第四章 网络层

IP协议
自下而上:网络接口层、网络层(网际层)、运输层、应用层

让全世界范围内的网络都能互联起来且能相互通信

没有一种网络能适应所有的用户需求
所以要实现网络互连

实现网络互联的中间设备
中间设备又称为中间系统或中继系统
物理层中继系统:转发器、加大器、中继器、集线器(Hub)
数据链路层中继系统:网桥、交换机
网络曾中继系统:路由器

互联网都是指用路由器进行互联的网络
网络互连:通过路由器进行网络互连和路由选择

TCP/IP体系规定参加互联的计算机都使用相同的协议

TCP/IP体系:
1)互联的计算机网络可以是异构的
2)计算机网络通过路由器进行互联
3)参加互连的计算机网络都是用相同的网际协议IP

分类IP地址的约定
1)每一类地址都由两个固定长度夫人字段组成
网络号——标志主机(或路由器)所连接到的网络
主机号——标志该主机(或路由器)
2)两级的IP地址可以记为
IP地址::={<网络号>,<主机号>}

IP地址中
注释:

1) A,B,C类地址的网络号字段分别为1,2,3个字节长,且A,B,C类网络网络字段分别以0,10,110开头.
2) A,B,C类地址的主机号字段分别为3,2,1个字长。
3)D类地址用于多播。

1)A类地址(共231个可用位,占整个IP地址空间22的50%)
可使用的网络号126个(27-2) ,网络号为
00000000和0111111的地址为保留地址
可指派的网络号: 00000001-01111110( 1-127)

B类IP地址的范围为128.1.0.1 ---- 191.255.255.254
C类IP地址的范围为192.0.1.1 ---- 223.255.255.254
D类地址范围:224.0.0.1---239.255.255.254
E类地址范围:240.0.0.1---255.255.255.254
D类IP地址第一个字节以“lll0”开始,它是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络,目前这一类地址被用在多点广播(Multicast)中。
E类IP地址:以“llll0”开始,为将来使用保留。 全零(“0.0.0.0”)地址对应于当前主机。全“1”的IP地址(“255.255.255.255”)是当前子网的广播地址。

IP地址是一种分等级的地址结构。
实际上IP地址是一个标志一个主机(或路由器)和一条链路的接口
路由器也算一个网络主机,至少有两个IP地址,至少有两个连线
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。
所有分配到网络号的网络,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。

连接在通信链路及下层的主机或路由器是根据硬件地址去传输的

MAC地址也成为局域网的硬件地址,也称为局域网地址(LAN Address),MAC位址,以太网地址(Ethernet Address)或物理地址(Physical Address),它是一个用来确认网络设备位置的位址。在OSI模型中,第三层网络层负责IP地址,第二层数据链路层则负责MAC位址 [1] 。MAC地址用于在网络中唯一标示一个网卡,一台设备若有一或多个网卡,则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址

数据链路MAC帧中,既有IP地址又有硬件地址,在数据链路层到底选择哪种地址作为源
目的端地址呢?
网络层整个P数据报成为MAC帧的数据部分,因此,数据链路层看
不见数据报的工P地址。因此,数据链路层中以MAC帧中的硬件地址作为源、目的端地址。

路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择

IP抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节
在抽象的网络层上讨论问题,就能够使用统一的、抽象的IP地址
研究主机和主机或主机和路由器之间的通信

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。
若无主机B的IP地址,则通过广播得到主机B的硬件地址。

ARP高速缓存的作用
1)当主机B收到A的ARP请求分组时,就将主机A的P地址到MAC地址的映射
写入主机B的ARP高速缓存中。这对主机B以后向A发送数据报时就更方便
了。
2)为了减少网络上的通信量,主机A在发送其ARP请求分组时,就将自己的
|P地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组。
3)每个映射地址项目都设置了生存时间(如: 10-20分钟)。 凡超过生存时间的项目就行高速缓存中删除掉。

ARP是解决同个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。

什么我们不直接使用硬件地址进行通信?
各式各样的网络,它们使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作,因此几乎是不可能的事。

IP数据报
1)一个IP数据报由首部和数据两部分组成。
2)首部的前一部分是固定长度,共20字节,是所有IP数据报必须具有的。
3)在首部的固定部分的后一-部分是-一些可选字段,其长度是可变的。

首部长度占4个字节可表示最大数值
是15个单位(一个单位占4个字节)
总长度占16位,只IP数据报首部和数据之和的长度,单位为字节
数据报片的数据部分最多不超过1400字节

数据链路层规协议规定数据帧中的数据字段的最大长度一最 大传输单元,即MTU。

生存时间(8位)记为TTL一数 据报在网络的寿命。
(数据报在网络中可通过的路由器数的最大值)

路由器收到带转发的IP数据报
查看路由,将下一.跳的IP地址交给网络接口软件
网络接口利用ARP软件将下--跳IP地址转换成硬件地址

查找路由表的作用
根据目的网络地址就能确定下一跳路由器,这样做的结果是:
1)IP数据报最终--定可以找到且的主机所在目的网络上的路由器(可能要通过多次的间接交付)
2)只有到达最后一个路由器时,才试图向目的主机进行直接交付。

划分子网;两级的IP地址不够灵活,分为三级,划分子网已经成为互联网的协议
划分子网的思路
1)划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。
2)从主机号借用若千个位作为子网号subnet-id, 而主机号host-id 也就相应减少了若干个位。
IP地址::= {<网络号>,<子网号>, <主机号>}