网络层

在计算机网络领域，网络层应该向运输层提供怎样的服务（“面向连接”还是“无连接”）曾引起了长期的争论。
争论焦点的实质就是：在计算机通信中，可靠交付应当由谁来负责？是网络还是端系统？

网络层提供的两种服务

虚电路服务

让网络负责可靠交付

使用面向连接的通信方式

通信之前先建立虚电路 (Virtual Circuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源

H1 发送给 H2 的所有分组都沿着同一条虚电路传送

分组，存储转发，虚拟连接

数据报服务

网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务

网络层不提供服务质量的承诺

尽最大努力交付

由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉

如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的运输层负责可靠交付（包括差错处理、流量控制等）

采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用

H1 发送给 H2的分组可能沿着不同路径传送

虚电路服务与数据报服务的对比

网际协议 IP

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三个协议：

地址解析协议 ARP
```
(Address Resolution Protocol)
```
网际控制报文协议 ICMP
(Internet Control Message Protocol)
网际组管理协议 IGMP
(Internet Group Management Protocol)

虚拟互连网络

将网络互相连接起来要使用一些中间设备。
中间设备又称为中间系统或中继 (relay)系统。
有以下五种不同的中间设备：

物理层中继系统：转发器 (repeater)。
数据链路层中继系统：网桥或桥接器 (bridge)。
网络层中继系统：路由器 (router)。
网桥和路由器的混合物：桥路器 (brouter)。
网络层以上的中继系统：网关 (gateway)。

网络互连使用路由器

当中继系统是转发器或网桥时，一般并不称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。
网关由于比较复杂，目前使用得较少。
网络互连都是指用路由器进行网络互连和路由选择。
由于历史的原因，许多有关 TCP/IP 的文献将网络层使用的路由器称为网关

互连网络与虚拟互连网络

虚拟互连网络的意义

所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，利用 IP 协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。

使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为IP 网

使用虚拟互连网络的好处是：当互联网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节

如果在这种覆盖全球的 IP 网的上层使用 TCP 协议，那么就是现在的互联网 (Internet)

分类的 IP 地址

IP 地址及其表示方法

IP 地址就是给每个连接在互联网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的32 位 的标识符

IP 地址现在由互联网名字和数字分配机构ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配

IP 地址的编址方法

分类IP 地址。这是最基本的编址方法，在 1981 年就通过了相应的标准协议。
子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准[RFC 950] 在 1985 年通过。
构成超网。这是比较新的无分类编址方法。1993 年提出后很快就得到推广应用

分类 IP 地址

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，而另一个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）

总位数是确定的，而网络号和主机号不是确定长度

主机号有多少位就有2^(n-m)-2个主机，网络号就有2^(32-n)-2个网段

习题

IP 地址与硬件地址

IP 地址与硬件地址是不同的地址

从层次的角度看：

硬件地址（或物理地址）是数据链路层和物理层使用的地址
IP 地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（称 IP 地址是逻辑地址是因为 IP 地址是用软件实现的）

对应abce类IP地址的默认子网掩码是把网络号全部写为1，主机号为0

路由器的 IP 地址并不出现在 IP 数据报的首部中

在具体的物理网络的链路层只能看见 MAC 帧而看不见 IP 数据报

地址解析协议 ARP

已经知道了一个机器（主机或路由器）的IP地址，如何找出其相应的硬件地址？地址解析协议 ARP 就是用来解决这样的问题的

ARP 作用：从网络层使用的 IP 地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址

ARP IP->MAC

RARP MAC->IP

ARP分组请求

ARP 高速缓存的作用

存放最近获得的 IP 地址到 MAC 地址的绑定，以减少 ARP 广播的数量

TTL:地址映射有效时间

发送广播：前面全为1，后面全为1

发送ARP为广播传输，响应为1对1

以太网1500字节数据1480

生存时间：防止无限传输

IP 数据报的格式

IP数据报=首部+数据部分

首部=固定部分+可变部分

固定部分=20字节，是IP数据报必须有的部分；可选字段长度可变

版本：IP协议版本

首部长度：占四个位，最大15个单位，单位为4个字节；所以首部长度最多60个字节

总长度：16位；单位为字节；数据报最长长度为2^16 - 1=65535字节

总长度必须不超过最大传送单元 MTU（我们规定不能超过1500字节）

标识：同一数据包的切片相同

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 (More Fragment)。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 (Don’t Fragment) 。只有当 DF = 0 时才允许分片

片偏移：占13 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

生存时间：生存时间——占8 位，记为 TTL (Time To Live)，
指示数据报在网络中可通过的路由器数的最大值

例题

划分子网和构造超网

划分子网

使用子网时分组的转发

无分类编址 CIDR(考点)

互联网的路由选择协议

有关路由选择协议的几个基本概念

内部网关协议 RIP

RIP 协议的三个特点

(1) 仅和相邻路由器交换信息。
(2) 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。
(3) 按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔 30 秒。当网络拓扑发生变化时，路由器也及时向相邻路由器通告拓扑变化后的路由信息。

内部网关协议 OSPF

三个要点

向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法。
发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。
“链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。
只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。

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