计算机网络：网络层

0 本节主要内容

问题描述
解决思路

1 问题描述

两大问题（重点，也是难点）：

• 地址管理；
• 路由选择。

1.1 子问题1：地址管理

网络上的这些主机和节点都需要使用一种规则来区分，就相当于是一种身份标识；

涉及到的知识点有：

• 分类IP地址、CIDR、子网划分、超网；
• ARP协议；
• NAT，网络地址转换。

1.2 子问题2：路由选择

从主机A传输到主机B，由于A和B需要跨越很多网络设备，数据在传输过程中需要选择路径。

涉及到的知识点有：

• IP数据报：各个字段的含义、IP分片；
• RIP；
• OSPF。

2 解决子问题1：地址管理

2.1 分类IP地址

2 级结构，2 个字段：网络号和主机号
IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>}

2.2 无分类IP地址

CIDR 地址块划分举例：

2.3 子网划分

【例1：定长子网划分】使用IP地址202.113.10.128/25划分4个相同大小的子网，每个子网中能够容纳30台主机。请写出子网掩码、各个子网网络地址及可用的IP地址段。
【例2：变长子网划分】某单位有5个部门，需建立5个子网，其中部门1、2有60台主机，部门3有25台主机，部门4、5分别有10台主机，现有一个内部C类地址：192.168.1.0.请为该单位进行IP地址划分。

2.4 超网

路由聚合：

2.5 ARP协议

IP 地址与 MAC 地址：

• IP地址：虚拟地址、软件地址、逻辑地址。网络层和以上各层使用。放在 IP 数据报的首部。
• MAC地址：固化在网卡上的 ROM 中。硬件地址、物理地址。数据链路层使用。放在 MAC 帧的首部。
  
  
  
  问题：已经知道了一个机器（主机或路由器）的 IP 地址，如何找出其相应的 MAC 地址？
  

2.6 NAT网络地址转换

问题：在专用网上使用专用地址的主机如何与互联网上的主机通信（并不需要加密）？
解决：

• 再申请一些全球 IP 地址。但这在很多情况下是不容易做到的。
• 采用网络地址转换 NAT。这是目前使用得最多的方法。
  
  NAPT 地址转换表举例：
  

3 解决子问题2：路由选择

3.1 IP数据报

3.2 IP分片

3.3 路由器转发算法

主机 H1 发送出的、目的地址是 128.1.2.132 的分组是如何转发的？

用 5 个唯一前缀构成的二叉线索：

在二叉线索中查找 IP 地址：

3.4 RIP协议

对每个相邻路由器（假设其地址为 X）发送过来的 RIP 报文，路由器：

3.5 OSPF协议

• 开放最短路径优先 OSPF (Open Shortest Path First)是为克服 RIP 的缺点在 1989 年开发出来的。
• 原理很简单，但实现很复杂。
• 使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF。
• 采用分布式的链路状态协议 (link state protocol)。
• 现在使用 OSPFv2。