【计算机网络期末复习】第四章 网络层 —— 最重点

第四章 网络层 —— 最重点

考点

• 很多基础的部分需要知道，没有什么重点之分
  
• IP协议非常重点
  
• 网关、路由器、网桥（交换机）和转发器需要知道在哪个层进行工作，以及功能是什么
  
• 集线器和路由器之间的区别
• IP地址非常重点，IP数据报的格式非常重点（例如片偏移的计算），校验和不会投入太多考点
  
• ARP协议非常重点
  
• ICMP需要知道是什么
  
• IPv4和IPv6也会有考点（v6格式几乎不会考），v6的点分十进制记法需要知道（例如零压缩），不会有大题，要清楚v4到v6的过渡规则和方法
• 内部和外部的路由协议比较重要（RIP、OSPF、BGP），最起码RIP的计算需要非常熟练
  
• 多播了解即可，概念需要知道
  
• VPN的大概实现原理需要清楚
  
• 标签和软件定义网络几乎不考

1. 网络层概述及IP地址

1.1 网络层概述

网络层向上只提供灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务，主要任务是把**分组（IP数据报）**从通过路由选择与转发从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。互联网可以由多种异构网络互连组成。

IP数据报格式： 分为固定部分和可变部分

固定部分内容：

• 首部长度： 单位是4B，最小为5。
• 总长度： 首部+数据，单位是1B。
• 生存时间（TTL）： IP分组的保质期。经过一个路由器-1，变成0则丢弃。
• 首部检验和：只检验首部。
• 源IP地址和目的IP地址： 32位。
• 标识： 同一数据报的分片使用同一标识。标识： 同一数据报的分片使用同一标识。

• 标志：只有2位有意义 x _ _ ，一共有3位，其中第一位标识如下：

• 中间位DF（Don’t Fragment）

• DF=1，禁止分片
• DF=0，允许分片

• 最低位MF（More Fragment）

• MF=1，后面“还有分片”
• MF=0，代表最后一片/没分片

• 片偏移： 指出较长分组分片后，某片在原分组中的相对位置。以8B为单位。
• 

案例：

下面需要注意的是片偏移的计算，由于数据报片1是一个发送的数据报，所以片偏移为0。

而数据报片2发送的数据在原数据开始地址后的1400B，而片偏移单位为8B，故该字段为1400/8=175。

而数据报片3同理，在2800B的位置，故该字段为2800/8=350。

1.2 分类的IP地址

分类如下：

其中需要注意的是最大可用网络数需要减去特殊情况：

• A中的最大可用网络数为2⁷-2，其中127.0.0.1是回环地址不可用，全0地址也不可用，故要减去2个地址。
• B中的最大可用网络数为2¹⁴-1，要减去全0地址。

• C中的最大可用网络数为2²¹-1，要减去全0地址。

而每个网络中的最大主机数A、B、C都要减去两个地址：

• 主机号全0：本主机所连接到的单个网络地址
• 主机号全1：该网络上的所有主机(广播地址)

基本功：

对于私有地址来说是不能在外网中进行转发的，需要先将私有地址映射到全球地址，再在全球网络中进行通信。

网络地址转换NAT（NetworkAddressTranslation）： 在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。简单来说，它就是上面所说的将私有地址映射成全球地址的软件。

特殊的IP地址：

1.3 子网掩码与子网划分

1.4 无分类编址CIDR

CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。

CIDR记法：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数。

e.g.128.14.32.0/20

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。方法：将网络前缀缩短（所有网络地址取交集）。

使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果（跟网络掩码按位相与），应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。

2. 网络层重要协议

重要协议：IP、ICMP、ARP、RARP、IGMP

2.1 ICMP

1. 1.*终点不可达： 当路由器或主机不能交付数据报时就向源点发送终点不可达报文。—— 无法交付
2. 2.*源点抑制： 当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文，使源点知道应当把数据报的发送速率放慢。—— 拥塞丢数据
3. 3.*时间超过： 当路由器收到生存时间TTL=0的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源点发送时间超过报文。当终点在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就把已收到的数据报片都丢弃，并向源点发送时间超过报文。—— TTL=0
4. 4.参数问题： 当路由器或目的主机收到的数据报的首部中有的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源点发送参数问题报文。—— 首部字段有问题
5. 5.改变路由（重定向）：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器（可通过更好的路由）。—— 值得更好的路由
6. 
   

作用：

1. *回送请求和回答报文
   主机或路由器向特定目的主机发出的询问，收到此报文的主机必须给源主机或路由器发送ICMP回送回答报文。测试目的站是否可达以及了解其相关状态。
   
   
2. 时间戳请求和回答报文
   

1. 请某个主机或路由器回答当前的日期和时间。用来进行时钟同步和测量时间。
   

2.2 ARP

ARP协议： 完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射 （解决下一跳走哪的问题）

ARP协议使用过程：

检查ARP高速缓存，有对应表项则写入MAC帧，没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组，同一局域网中所有主机都能收到该请求。目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP响应分组，源主机收到后将此映射写入ARP缓存（10-20min更新一次）。

RARP协议： 完成主机或路由器MAC地址到IP地址的映射。

2.3 IGMP

应用场景： 组播（多播）

ROUND 1：

某主机要加入组播组时，该主机向组播组的组播地址发送一个IGMP报文，声明自己要称为该组的成员。

本地组播路由器收到IGMP报文后，要利用组播路由选择协议把这组成员关系发给因特网上的其他组播路由器。

ROUND 2：

本地组播路由器周期性探询本地局域网上的主机，以便知道这些主机是否还是组播组的成员。

只要有一个主机对某个组响应，那么组播路由器就认为这个组是活跃的；如果经过几次探询后没有一个主机响应，组播路由器就认为本网络上的没有此组播组的主机，因此就不再把这组的成员关系发给其他的组播路由器。

2.4 路由选择协议

• 内部网关协议IGP：一个AS内使用的

• RIP（距离向量算法）
• OSPF（最短路径优先算法）

• 外部网关协议EGP：AS之间使用的

• BGP