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主要内容：

4.1 网络层概述

4.2 网际协议IP

4.3 静态路由配置

4.4 因特网的路由选择协议

4.5 网际控制报文协议ICMP

4.6 虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

4.7 IP多播

4.1 网络层概述

1、分组转发和路由选择

网络层的主要任务是将分组从源主机经过多个网络和多段链路传输到目的主机，可以将任务划分为分组转发和路由选择两种重要的功能。

2、网络层向上层提供的两种服务

1）面向连接的虚电路服务

注意

2）无连接的数据报服务

注意

对比

4.2 网际协议IP

网际协议（Internet Protocol，IP）是TCP/IP体系结构网际层中的核心协议。

1、异构网络互连

要解决的问题

IP网的概念

2、IPv4地址及其编址方法

IPv4地址是给因特网上的每一个主机（或路由器）的每一个接口分配的一个在全世界内唯一的32比特的标识。

IPv4地址由因特网名字和数字分配机构ICANN进行分配。

IPv4的编址方法经历了三个历史阶段

IPv4地址的表示方法

点分十进制

1）分类编址方法

两级结构的IPv4地址

IPv4地址分为A~E五类

注意

各类地址范围

一般不使用的特殊IPv4地址

分类编址方法的缺点

2）划分子网编址方法

三级结构的IPv4地址

子网掩码

子网掩码可以表明分类IPv4地址的主机号部分被借用了几个比特作为子网号。

与IPv4地址类似，子网掩码也是由32比特组成的。

根据IP地址和子网掩码得出子网划分细节

默认子网掩码

在未划分子网的情况下使用的子网掩码

3）无分类编址方法

背景

重新回到两级结构的IPv4地址

地址掩码

与子网掩码类似，用左起连续的多个比特1对应IPv4地址中的网络前缀，之后的多个连续的比特0对应Ipv4地址的主机号。

CIDR的斜线记法

CIDR地址块

地址块中的最小地址

地址块中的最大地址

地址块中的地址数量

地址块中的聚合某类网络（某分类网络）的数量

地址掩码

使用CIDR地址块有效地分配IPv4地址空间

根据客户的需求分配适当大小的CIDR地址块，因此可以更加有效地分配IPv4的地址空间。

路由聚合（构造超网）

3、IPv4地址的应用规划

定长子网掩码和变长子网掩码

1）采用定长的子网掩码进行划分

1、需求分析

2、根据需求分析找出一个用于子网划分的子网掩码

3、根据网络地址和子网掩码得出子网划分细节

4、子网分配

2）采用变长的子网掩码进行子网划分

1、需求分析（与定长划分相同）

2、根据需求分析找出用于各子网的地址块前缀

3、从给定地址块中为各子网选择子块

4、IPv4地址与MAC地址

1）IPv4地址与MAC地址的封装位置

2）数据包传送过程中IPv4地址与MAC地址的变化情况

3）IPv4地址与MAC地址的关系

如果仅使用MAC地址进行通信，则会出现以下主要问题

因特网的网际层使用IP地址进行寻址，就可使因特网中各路由器的路由表中的路由记录的数量大大减小，因为只需要记录部分网络的网络地址。而不是记录各个网络中各通信设备的各接口的MAC地址。

