第四章网络层

4.1_网络层提供的两种服务
- （1）虚电路服务
- （2）数据报服务
4.2_网络协议
- 4.2.1_虚拟互连网络
- 4.2.2_分类的IP地址
- - （1）分类IP地址
  - - 三种分类方法
    - IP 地址的一些重要特点
- 4.2.3_IP地址与硬件地址
- 4.2.4_地址解析协议ARP与逆地址解析协议RARP
- 4.2.5_IP数据报的格式
- 4.2.6_IP层转发分组的流程
三级目录

4.1_网络层提供的两种服务

背景：
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?

（1）虚电路服务

电信网的思路：

虚电路只是一条逻辑上的连接,而并不是真正建立了一条物理连接。

（2）数据报服务

因特网的思路：
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。
无连接：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(不进行编号)。
尽最大努力交付：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(不按序到达终点)，当然也不保证分组传送的时限。可靠传输由网络的主机中的运输层负责(包括差错处理、流量控制等)

4.2_网络协议

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(Address Resolution Protocol)
逆地址解析协议RARP (Reverse 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)
网际层的IP协议及配套协议：

4.2.1_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，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用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。
例如：

4.2.2_分类的IP地址

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。
IP地址的编址方法的发展
分类的IP地址：最基本的编址方法，1981 年就通过了相应的标准协议。
子网的划分：对分类IP地址的改进，其标准[RFC 950]在1985年通过。
构成超网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。
点分十进制记法：

（1）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)。

IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>} 分类的依据就是网络号和主机号各占多少位

三种分类方法

①A类
网络号
可指派的网络号: 126=2⁷-2（因为首位固定是1所以只剩下7位可用）
全零代表本网络，127代表环回测试
主机号
每个网络最大主机数: 2²⁴-2
全零代表该主机所在的网络，全1表示该网络上的所有主机。
A类地址占总IP空间的50%

②B类
网络号
可指派的网络号: 2¹⁴-1
网络地址128.0.0.0不可指派
主机号
每个B类网络包含的主机数: 2¹⁶-2
全零和全1的主机号不可用
B类地址占总IP空间的25%。
③C类
网络号
可指派的网络号: 2²¹-1
192.0.0.0不可用
主机号
每个网络最多包含主机: 2⁸-2
C类地址占总IP空间的12.5%

IP 地址的一些重要特点

① IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是:
第一：IP地址管理机构在分配IP地址时分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了IP地址的管理。
第二：路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组(而不考虑目的主机号)，这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。
②当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP地址，其网络号net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomed host)。
由于一个路由器至少应当连接到两个网络(这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络)，因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址。
③用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号net-id 。
④所有分配到网络号net-id的网络，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。

4.2.3_IP地址与硬件地址

从协议栈的层次上看数据的流动、从虚拟的 IP 层上看 IP 数据报的流动、在链路上看 MAC 帧的流动

在 IP 层抽象的互联网上只能看到 IP 数据报图中的 IP1→IP2 表示从源地址 IP1 到目的地址 IP2,两个路由器的 IP 地址并不出现在 IP 数据报的首部中（而如何实现两个相邻的点的传递呢？是根据数据链路层上的MAC帧的源和目的地址）

4.2.4_地址解析协议ARP与逆地址解析协议RARP

不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。
每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有连接在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。
当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。

4.2.5_IP数据报的格式

4.2.6_IP层转发分组的流程

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