突破编程_C++_网络编程（TCPIP 四层模型（网络层（1））

1 网络层概述

TCP/IP 四层模型中的网络层是模型中的核心组成部分，它主要负责处理数据包的路由和转发，确保数据能够在源主机和目标主机之间准确地传输。

一、主要功能

网络层的主要功能是实现数据包的选路和转发。当数据从应用层传输到传输层后，传输层将其封装成数据包（通常称为段），并传递给网络层。网络层根据数据包中的目的地址信息，确定数据包应该通过哪些路由器或交换机进行转发，最终到达目标主机。

为了实现这一功能，网络层使用了 IP（Internet Protocol，互联网协议）作为其核心协议。IP 协议定义了在网络中如何寻址、传递和分配数据包。每个数据包都包含源 IP 地址和目的 IP 地址，这样网络层就可以根据这些地址信息来确定数据包的传输路径。

二、其他协议

除了 IP 协议外，网络层还包含了一些其他的协议，以支持更复杂的网络功能和错误处理。例如，ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议）用于在网络中传递错误消息。当数据包在网络中传输时，如果遇到问题（如无法到达目的地址或数据包过期），ICMP协议会生成相应的错误消息并返回给源主机，以便源主机能够采取相应的处理措施。

三、路由选择

网络层还负责路由选择，即根据网络拓扑结构、链路状态、路由算法等信息，选择最佳的数据包传输路径。这通常涉及到动态路由协议（如 OSPF、BGP 等）和静态路由配置。动态路由协议允许路由器之间交换路由信息，并根据网络变化自动调整路由表；而静态路由则需要管理员手动配置路由条目。

四、安全性与可靠性

网络层还涉及一些安全性和可靠性的考虑。例如，IPsec（IP 安全性）协议提供了对网络层数据包的加密和认证功能，以确保数据在传输过程中的机密性和完整性。此外，网络层还通过一些机制（如分片与重组、流量控制等）来确保数据包的可靠传输。

2 网络层与 OSI 七层模型中网络层的比较

TCP/IP 四层模型与 OSI 七层模型都是用于描述计算机网络通信的架构模型，但它们之间存在一些显著的差异。特别是在网络层这一部分，两种模型虽然有着相似的功能和作用，但在具体的实现和应用上却有所不同。以下是对 TCP/IP 四层模型中网络层与 OSI 七层模型中网络层的详细比较：

一、定义与功能

TCP/IP 四层模型中的网络层主要负责处理数据包（在 TCP/IP 中通常称为数据报）的路由和转发，确保数据能够从源主机准确地传输到目标主机。它使用 IP 协议作为核心，处理机器之间跨多个网络的路由，并管理网络名称和地址。

OSI 七层模型中的网络层则位于数据链路层和应用层之间，它同样负责数据的路由和转发，但更注重于为数据提供可靠的传输路径。OSI 网络层关注于将数据从源端经过若干个中间节点传送到目的端，并为此提供最基本的端到端的数据传送服务。

二、协议与组件

TCP/IP 网络层的主要协议包括 IP 协议、ICMP 协议、ARP 协议等。这些协议共同协作，实现数据包的封装、寻址、路由选择和转发等功能。

OSI 网络层则包含更多的协议和组件，如 X.25 协议、综合业务数据网（ISDN）、异步传输模式（ATM）等。这些协议和组件提供了更丰富的网络服务和功能，以满足不同应用场景的需求。

三、关注点与优化

TCP/IP 网络层更注重于实际应用的效率和性能。它采用了一系列优化措施，如分片与重组、流量控制等，以确保数据能够高效、可靠地传输。此外，TCP/IP 网络层还关注于安全性，通过 IPsec 等协议提供对网络层数据包的加密和认证功能。

OSI 网络层则更关注于网络的标准化和通用性。它定义了一系列通用的网络服务和接口，以便不同的网络设备和应用可以无缝地连接和通信。OSI 网络层还关注于网络的扩展性和灵活性，以适应不断变化的网络环境。

