计算机网络-网络层详细讲解（持续更新中）

创始人

2024-03-09 10:02:52

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网络层概述

网络层的主要任务是实现网络互连，进而实现数据包在各网络之间的传输。

要实现网络层主要任务，需要解决以下主要问题：

网络层向运输层提供怎样的服务（“可靠传输”还是“不可靠传输‘）
网络层寻址问题
路由选择问题

因特网（Internet）是目前全世界用户数量最多的互联网，它使用TCP/IP协议栈。

由于TCP/IP协议栈的网络层使用网际协议IP，它是整个协议栈的核心协议，因此在TCP/IP协议栈中网络层常称为网际层。

综上所述，我们通过学习TCP/IP协议栈的网际层来学习网络层的理论知识和实践技术。

网络层提供的两种服务

面向连接的虚电路服务

可靠通信由网络自身来保证
当两台计算机进行通信时，必须建立网络层的连接——虚电路VC(Virtual Circuit)
通信双方沿着已建立的虚电路发送分组
目的主机的地址仅在连接建立阶段使用，之后每个分组的首部只需携带一条虚电路的编号（构成虚电路的每一段链路都有一个虚电路编号）
这种通信结束后，需要释放之前所建立的虚电路。
很多广域分组交换网都使用面向连接的虚电路服务。例如，曾经的X.25和主键过时的帧中继FR、异步传输模式ATM等。

无连接的数据报服务

可靠通信应当由用户主机来保证
不需要建立网络层连接
每个分组可走不同的路径
每个分组的首部必须携带目的主机的完整地址
这种通信方式所传送的分组可能误码、丢失、重复和失序。
由于网络本身不提供端到端的可靠传输服务。这就使网络中的路由可以做的比较简单，而且加个低廉（与电信的交换机相比较）。
因特网采用了这种设计思想，也就是将复杂的网络处理功能置于因特网的边缘（用户主机和其内部的运输层），而将相对简单的尽最大努力和分组交付功能置于因特网的核心。

采用这种思想的好处：网络的造价大大降低、运行方式灵活、能够适应多种应用

由于TCP/IP体系结构的因特网的网际层提供的是简单灵活、无连接的、尽最大努力交付的数据服务，因此本博客主要围绕网际层如何传送IP数据报这个主题进行讨论。

IPv4地址

IPv4地址概述

概述

IPv4地址就是给因特网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32比特的标识符。
IP地址由因特网名字和数字分配机构ICANN进行分配。我国用户可向亚太网络信息中心APNIC申请IP地址，需要缴费。 2011年2月3日，互联网号码分配管理局IANA(由ICANN行使职能)宣布，IPv4地址已经分配完毕。我国在2014年至2015年已逐步停止了向新用户和应用分配IPv4地址。同时全面开展商用部署IPv6。
IPV4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段：

表示方法

32比特的IPv4地址不方便阅读、记录以及输入等，因此IPV4地址采用点分十进制表示方法以方便用户使用

分类编址的IPv4

A类地址

8位网络号第一个固定为0

可指派的网络数量为 $2^{(8-1)}$ -2=126 （减2的原因是除去最小网络号0和最大网络号127）

每个网络中可分配的IP地址数量为 $2^{24}$ -2=16777214（减2的原因是除去主机号全0的网络地址和全1的广播地址）

B类地址

16位网络号前两位固定为10

可指派的网络数量为 $2^{(16-2)}$ =16384

每个网络中可分配的IP地址数量为 $2^{16}$ -2=65534（减2的原因是除去主机号为全0的网络地址和全1的广播地址）

C类地址

24位网络号前三位固定为110

可指派的网络数量为 $2^{(24-3)}$ =2097152

每个网络中可分配的IP地址数量为 $2^{8}$ -2=254（减2的原因是除去主机号为全0的网络地址和全1的广播地址）

练习

划分子网的IPv4地址

首先我们先来说明以下为什么要将IPv4地址划分子网。

如图：某单位有一个大型的局域网需要连接到因特网。申请了一个B类的网络地址，因此分配IP地址的数量达到了65534个，给每台计算机和路由器的接口分配一个IP地址后，还有大量IP地址剩余，这些剩余的IP地址只能由该单位的同一个网络使用，而其他单位的网络不能使用。

随着发展需要将原来三个网络划分成三个独立的网络，需要将原来的网络划分成三个独立的网络假设子网1仍然使用原先申请到的B类网络地址，那么就需要为子网2和子网3个字申请一个网络地址。

为新增网络申请新的网络号会带来以下弊端：

需要等待时间和花费更多的费用
会增加其他路由器中路由表记录的数量
浪费原有网络中剩余的大量IP地址

为避免这种情况出现，可以从主机号部分借用一部分作为子网号，如图

子网掩码

32比特的子网掩码可以表明分类IP地址的主机号部分被借用了几个比特作为子网号

子网掩码使用连续的比特1来对应网络号和子网号
子网掩码使用连续的比特0来对应主机号
将划分子网的IPv4地址与其相应的子网掩码进行逻辑与运算就可以得到IPv4地址所在子网的网络地址

划分子网的细节

【举例】已知某个网络的地址是 218.75.230.0，使用子网掩码255.255.255.128对其进行子网划分，请给出划分细节。

【解析】

由网络号可知是C类网络地址

子网掩码

所以划分出的子网数量 $2^{1}$ =2

每个子网可分配的地址数量 $2^{(8-1)}$ -2=126（减2是要去掉主机号为“全0”的网络地址和“全1”的广播地址）

练习

【习题】已知某个网络的地址为218.75.230.0，使用子网掩码255.255.255.192对其进行子网划分，请给出划分细节。

【2019年题39】某主机的IP地址为180.80.77.55，子网掩码为255.255.252.0，如该主机向其所在子网发送广播分组,则目的地址可以是

默认子网掩码

默认的子网掩码是指在未划分子网的情况下使用的子网掩码。

无分类编址的IPv4地址

划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难，但是数量巨大的C类网因为其地址空间太小并没有得到充分使用，而因特网的IP地址仍在加速消耗，整个IPv4地址空间面临全部耗尽的威胁。
为此，因特网工程任务组IETF又提出了采用无分类编址的方法来解决IP地址紧张的问题，同时还专门成立IPv6工作组负责研究新版本IP以彻底解决IP地址耗尽问题。
1993年，IETF发布了无分类域间路由选择CIDR的RFC文档
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；
CIDR可以更加有效地分配IPv4的地址空间，并且可以在新的IPv6使用之前允许因特网的规模继续增长。