计算机网络学习（7）网络层

网络层提供的服务包括面向连接的和无连接的，由于网络两端都是智能设备，所以无连接的服务符合网络层的要求。

网络层只向上提供简单、灵活的无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

网际协议IP是TCP/IP体系中最主要的协议之一，与之配套的包括：

地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、网际控制报文协议ICMP、网际组管理协议IGMP

虚拟互联网络：

因为用户需求的多样性，没有哪一种单一的网络可以适应所有用户的需求。从一般概念来讲，将网络互联起来需要一些中间设备，根据所在层次的不同可以分为：

物理层：转发器

数据链路层：交换机

网络层：路由器

网络层以上的中间设备：网关。用网关来连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换。

TCP/IP的文献中曾经把路由器成为网关，有时会有这样的用法。

所谓虚拟互联网络也就是逻辑互联网络，它的意思就是互联起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用IP协议就可以使这些性能各异的网络在网络层看上去就是一个统一的网络。

互联网可以由多种异构的网络互连组成，只从网络层考虑就可以想象为IP数据包简单的在网络层传输，而不用去管下面的许多其他协议栈

IP地址：

IP地址是每一个端口唯一的32位标示符。

IP地址的编码方法经历了三个阶段：分类的IP地址、子网的划分、构成超网。

分类的IP地址：

所谓分类的IP地址就是把IP地址分为若干个固定的类，每一类地址都由两个固定长度的字段组成，第一个字段的网络号，第二个字段是主机号。

下图是IP地址分类表：

把32位的IP地址按照每8位用其等效的10进制数表示，并在这些数字之间加一个"."，就是我们常见的点分十进制记法，例如“192.168.1.1”。

常用的三种IP地址包括A类、B类、C类

A类地址网络号占一个字节，除去第一位是0，实际有7位可用。但可指派的网络号是126个（2的7次方-2）。因为网络号全0表示“本网络”是保留地址，网络号全1保留作为本地回环测试地址，用作本机进程之间的通信用。如果主机发送一个环回地址例如127.0.0.1的IP数据报，则本机协议软件就处理数据报中的数据，而不会把数据报发送到任何网络。环回地址不会出现在任何网络上，因为网络号为127根本不是一个网络地址。

A类地址的主机号占三个字节，A类网络中最大主机数是16777214（2的24次方-2），全0表示本主机所连接到的单个网络，全1表示网络上的所有主机。

A类地址占有整个IP地址空间的50%

B类地址网络字段有2个字节，其中有2位固定，并且“128.0.0.0”是不指派的，最小地址是“128.1.0.0“，所以可指派的网络数是16383（2的14次方-1），可指派的主机数为65534（2的16次方-2），B类地址占整个IP地址空间的25%。

C类地址有3个字节的网络号，其中3位固定，并且”192.0.0.0“是不指派的，最小地址是”192.0.1.0“，因此C类地址可指派网络数是2097151（2的21次方-1），最大主机数是254（2的8次方-2），占整个IP地址的12.5%。

IP地址具有以下重要特点：

（1）每一个IP地址都由网络号和主机号组成，IP地址是一种分等级的地址结构。它有两个好处：第一是IP地址管理机构只分配网络号，主机号自行分配，方便了IP的管理；第二是路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组，而不考虑主机号，这样就可以减少路由表中的项目，减少路由表所占用的存储空间和查找时间。

（2）IP地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具备两个相应的IP地址，其网络号必须不同，这种主机称为多归属主机。由于一个路由器至少应当连接两个网络，因此一个路由器至少有两个不同的IP地址。

（3）按照因特网的观点，一个网络指的是具有相同网络号的主机的集合，因此用转发器或网桥连接起来的若干局域网仍为一个网络，因为他们都具有同样的网络号。具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互联。

（4）在IP地址中，所有分配到网络号的地址都是平等的。

IP地址是逻辑地址，是网络层使用的地址，MAC地址是硬件地址，是数据链路层及以下使用的地址。数据传输过程中路由器根据目的站点的IP地址进行路由选择，而在链路层只能看见MAC帧，在不同网络传输时，MAC帧的目的地址源地址都会发生变化。那么问题来了：

主机或路由器怎么知道应当在MAC首部填入什么样的硬件地址，路由器中的路由表又是怎么得到的？这就是下面的一节

地址解析协议ARP&逆地址解析协议RARP

这两种协议的作用就是：

IP地址----ARP----物理地址

物理地址----RARP----IP地址

通过ARP可以在已知IP地址的情况下找到物理地址，相反RARP则通过物理地址找到IP地址。

现在网络中DHCP协议已经包含RARP协议的功能，所以RARP协议已经不会单独使用了。

网络层使用IP地址，链路层使用MAC地址，由于两种地址的格式不同，他们不存在简单的映射关系，此外在一个网络上经常会有主机的变动，ARP协议解决这个问题的方法就是在主机ARP高速缓冲中存放一个IP地址到MAC地址的映射表，这个表还根据情况动态更新。

网络中的主机和路由器通过发送接收ARP报文来获取IP地址对应的MAC地址，ARP解决了同一个局域网上主机或路由的IP地址和MAC地址的映射问题。如果所要找的主机或路由器不在同一个局域网，那就要通过路由进行转发，这时主机只需要知道相连的路由器的MAC地址即可。

ARP的四种典型情况:

（1）发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络上的另一主机，这时ARP找到目的主机的硬件地址。

（2）发送方式主机，要把IP数据报发送到另一网络上的主机，这时ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址，剩下工作由路由器完成。

（3）发送方是路由器，要把IP数据报发送到本网络上的一个主机，这时ARP找到目的主机的硬件地址。

（4）发送方式路由器，要把IP数据报发送到另一网络上的主机，这时ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址，剩下工作由路由器完成。