四、实际应用与影响

TCP/IP 模型由于其简洁性和实用性，在实际应用中得到了广泛的采用。互联网以及大多数现代计算机网络都是基于 TCP/IP 协议栈构建的。TCP/IP 网络层的优秀设计使得这些网络能够高效地处理大量数据传输任务。

OSI 模型虽然提供了对网络通信的详尽描述和标准化，但在实际应用中并没有得到广泛采用。这主要是因为 OSI 模型过于复杂和庞大，难以在实际网络环境中实现。然而，OSI 模型对于网络研究和教学仍然具有重要意义，它提供了一种理解和分析网络通信的有效框架。

3 网络层基础

3.1 IP 地址

一、IP地址

IP地址，即互联网协议地址，是分配给连接到互联网的设备的一个数字标签。它用于在网络层中标识和定位设备，确保数据包能够准确地送达目标设备。每个IP地址都是唯一的，由网络部分和主机部分组成。

IP地址可以分为四个类别：A 类、B 类、C 类和 D 类。每个类别的IP地址范围、网络部分和主机部分的位数都有所不同。例如，A 类地址的网络部分占用前 8 位，主机部分占用后 24 位；而C类地址的网络部分占用前 24 位，主机部分占用后 8 位。这种分类方式有助于根据网络规模选择合适的 IP 地址类别。

A类 IP 地址：

• A 类 IP 地址由 1 字节的网络地址和 3 字节的主机地址组成。网络地址的最高位必须是“0”。
• 地址范围从 1.0.0.0 到 126.0.0.0。
• A 类地址通常用于大型网络，每个网络可以容纳超过 1 亿个主机。

B 类 IP 地址：

• B 类 IP 地址由 2 字节的网络地址和 2 字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”。
• 地址范围从 128.0.0.0 到 191.255.255.255。
• B 类地址适用于中等规模的网络。

C 类 IP 地址：

• C 类 IP 地址由 3 字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。
• 范围从 192.0.0.0 到 223.255.255.255。
• C 类地址通常用于小型网络，每个网络能容纳 254 个主机。

D 类 IP 地址：

• D 类地址不用于标识具体的网络设备，而是用于多播（Multicast）地址，即一个数据包可以发送给多个目标设备。
• D 类 IP 地址的第一个字节以“1110”开始，地址范围从 224.0.0.0 到 239.255.255.255。

3.2 子网划分

在网络层中，子网划分是一个核心概念，它用于将一个大的网络分割成若干个子网络，以提高IP地址的利用率和网络的灵活性。

（1）子网划分的基本原理

子网划分的基本思想是通过改变 IP 地址的默认子网掩码，来重新定义网络地址和主机地址的边界。默认情况下，IP 地址根据类别（A 类、B 类、C 类）来划分网络部分和主机部分。但子网划分允许我们根据实际需求，自定义这些边界，从而更精细地控制网络地址的分配。

子网掩码是实现子网划分的关键。它是一个 32 位的二进制数，与 IP 地址一起使用，来确定哪些位是网络地址，哪些位是主机地址。例如，对于一个C类地址（如 192.168.1.0），默认的子网掩码是 255.255.255.0。通过改变这个子网掩码，我们可以将网络划分为更小的子网。

（2）子网划分的步骤

• 确定原始网络和子网掩码：首先，需要知道原始的IP地址范围和子网掩码。
• 计算可用主机数：根据原始子网掩码，计算每个子网中可用的主机数。
• 确定新的子网掩码：根据所需的子网数量和每个子网中的主机数，确定新的子网掩码。
• 划分子网：使用新的子网掩码，将原始网络划分为多个子网。
• 分配IP地址：为每个子网分配IP地址范围，并确保它们不会重叠。

