计算机网络4——网络层
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4.1、虚拟电路与数据报服务
（1）面向连接的通信方式，建立虚电路，保证双方通信所需的一切网络资源。
（2）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。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。
4.2、IP协议
网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一。与IP协议配套使用的还有四个协议：地址解析协议ARP，逆地址解析协议RARP，网际控制报文协议ICMP，网际组管理协议IGMP。
IP地址及编址方式：IP地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的32位的标识符。
4.3、IP地址的三种分类
（1）分类的IP地址——32位二进制代码
几类IP地址的比较
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类别 |
最大网络数 |
第一个可用的网络号 |
最后一个可用的网络号 |
每个网络最大的主机数 |
IP地址的范围 |
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A |
27-2 |
1 |
126 |
224-2=16777214 |
1.0.0.0~126.255.255 |
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B |
214-1 |
128.1 |
191.255 |
216-2=65534 |
128.0.0.0~191.255.255.255 |
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C |
221-1 |
192.0.1 |
223.255.255 |
28-2=254 |
192.0.0.0~233.255.255.255 |
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D |
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224.0.0.0~240.255.255.255 |
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E |
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240.0.0.0~255.255.255.255 |
备注：主机号全为0表示当前主机，127.0.0.0表示当前主机，主机号全为1回环测试。在同一个局域网上的主机和路由器的IP 地址中的网络号必须是一样的路由器的每一个接口都有一个，不同网络号的 IP 地址。
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直接广播地址 |
A类、 B类与C类IP地址中主机号全1的地址 |
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受限广播地址 |
网络号与主机号的32位全为1的地址 （即255.255.255.255） |
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可分配给主机的IP地址 |
主机号不能为全1或者全0 |
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特殊IP地址 |
127.0.0.0表示回环测试地址 0.0.0.0表示本机 |
（2）子网划分分类法（三级划分）
划分子网知识把IP地址中的主机号部分进行再划分，不改变IP地址原来的网络号。需要结合子网掩码判断子网号。
子网掩码：把IP地址中的网络号变为1，主机号变为0即可得到子网掩码。
网络地址：将子网掩码与IP地址进行逐位与运算（同1则为1）。
（3）子无分类编址 CIDR
CIDR 消除了传统的 A 类、 B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间。CIDR使用各种长度的“网络前缀”来代替分类地址中的网络号和子网号，是两级编址。
4.4、IP数据报的格式
IP数据报的格式
- 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。MTU的值是1500字节
- 标识占 16 位，它是一个计数器，用来产生数据报的标识，相同的表示表示同一个IP数据报
- 标志占 3 位，目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是 MF。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。只有当 DF = 0 时才允许分片。
- 片偏移(12 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，所以片偏移要除以8
- 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。数据部分可选长度
4.5、IP地址与物理地址
IP地址是用来做路由选择的，Mac地址是真正传输数据的。
地址解析协议ARP协议——通过IP地址获取MAC地址
- Arp报文是固定长度的，28字节，arp报文封装在帧中，但是arp报文使用了IP地址，没有使用IP协议，属于网络层。
- 当A,B进行一次arp报文传输之后双方都会将对方的IP地址和Mac地址写入自己的arp缓存表中。
- 免费arp，指的是发送方的IP地址是本机IP地址，发出去不希望得到回复，主要是检测这个局域网中是否存在有其他主机占用这个IP地址。
- arp解决同一个局域网内的IP地址和Mac地址的映射，解析不出另一个局域网的IP地址。
- ARP把保存在高速缓存中的每一个映射地址项目都设置生存时间（例如，10 ~ 20分钟）。凡超过生存时间的项目就从高速缓存中除掉，实现动态变化，保证高速缓存中信息的新鲜性。
4.6、IP数据报的转发——路由表
（1）路由表的格式
路由聚合
（2）路由表的转发路径选择——最佳路径
RIP协议（路由信息协议）：每个路由器生成路由表使用的协议
IP协议，对分组封装的协议（注意区分两者的区别）
路由选择协议的分类：距离矢量路由协议（OSPF）和链路状态路由协议(RIP)
路由选择协议要解决的5个问题，看看RIP协议是怎么做的：
1、Best，什么是最佳路由？
RIP 协议中的“距离” 也称为“跳数”，因为每经过一个路由器，跳数就加1。RIP 认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少，即“距离短”。 RIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器
2、 Who，和谁进行交换信息？
仅和相邻路由器交换信息。
3、What，交换什么信息？
交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。
4、 When，何时进行交换信息？
按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔30 秒
5、How，如何计算和更新路由表？
更新新项，对于到达相同的网络若有更短的距离则更新为新的路径等等。
RIP 协议的特点及改进：缺点是好消息传得快，坏消息传的慢。
解决办法：水平分割是一个规则，用来防止路由环路的产生。
规则：从一个接口上学习到的路由信息，不再从这个接口发送出去。
4.7、网络地址转换NAT
NAT的方法
NAPT的方法