5、地址解析协议ARP

1）ARP的作用

2）ARP高速缓存表

3）ARP广播请求

4）ARP单播响应

5）ARP高速缓存表中的记录类型和生命周期

6）ARP相关注意事项

6、IP数据报的发送和转发过程

1）主机发送IP数据报

间接交付和直接交付的概念

源主机判断目标主机是否与源主机是否在同一网络中的方法

默认网关

2）路由器转发IP数据报

查表转发

路由器隔离广播域

7、IPv4数据报的格式

1）版本

2）首部长度、可选字段和填充

实际上，可选字段很少使用

3）区分服务

只有在使用区分服务时该字段才起作用，一般情况下都不使用该字段

4）总长度

5）标识、标志和片偏移

将IPv4数据报分片的原因

举例

6）生成时间TTL

7）协议

8）首部检验和

计算方法

发送方

接收方

二进制反码求和运算说明

运算规则

9）源IP地址和目的IP地址

4.3 静态路由配置

1、直连路由和非直连路由

2、默认路由和特定主机路由

1）默认路由

2）特定主机路由

3）匹配优先级

4）总结

4.4 因特网的路由选择协议

1、路由选择分类

2、因特网采用分层次的路由选择协议

因特网是全球最大的互联网，它所采取的路由选择协议具有三个主要特点：

1）域间路由选择和域内路由选择

2）外部网关协议EGP和内部网关协议IGP

3、路由信息协议RIP

1）RIP的相关概念

RIP距离

举例

RIP判断好路由的标准

RIP的三个重要特点

2）RIP的基本工作过程

举例

3）RIP的距离向量算法

举例

时间参数

4）RIP存在的问题

坏消息传的慢

举例

5）RIP版本和相关报文的封装

6）RIP的优缺点

4、开放最短路径优先OSPF

1、OSPF的相关概念

1）链路状态LS

举例

2）邻居关系的建立和维护

举例

3）链路状态通告LSA

举例

4）链路状态更新分组LSU

举例

5）链路状态数据库LSDB

举例

6）基于LSDB进行最短路径优先计算

2、OSPF的五种分组类型

3、OSPF的基本工作过程

4、多点接入网络中的OSPF路由器

举例

5、OSPF划分区域

举例

5、边界网关协议BGP

1） BGP的相关概念

举例

BGP适用于多级结构的因特网

2）BGP的四种报文

6、路由器的基本工作原理

路由器是一种具有多个输入端口和输出端口的专用计算机，其任务是转发分组

路由器的组成

4.5 网际控制报文协议ICMP

ICMP报文被封装在IP数据包中发送

1、ICMP报文的种类

1）ICMP差错报文

终点不可达

源点抑制

时间超过（过时）

参数问题

改变路由（重定向）

2）ICMP询问报文

2、ICMP的典型应用

1）分组网间探测PING

用于测试主机或路由器之间的连通性

举例

2）跟踪路由traceroute

用于探测IP数据报从源主机到目的主机要经过哪些路由器

举例

在不同的操作系统中，traceroute应用的命令和实现机制有所不同

Windows版实现原理

4.6 虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

1、虚拟专用网VPN

1）虚拟专用网VPN的作用

2）专用地址（私有地址）

[RFC 1918] 规定了以下三个CIDR地址块中的地址作为专用地址

举例

3）基本原理

4）VPN的类型

2、网络地址转换NAT

1）NAT的诞生背景

2）最基本的NAT方法

1、专用网到因特网

2、再从因特网到专用网

3）网络地址与端口号转换NAPT

1、专用网到因特网

2、再从因特网到专用网

4）局限性

4.7 IP多播

1、IP多播技术的相关基本概念

举例

2、IP多播地址和多播组

1）多播地址和多播组

2）IP多播地址分类

举例

3、在局域网上进行硬件多播

以太网多播MAC地址

IP多播地址到以太网多播MAC地址的映射

映射关系并不唯一

对收到的IP数据报在网际层进行软件过滤

4、在因特网上进行IP多播需要的两种协议

1）网际组管理协议IGMP

举例

2）多播路由选择协议

多播路由选择协议的主要任务是：在多播路由器之间为每个多播组建立一个多播转发树

5、网际组管理协议IGMP

1）IGMP的相关概念

IGMP报文的封装

2）IGMP的工作原理

1、加入多播组

2、监视多播组的变化

举例一

IGMP成员查询报文的内容可以是0.0.0.0，表示全部多播组

IP多播数据报的目的地址：224.0.0.1，特殊的IP多播地址，在本网络中所有参加多播的主机和路由器的网际层都会接受该多播数据报。

由于主机D不属于任何多播组，所有在MAC层直接丢弃，主机A，B，C发现多播帧的目的地址为01-00-5E-00-00-01，其可能对应的IP多播数据报的目的地址为224.0.0.1这个特殊的IP多播地址，于是在MAC层接受该多播帧，网际层接受该多播帧所封装的IP多播数据报，并将IGMP封装的IGMP查询报文交给IGMP进行解析，A，B主机的多播组与查询的多播组是同一个，进行响应，C主机与查询的多播组不一致，不进行响应。

收到IGMP成员查询报文的被查询多播组的任何成员，将会发送IGMP报告报文进行应答，为了减少不必要的重复应答，每个多播组只需要有一个成员应答就可以了。因此，采用一种延迟响应的策略，收到IGMP查询报文的主机并不是立即响应而是在1-10s的范围内，等待一段随机的时间后再进行响应，如果在这段随机的时间内，收到了同组其他成员的IGMP报告报文，就取消响应。

举例二

3、退出多播组

6、多播路由选择协议

1）源于树的多播路由选择协议

1、建立广播转发树

举例

过程一

过程二

过程三

2、在广播树上剪枝和嫁接以建立多播转发树

剪枝举例

嫁接举例

如果被剪枝的路由器通过IGMP又发现了新的多播组成员，则会向上游路由器发送一个嫁接报文，并重新加入到多播转发树中。

2）组共享树多播路由选择

基于核心的生成树的建立过程

多播分组的发送和转发

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