（3）示例

假设我们有一个 C 类网络地址 192.168.1.0，默认的子网掩码是 255.255.255.0。现在，我们希望将这个网络划分为 4 个子网，每个子网中至少有 10 台主机。

• 计算可用主机数：原始的子网掩码 255.255.255.0 意味着前 24 位是网络地址，后 8 位是主机地址。因此，每个子网最多可以有 2^8-2=254 台主机（减去网络地址和广播地址）。

• 确定新的子网掩码：由于我们需要 4 个子网，我们需要至少 2 位来表示这些子网。这意味着我们需要从主机地址中借用 2 位作为网络地址。因此，新的子网掩码将是 255.255.255.192（即 11111111.11111111.11111111.11000000）。

• 划分子网：使用新的子网掩码，我们可以将网络划分为以下4个子网：

192.168.1.0/26（网络地址：192.168.1.0，主机范围：192.168.1.1-192.168.1.62）
192.168.1.64/26（网络地址：192.168.1.64，主机范围：192.168.1.65-192.168.1.126）
192.168.1.128/26（网络地址：192.168.1.128，主机范围：192.168.1.129-192.168.1.190）
192.168.1.192/26（网络地址：192.168.1.192，主机范围：192.168.1.193-192.168.1.254）

• 分配IP地址：现在，每个子网都有足够的IP地址供至少10台主机使用。你可以根据需要为每个子网分配IP地址。

3.3 CIDR

CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类域间路由选择）是 TCP/IP 四层模型中网络层的一种 IP 地址分配和路由选择技术。这种技术相较于传统的IP地址分类方式，提供了更加灵活和高效的 IP 地址管理方案。

CIDR 的核心思想在于打破了基于类别的 IP 地址分配限制，引入了可变长度子网掩码（VLSM）的概念。通过 CIDR，管理员可以根据实际需求，灵活地调整网络前缀的长度，从而实现对 IP 地址空间的更高效利用。

在CIDR 中，IP 地址被划分为网络前缀和主机标识符两部分。网络前缀用于标识网络地址，而主机标识符则用于标识网络内的具体主机。这种划分方式使得 IP 地址的分配更加灵活，能够适应不同规模的网络需求。

CIDR 使用一个斜线后跟一个数字来表示前缀长度，例如 192.168.0.0/16。在这个例子中，“/16”表示前 16 位是网络部分，剩下的位则是主机部分。这种表示法使得我们可以快速判断一个 IP 地址属于哪个网络。

CIDR 的引入带来了诸多好处。首先，它提高了 IPv4 地址空间的分配效率，减少了 IP 地址的浪费。其次，CIDR 使得路由表更加简洁，提高了路由选择的效率。此外，CIDR 还有助于简化网络管理，降低网络维护成本。

在实际应用中，CIDR 使得网络管理员能够更加精确地控制IP地址的分配和使用。例如，在划分子网时，管理员可以根据子网内主机的数量，灵活地调整网络前缀的长度，从而确保每个子网都能得到足够的IP地址资源。

3.3 VLSM

VLSM（Variable Length Subnet Mask，可变长子网掩码）是网络层的一个关键概念，它允许网络管理员根据实际需求定制子网的大小，从而实现更灵活和高效的IP地址管理。

（1）VLSM 的基本原理

在传统的 IP 地址分配中，子网掩码是固定的，因此每个子网的大小也是固定的。这可能导致某些子网中 IP 地址的浪费，而另一些子网则可能面临 IP 地址不足的问题。VLSM 通过引入可变长的子网掩码，打破了这种限制，使得每个子网可以有不同的大小。

VLSM 的核心思想是从主机位中借用几位作为网络位，从而扩展网络部分的位数。通过调整子网掩码的长度，可以精确地控制每个子网的大小和范围。

（2）VLSM 的应用

VLSM 主要应用于大型网络环境中，特别是在需要精细控制 IP 地址分配和路由选择的情况下。它可以帮助网络管理员更有效地利用IP地址空间，减少地址浪费，并简化网络管理。

