（Internet Protocol，网际协议）是互联网的核心！

IP协议定义了一个非常重要的数据结构——IP数据报，也就是IP分组。

ARP协议用于查询同一网络中的<主机IP地址,MAC地址>之间的映射关系。

ICMP协议用于网络层实体之间相互通知“异常事件”。

IGMP协议用于实现IP组播。

2.1.IPv4分组

先探讨IP协议当中定义的最重要的数据结构——IP分组。

🦉第一行：如何计算数据部分占多少字节。

🦉第二行：如何分片

2.2.IPv4地址

维度	IP 地址	MAC 地址
性质	逻辑地址（软件层面）	物理地址（硬件层面）
作用范围	跨网络通信（如互联网）	局域网内直接通信
协议层	网络层（OSI 第三层）	数据链路层（OSI 第二层）
格式	IPv4：由 32 位二进制数组成，通常以点分十进制表示（如 192.168.1.1）。 IPv6：由 128 位二进制数组成，以十六进制表示（如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。	由 12 位十六进制数组成，通常以冒号或连字符分隔（如 00:1A:2B:3C:4D:5E 或 00-1A-2B-3C-4D-5E）。
打比方	像 “城市 + 街道 + 门牌号”（逻辑定位） 作用：告诉你 “快递要送到哪个城市的哪个区域”，是一种逻辑上的位置标识，用于跨区域（跨网络）寻址。 特点：①可变动，比如你搬家到另一个城市，收件地址（IP 地址）就会变化，但你本人（设备）还是同一个。②分层结构：类似 “中国上海市黄浦区南京东路 100 号”，IP 地址也有 “网络部分 + 主机部分” 的分层结构（如 192.168.1.100 中，192.168.1 是网络号，100 是主机号）。 场景：你用手机访问抖音时，手机的 IP 地址告诉抖音服务器 “我在某个城市的某个网络里”，服务器通过 IP 地址找到你所在的网络区域。	像 “身份证号码”（物理唯一标识） 作用：告诉你 “快递最终要交给哪个具体的人”，是设备网卡的物理唯一标识，用于局域网内精准识别设备。 特点：①终身固定：就像身份证号伴随你一生，MAC 地址在设备出厂时就刻在网卡芯片里，理论上不会改变（除非人为修改）。②无逻辑结构：MAC 地址（如 00:1A:2B:3C:4D:5E）只是一串无规则的编号，不包含位置信息。 场景：你家路由器收到一个快递（数据帧），需要发给你手机时，会先看快递单上的 MAC 地址（手机网卡的物理地址），直接把数据 “递” 给对应的手机，不会搞错给隔壁邻居的电脑。

假设你从北京寄快递到上海的朋友家：

跨城市运输（跨网络通信）：

你在快递单上写清楚IP 地址：上海市浦东新区 XX 路 XX 号（逻辑位置）。

快递公司根据这个地址，通过公路、铁路等运输网络（路由器），把快递从北京分拣到上海的某个快递站点（目标网络）。

最后一公里配送（局域网内通信）：

快递站点的工作人员需要找到具体收件人，这时查看快递单上的MAC 地址：张三（身份证号 123456...）。

通过身份证号（MAC 地址）精准定位到张三本人，把快递交到他手里（数据帧通过 MAC 地址直达设备）。

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练习图 

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2.2.1.最初的方案(1981)

在这个方案中，一台主机需要配置：IP地址，默认网关

只有网络号相同的两个IP地址才归属于同一个网络。

2.2.1.1.地址分类

时代背景：IPv4协议是1981年发明的，当时只有政府、学校、军队等大机构会使用互联网。完全没有预料到互联网用户会迎来爆炸性增长。因此IPv4协议中，地址位数仅设计了(亿)。IP地址资源由ICANN(互联网名字和数字分配机构)进行分配(有偿租用)这个机构对有限的IP地址进行了ABCDE这样的五种分类。

可以按照图中‘0’，‘10’，‘110’，‘1110’，‘1111’ 

2.2.1.2.分组转发 

IP数据报又叫IP分组，所以这一系列操作叫分组转发。 

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假设：某学校申请了一个B类地址段 166.1.x.x，某公司申请了一个C类地址段200.1.1.x。

学校路由器如果收到一个IP分组，就会检查IP分组首部的这个目的地址。从这个目的地址当中拆分出网络号。

然后用目的地址的网络号和自己的这个转发表进行对比，如果一个IP分组的目的网络号的前16个比特能够和166.1.能够匹配上，说明这个IP分组是要发给166.1.这个网络内部的某一个节点的，
那么就会把这个IP分组从B2这个接口转发。 

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数据报发送到相同网络H1⇒H6

数据报发送到不同网络H1⇒H7

IP数据报内部的原地址和目的地址一直都没变。

IP数据报封装成帧之后，MAC帧的MAC地址在整个转化过程当中是一直在变化的。

 数据报发送到互联网上H1⇒Internet的另一个节点

2.2.1.3.一些特殊用途的IP地址

这些特殊地址不能指派给网络中的任何一台主机或路由器“私用”。

（Y表示非全0或非全1的任何数）

网络号	主机号	作为分组源地址?	作为分组目的地址?	代表的含义
Y	00……00	❌	❌	表示整个网络本身 (只能用于路由表、转发表)
Y	11……11	❌	✅	向网络号为Y的网络广播IP分组

以上两行说明，如果一个网络中，主机号占，那么这个网络中，最多支持台主机或路由器。

网络号	主机号	作为分组源地址?	作为分组目的地址?	代表的含义
00……00	Y	✅	❌	表示本网络中主机号为Y的主机

网络号	主机号	作为分组源地址?	作为分组目的地址?	代表的含义
00……00	00……00	✅	❌	本网络上的本主机 (会在DHCP协议中使用)
11……11	11……11	❌	✅	向本网络（局域网）广播IP分组

以上两种IP地址可能会配合使用。  

第一行的全0的IP地址通常是用于一个主机刚开始接入网络的时候。

一台主机刚开始接入网络的时候没有IP地址，为了让自己拥有一个IP地址，这台主机需要广播一个DHCP报文来让自己获得一个IP地址，这个报文的源地址就只能先写成00……00，目的地址写成11……11。把这个DHCP报文封装成一个IP数据报，那么这个IP数据报就会被广播到整个网络当中的每一个节点。在一个内部网络当中，通常会有一个专用的这个DHCP服务器（一台特殊的主机），专门负责给各个节点分配IP地址。DHCP服务器收到这个DHCP报文之后，就会给申请IP地址的这个主机返回另一个DHCP报文，包含分配的IP地址。

网络号	主机号	作为分组源地址?	作为分组目的地址?	代表的含义
127	Y	✅	✅	环回自检地