第四章 网络层

本章主要内容

  1. 虚拟互联网和两种服务、两个层面的概念。
  2. IP地址与MAC地址的关系。
  3. 传统分类的IP地址和无分类域间路由选择CIDR（后者是重点）
  4. 路由选择协议的工作原理

4.1 网络层的几个重要概念

4.1.1 网络层提供的两种服务（面向连接还是无连接的争议）

面向连接：建立一条虚电路，预留双方通信的一切网络资源。双方占用这条虚电路直到通信结束。

无连接：通信双方不必先建立连接。直接发送分组，每一个分组独立发送。网络层不保证服务质量，出错的分组可能出错，丢失、重复、失序。

互联网的设计思路是让网络层设计得尽量简单，想起上层只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交互的数据报服务。

因此，最终采用了无连接的设计思路。这种设计思路的好处是使网络造价大大降低，运行方式更加灵活。

网络层的两个层面

在路由器上传递的信息有以下两大类：

  1. 转发源主机和目的主机之间所传送的数据
  2. 传送路由信息。（根据路由算法，在路由器中建立路由表，根据此导出转发表）

网络层划分成两个层面：

  • 数据层面
  • 控制层面

数据层面：每台路由器把收到的分组，根据生成的转发表，查询到对应的接口，转发出去

控制层面：每台路由器创建一个路由表（可以是自己根据路由算法生成，也可以是远程控制器下发），导出为转发表。

软件定义网络SDN（Software Defined Network）

新提出的概念，在SDN结构中，所有的路由器都变简单了。路由器之间不在相互交换路由信息。生成路由表的工作交给一个在逻辑上集中的远程控制器来做。

这一概念被用于广域网的升级改造，这样可以使网络的运行效率提高，可以获得更好的经济效益。

4.2 网际协议——IP(Internet Protocol).。

目前采用的两个版本：

  • IPv4
  • IPv6

与IP协议配套使用的三个协议

  • 地址解析协议 ARP（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）

4.2.1 虚拟互联网络

全世界有各种各样的网络，他们的寻址方案、最大分组长度，网络接入机制也不尽相同。

显然，为了互联更简单而要求大家使用相同的网络是不现实的。

毕竟，没有一种单一的网络能满足所有用户的需求。

因此，将这些不同的网络连接起来，就需要使用一些中间设备。

物理层使用的中间设备：转发器

数据链路层使用的中间设备：网桥、桥接器、交换机

网络层使用的中间设备：路由器

网络层以上使用的中间设备：网关 （用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换。）

使用路由器将网络互联，每个网络统一使用IP协议

4.2.2 IP地址

IP地址现在由 互联网名字和数字分配机构ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)

IP地址分为两部分

<网络号><主机号>

​ n位 32-n位

IP地址的分类
  • A类：<8（首位0）><24> 共32位，下同
  • B类：<16（首位10）><16>
  • C类：<24（首位110）><8>
  • D类：<多播地址（首位1110）>
  • E类：<保留为今后使用（首位1111）>
无分类编址：CIDR

无分类遇见路由选择CIDR（Classless Inter-Domain Routing）

采用无分类编址的IP地址的结构：

<网络前缀><主机号>

网络前缀

CIDR采用斜线记法，在IP地址后面加斜线，斜线后面写网络前缀所占的位数

如

128.14.23.7/20

地址块

把网络前缀相同的所有连续的IP地址组成一个CIDR地址块。

地址掩码

计算机通过使用地址掩码与IP地址进行与运算，能从IP地址算出网络地址

4.2.3 IP地址与mac地址的区别

略

地址解析协议ARP

ARP的作用：

已知IP地址，找对应的MAC地址

当主机A要向本局域网主机B发送IP数据报时，先去ARP高速缓存中查看有无主机B的MAC地址，如果有，那就把这个MAC地址封装到MAC帧中发往主机B。