（3）示例

假设我们有一个 C 类网络地址 192.168.1.0，默认的子网掩码是 255.255.255.0。现在，我们希望将这个网络划分为两个大小不同的子网。

• 确定原始网络和子网掩码：

原始网络地址：192.168.1.0
原始子网掩码：255.255.255.0

• 计算可用主机数：

在默认子网掩码下，每个子网可以有 254 个可用主机地址（减去网络地址和广播地址）。

• 确定新的子网掩码：

我们希望将网络划分为两个子网，一个大子网和一个小子网。假设大子网需要 200 个主机地址，小子网需要 50 个主机地址。
对于大子网，我们需要一个能够容纳 200 个主机的子网掩码。由于 2^8 = 256，我们可以使用/24（即 255.255.255.0）作为子网掩码，这将提供足够的地址空间。
对于小子网，我们需要一个能够容纳 50 个主机的子网掩码。由于 2^7 = 128，我们可以使用/27（即 255.255.255.224）作为子网掩码。

• 划分子网：

使用/24作为大子网的子网掩码，保持原始网络地址 192.168.1.0 不变。
对于小子网，我们需要从原始网络中借用几位作为网络位。从主机位中借用 3 位（因为 2^3 = 8，足够区分两个子网），得到新的子网地址 192.168.1.32（二进制表示为 11000000.10101000.00000001.00100000）。小子网的子网掩码为 255.255.255.224。

• 分配IP地址：

大子网的IP地址范围为 192.168.1.1 至 192.168.1.254（除去网络地址和广播地址）。
小子网的IP地址范围为 192.168.1.33 至 192.168.1.62（同样除去网络地址和广播地址）。

通过这个示例，我们可以看到 VLSM 如何允许我们根据实际需求创建不同大小的子网，从而更有效地利用 IP 地址空间。这种灵活性使得 VLSM 成为大型和复杂网络环境中不可或缺的工具。

3.4 超网

超网（Supernetting）是一种 IP 地址分配技术，主要用于简化路由表，提高网络的可扩展性和灵活性。超网通过聚合多个连续的子网，形成一个更大的、逻辑上统一的网络，从而减少了路由表中的条目数量，降低了路由器的处理负担。

（1）超网的基本原理

在传统的 CIDR（无类别域间路由）技术中，IP 地址被划分为网络前缀和主机标识符两部分。通过改变网络前缀的长度，CIDR 可以灵活地划分不同大小的子网。然而，随着网络规模的扩大和子网数量的增加，路由表的复杂性也会不断上升，给网络管理带来挑战。

超网技术就是在 CIDR 的基础上进一步发展的。它通过将多个连续的 CIDR 块聚合成一个更大的网络，简化了路由表的结构。具体来说，超网技术允许我们定义一个比单个子网更长的网络前缀，从而将多个子网合并成一个超网。这样做的好处是减少了路由表中需要维护的子网数量，降低了网络管理的复杂性。

（2）超网的实现方式

实现超网的关键在于确定一个合适的网络前缀长度，以便将多个连续的 CIDR 块合并成一个超网。这通常需要根据网络的实际情况和需求进行权衡和选择。一旦确定了网络前缀长度，就可以将多个 CIDR 块聚合到一个超网中，并在路由表中用一条记录来表示这个超网。

（3）示例

假设我们有以下四个连续的CIDR块：

• 192.168.0.0/24
• 192.168.1.0/24
• 192.168.2.0/24
• 192.168.3.0/24

这四个 CIDR 块都是/24 的，意味着它们各自有 256 个 IP 地址（其中 2 个用于网络地址和广播地址，剩下 254 个可用于主机）。如果我们想将这四个 CIDR 块合并成一个超网，可以选择一个更长的网络前缀。在这个例子中，我们可以选择/22 作为超网的网络前缀。

