湖科大计网：网络层

一、网络层概述

一、基本概念

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传输。

若只有单个网络，只需要物理层和数据链路层即可。

不同的异构网络需要路由器将其互连，路由器的每一个接口代表一个不同的网络，也区分一个广播域。

我们以TCP/IP协议栈的网络层为例来学习网络层。

二、需要实现的任务

①向传输层提供可靠服务还是不可靠服务。

即在数据包传输过程中，可能误码、乱序、丢失之类的，网络层可以选择是否提供可靠传输功能。

如TCP/IP协议体系的网络层是提供的不可靠服务。

②网络层寻址问题

IP地址的前面相同部分是网络编号，后面是区分不同的接口。

③路由选择问题

传输数据包的时候，一个路由器如何选择它要传出的接口。

三、网络层提供的两种服务

数据交换方式的分组交换方式。

虚电路方式和数据报方式。

我们将学习的TCP/IP协议体系的网络层就是无连接的不可靠传输的网络层。

二、IPv4地址—32bit

一、概述

IPv4地址是因特网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配的全球唯一的32bit的标识符。

IPv4地址采用点分十进制表示方法，即将32bit分为4个字节，每个字节的值表示成一个十进制用点分开。

二、IPv4地址的编制方法

对于每一个网络，分配网络地址的时候，每一个路由器接口都划分出一个网络号。

不管是哪种编址方式，一定要记住，每一个路由器的接口都是不一个不同的网络号，包括不同的子网！！

每一个主机和路由器的接口都有一个IP地址，互不相同，同一个路由器接口下的网络，网络号相同。

一、分类编制的IPv4地址

A类地址，网络号占一个字节，网络号首位为0，则网络号有0~127

B类地址，网络号占两个字节，网络号前两位为10，则网络号有128.0~191.255

C类地址，网络号占三个字节，网络号前三位是110，则网络号有192.0.0~223.255.255

判别这三类地址只需要判断第一个字节的大小

0~128~192~224

A B C

分配给主机的IP地址的主机号不能为全0，也不能为全1，全0那表示一个网络地址，全1表示一个广播地址。

①A类地址

A类地址特殊在于网络号0和127（最大和最小的两个），都用于特殊作用。

最小的0不指派，最大的127用作本地环回测试地址，不指派。

②B类地址

没有特殊的网络号

③C类网络

没有特殊的网络号

④特殊IP地址

（1）全0的地址：0.0.0.0 用于没有分配IP地址的主机发送报文时作为自己的源IP地址

如果仅仅网络号是0,也是一样的作用

（2）广播地址：只可以做为目的地址

1°仅主机号全1的广播地址，表示在对应网络号下进行广播，可以跨路由器转发

2°IP地址全1的广播地址255.255.255.255，表示在本地网络下广播，路由器不转发

（3）环回地址：A类地址的127.

只要主机地址不是全0（网络地址），也不是全1（广播地址），那就可以当作环回地址既可以当作目的也可以当作源。

二、划分子网的IPv4的地址

        我们可以在分类编址的基础上，给原来的网络划分子网。

        利用主机号的一部分位作为子网的标识，并且注意子网号也将作为新的网络号。

        子网号的识别可以用子网掩码来实现，即子网号的部分掩码位置全为1，其余部分为0，与IP地址相与以及分类编址的情况，就可以知道主码有哪几位是分配给子网编制了。

        在没有分配子网的网络中，会存在默认的子网掩码，那就是原来分类编址全为1的子网掩码。

以后网络地址就是子网的网络地址了。

三、无分类编址的IPv4的地址（CIDR）

同一个网络号的IP地址组成一个“CIDR块”。

同样的，对于一个网络号，主机号全0是网络地址，全1是广播地址！

CIDR方法在画路由表的时候更加节省空间！使用路由聚合的方法，可以在没有差错的情况下对IP地址求前缀。

三、IPv4地址的应用规划

①定长的子网掩码FLSM

使用同一个子网掩码来划分子网。

网络号+主机号→网络号+子网号+主机号（这里和划分子网的IPv4地址方法是一样的）

即申请到的C类网络地址被划分成8个子网，拿出5个分配给不同的网络即可。

②变长的子网掩码VLSM

实际上就是将CIDR地址块，划分成不同的小地址块，（这是不是也就是不同网络前缀会不一样的原因了！因为将最大的CIDR地址块一步一步划分，一步一步分配下来的！）

而这里所谓的子网掩码，其实就是/x中x位网络前缀全1其余全0的32位bit。

大的网络前缀+主机号→小的网络前缀+主机号

我们来举个栗子！

        1°我们先看每个网络需要多少个主机号位（包括全0和全1）

        2°然后我们进行极限分配（也就是说要多少我们给他的刚好达标就可以）

右边的注意事项实际上就是，网络地址的主机号必须是全0的，所以比如/28的网络前缀划分的子块必须从低四位为0开始。

        3°你会发现，咱们分配的时候是将218.75.230.0/24这个网络前缀为24位的大CIDR块下的IP地址分配给各网络，各网络的网络前缀可以不一样，但是他们分配的大CIDR块下的32位IP地址各不相同！

<这就解释了我们的疑惑：/22的地址分配的32位IP地址如何避免与/18的32位IP地址相同？实际上他们都是从一个更大的CIDR块按序分配下来的，所以一定不相同~>

三、IP数据报

一、发送和转发过程

我们来讨论一下，为什么某个主机对于一个IP地址与其自己的掩码相与就能判断是否是同一个网络。我们来讨论无分类编址的情况（这种情况包含了划分子网的情况）：

①对于一个大CIDR地址块/24下分配的两个小CIDR地址块，/27和/28，对于/27的网络而言，它的后5位00000~11111都是它网络下的，所以对于/28，其前27位就不能和/27是一样的了，对于任意一个/(n+x)和/n都是如此。所以一定可以区分下来。

②我们对于每一个网络都要分配到它的子网之下，而不能使用/24作为它的掩码，就比如，一栋房子有四个卧室，不同的人住在不同的卧室，用卧室可以区分不同的人，但是用这栋房子就区分不了，既然我们要做的就是用每栋房子某个卧室区分人，那就不要再在房子已经区分卧室之后再用房子指代人了。同理，对于一个大的CIDR块，它之下的子网，都以子网号区分，不会再用大的CIDR块的网络号。所以用①就可以证明所有问题。

一、主机发送数据报

主机需要发送的目的IP地址，与自己的子网掩码相与就可以知道目的IP地址是否与自己是同一个网络。因为当且仅当IP地址对应其子网掩码前面位数相同，相与之后得到的值才能是相同的，否则不相同。

每个主机都含有一个自己的IP地址和自己的子网掩码，它们之与就可以得到它所在的网络地址是多少，每个主机还有一个默认网关，这要求是对应路由器接口的IP地址，用于主机间接传给其他网络的人呢；每个路由器接口都有一个IP地址和自己的子网掩码。

在同一个网络中就可以直接用MAC地址寻址了。