【计算机网络】网络层-数据平面（学习笔记）

一、网络层提供的服务

1、虚电路服务

通讯前建立虚电路，发送前认为选择路径，所以分组沿着同一条虚电路。

特点：带宽固定

2、数据报服务

数据可能沿着不同路径传输

3、网络层的两个层面

数据层面：源主机到目标主机

控制层面：路由器之前传递路由信息

同一网段：直接交付

非同一网段：间接交付

路由器基本功能：不同网段数据的转发

4、互联网络与虚拟互联网络

二、IP协议

1、IP地址

1）IP地址概述

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，而另个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）。

IP地址：网络号+主机号

32位（4字节）

点分十进制：每8个字节二进制转换成10进制，用.分隔

2）IP地址的分类

以ip地址第一位区分

1. A类：1-126：默认255.0.0.0
2. B类：128-191：默认255.255.0.0
3. C类：192-223：默认255.255.255.0
4. D类：224-239：多播/组播（一个地址代表一组）
5. E类：240-254：科研保留

127.0.0.1：回环地址localhost

xxx.xxx.0.0：本网络（网段）

xxx.xxx.255.255：广播地址

192.0.0.0、128.0.0.0：未指派

3）IP地址的特点

IP地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口

当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机。

由于一个路由器至少应当连接到两个网络，这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络。因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址

用转发器、网桥或交换机连接起来的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（内网转发）

所有分配到网络号net-id的网络，无论范围大小都是平等的

2、ARP地址解析协议

1）ARP概要

不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用MAC地址

每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存（ARP cache），里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表

查看arp缓存：cmd => arp -a

ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题

2）ARP过程

3）RARP逆地址解析协议

逆地址解析协议 RARP ：通过MAC地址获得IP地址

3、IP数据报格式

1）版本：4

区分ipv4和ipv6

0100（ipv4包头）

0110（ipv6包头）

2）首部长度：4

IP包头的长度是可变的：20~60字节，大多为20字节

首部长度存储ip包头的长度，0101（20字节）

首部长度以4字节为单位

首部长度 * 4字节 = 首部真实长度

3）区分服务：8

1-3位：优先级

4-7位：服务类型（低延迟、高通道服务类型）

8位：未被启用

4）总长度：16

表明整个IP包（三四五层）的总长度

5）标识：16

标识同一个报文的所有分片，由发送端随机生成

标识用于区分不同分片，接收方据此将收到的分片进行"拼接"

6）标志：3

第一个比特

永远为0（未被启用）

第二个比特 DF

不能分片：Donot Fragment

若为0，则表明进行了分片

若为1，则表明未进行分片

第三个比特 MF

更多分片：More Fragment

表明本分片后面是否还有分片（本分片是否为最后一个分片）

1：本分片不是最后一个分片

0：最后一个分片

7）片偏移：13

段偏移量：标志IP分片的先后顺序

片偏移以8字节为单位

片偏移 * 8字节 = 片的真实偏移

防火墙会拦截IP分片：防火墙只让标志位的010通过，则将分片任务交给应用层，应用层将其分成1480的分片

8）TTL：8

TTL（time to live）：防止一个数据包在网络上兜圈子

TTL由8个比特组成（0~255），这个数字表示通过路由器的个数，每经过一个路由器TTL值-1

通过TTL初始值可以大概判断对方是什么主机

9）协议：8

6：通向TCP协议

17：通向UDP协议

1： 通向同层的ICMP协议

41：IPv6

10）首部校验和：16

11）原ip：32

12）目标ip：32

13）可选项目

排错、测量、安全…

增加首部的可变部分是为了增加IP数据报的功能，但这同时也使得IP数据报的首部长度成为可变的，这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。

4、划分子网

1）划分子网概述

目的： 隔离网络广播，保证网络的安全，节约IP地址

特点：对内划分子网，对外表现为没有划分子网的网络

IP地址：网络号 + 子网号 + 主机号

2）子网掩码

IP地址无法判断子网号 => 用子网掩码找出IP地址中的子网部分 => 用于（交换机、路由器）判断是否在同一网段

IP地址 AND（按位与） 子网掩码 = 网络地址（网段）

子网掩码两种写法：

1. 点分十进制：192.168.0.1/255.255.255.0
2. 网络位长度：192.168.0.1/24

1. 子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性
2. 路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器
3. 路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码

3）路由聚合

**路由汇聚：**是把一组路由汇聚为一个单个的路由广播。路由汇聚的最终结果和最明显的好处是缩小网络上的路由表的尺寸。

192.128.0.0/25		192.168.2.1
192.128.0.128/25	192.168.2.1=>192.168.0.0/24	192.168.2.1

5、ICMP

1）ICMP概述

网际控制报文协议：ICMP (Internet Control Message Protocol)

ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告

ICMP是IP层的协议。但ICMP报文作位IP层数据报的数据，加上IP包头组成IP数据报发送

2）ping命令

PING (Packet Internet Grope)：因特网包探索器

用于测试网络连接量的程序。Ping发送1个ICMP回声请求消息，给目的地并报告是否收到所希望的ICMP回声应答

cmd / term => ping 域名/ip地址