上面/22 的前缀意味着前 22 位是网络地址，后 10 位是主机地址。这样，我们就可以将上述四个 CIDR 块合并成一个 192.168.0.0/22 的超网。这个超网包含了从 192.168.0.0 到 192.168.3.255 的所有 IP 地址。

在路由表中，我们只需要一条记录来表示这个超网，而不是四条记录来分别表示四个 CIDR 块。这大大简化了路由表的结构，提高了路由器的处理效率。

（4）超网的优势

超网技术的优势主要体现在以下几个方面：

• 简化路由表：通过聚合多个子网成一个超网，减少了路由表中的条目数量，使得路由表更加简洁。
• 提高路由效率：减少了路由器的处理负担，提高了数据包转发的速度和准确性。
• 增强网络可扩展性：随着网络的扩展，可以通过调整超网的网络前缀长度来适应不同的需求，保持网络的灵活性和可扩展性。

3.5 私有 IP 地址

私有 IP 地址主要用于在本地局域网中标识设备，确保它们可以相互通信。与公有 IP 地址（即互联网上全局可达的IP地址）不同，私有IP地址不会在互联网上路由，因此它们只能在特定范围内使用。

私有 IP 地址范围由 IANA（Internet Assigned Numbers Authority）保留，主要包括以下三个范围：

• 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
• 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
• 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

这些地址范围被专门用于私有网络，如家庭网络、办公室局域网、数据中心等场景。在这些场景中，私有 IP 地址可以确保局域网内的设备之间可以通信，而不会与其他网络的设备发生冲突。

在选择私有 IP 地址时，企业需要注意以下几点：

• 避免与常见的网络设备或应用程序自动分配的 IP 地址范围重叠，如 192.168.0.0 和 192.168.1.0 段，以减少 IP 地址冲突或其他故障的可能性。
• 可以采用 C 类地址的子网掩码，并根据需要采用变长子网掩码，以获取更多的 IP 网段，并使每个子网中所容纳的计算机数量更为适宜。

通过合理使用私有 IP 地址，网络管理员可以更加灵活和高效地管理本地局域网内的设备，确保它们之间的通信顺畅，同时避免与互联网上的其他设备发生冲突。

3.6 NAT

NAT（Network Address Translator，网络地址转换）用于在私有网络和公共网络之间转换地址。NAT 允许一个私有网络（如一个家庭或企业的内部网络）中的设备使用私有 IP 地址，并通过一个公共 IP 地址与外部网络（如互联网）进行通信。

NAT 的主要功能包括地址转换和端口转换。

• 地址转换：当私有网络中的设备要访问外部网络时，NAT 设备（如路由器或防火墙）会为该设备分配一个临时的公共 IP 地址。这通常是通过修改设备发送的数据包中的源 IP 地址来实现的，将私有 IP 地址替换为公共 IP 地址。这样，外部网络就可以通过这个公共 IP 地址与私有网络中的设备进行通信。
• 端口转换：NAT 还负责处理端口转换。当外部网络响应私有网络中的设备时，NAT 设备会将响应数据中的目标公共 IP 地址和端口号转换回原始的私有 IP 地址和端口号。这样，私有网络中的设备就能正确地接收到外部网络的响应。

NAT 的使用有几个主要优点：

• 节省公共 IP 地址：由于多个私有设备可以共享一个公共 IP 地址，NAT 有助于节省公共IP地址资源。
• 提高安全性：通过隐藏私有网络的内部结构和设备，NAT 提供了一定程度的安全保护，使得外部网络难以直接访问私有网络中的设备。
• 简化网络管理：NAT 可以简化网络地址配置和管理任务，特别是在大型网络中。

然而，NAT也有一些潜在的缺点，如可能增加网络延迟、在某些情况下可能导致通信问题（如某些基于端到端连接的应用可能无法正常工作），以及可能增加网络日志和追踪的难度。