07.第07节课第4章网络层

罗泽兵 · 发表于 2024-4-15 08:40:45

好同学们，大家好，今天呢，我们来看一下计算机网络当中网络层这一部分的内容。我们这一部分呢，探讨网络互联问题。我们要介绍网络层提供的两种不同服务。然后呢，再讲一下本章的核心内容，网际协议IP，这是本章的一个重点内容。只有了解并掌握了IP协议的主要内容呢，才能够理解了互联网是怎么样工作的，另外呢，我们还要探讨一下网进。

控制爆破协议ICMP以及呢，几种常见的路由选择协议和我们IPV 6的主要特点。这一章内容呢？最重要的呢是虚拟互联网络的概念，以及呢IP地址与物理地址的关系。以及传统的分类IP地址和无分类预间路由选择cidr和路由选择协议的工作原理。好，我们首先来看一下。网络层提供两种服务。在计算机领域网网络领域呢？网络层应该向运输层提供怎样的服务？是面向连接的。还是无连接的引起了这样一个长久的，这样一个争论。争论的实质呢？

这个争论焦点的实质呢？就是在计算机通信中。可靠交付呢，应该由谁来负责？是网络。还是端系统。那么。有的呢，认为应该借助电信网的这样一个经验，让网络负责可靠交付。因此呢，他们认因为因此认为计算机网络呢，应该模仿打电话时所使用的面向连接的。通信方式第两台计算机进行通信时，也应当先建立连接。

已预留双方通讯所需的一切资网络资源，然后双方呢，就沿着已建立的虚电路来发送分组。这样分组的首部呢？不需填写完整的目的主机地址。只只需要呢，填写这条虚电路的编号。因而呢，减少了分组的开销。这种通信方式呢？如果在使用可靠的传输的网络协议，就可使发送的分组呢？无差错，按需到达终点。当然也不重复。

目的物是。在通信结束之后呢，要释放电力的蓄电路。那么呢？我们还有另外一种思想。另外一种网络设计思路。那么这样呢？也就是说。在我们的电话网当中，电信网提供的端到端可靠传输服务呢？那么，适合于电话业务？那么，因为电信网的终端呢？简单没有制，

没有这样一个特殊的，这样一个复杂功能，因此呢？电信网必须负责把用户的电话机产生的话音信号呢？可靠的传送到对方的电话机。使还原后的语音质量呢，符合技术规范的要求。但是呢，计算机网络的端系统呢，是有这样一个复杂能力的，这样一个计算机，计算机有很强的差错处理能力。因此呢，互联网在设计上呢，就采用了和电信网完全不同的思路。

互联网我们采取的思量呢？是这样的一个部分。网络层。指向上提供简单灵活，无连接近最大努力交互的数据包服务。网络呢，在发送分组时呢，不需要建立连接每一个分组呢，独立发送。与其前后的分组无关，网络层不提供服务质量的保证。也就是说，所传送的分组呢，可能出错丢失重复和失序。当然了，

也不保证分组交互的实现。由于呢，传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就是网络中的路由器了，比较简单。且价格呢较低。如果主机中的进程通信呢，是可靠的，那么就由了网络中的主机中的运输层来负责。包括我们的插座处理以及流量控制。采用这种设计思路的好处呢，是网络造价呢，大大降低运行方式，灵活能够适应了多种应用。互联网呢？

就采用的这种设计思路。我们来看一下。面向连接的通信方式，它是建立。虚电路。以保证呢，通信双方所需的一切网络资源。这是我们的。蓄电路。我们看一下虚电路服务。虚电路服务呢，比如说h1。发送给h2的所有分组。沿着同一条虚电路传送。这是我们的。

虚电路服务。那么我们再看一下虚电路呢，是逻辑连接。它表示了这只是一条逻辑上的连接。分组了，都沿着这条逻辑连接，按照存储转化方式传送，而不是真正建立一条物理连接。而电话交换的电信网络，电话或接通信呢，是先建立一条真正的连接，因此呢，分组交换的序列连接和电路交换的序列连接呢，只是类似，但并不完全一样。

我们网络层提供的这样一个呢，只向上提供简单灵活，无连接，尽最大努力交付的数据包服务。网络在分组发送时呢，不需要先建立连接，每一个分组呢，独立发送与其前后的分组无关，不进行编号。网络层不提供服务质量的承诺，也就是说传送的分组呢，可能出错，丢失，重复和失序，那么当然了，

也不保证分组传送的实现。那我们再看一下。我们采用的数据报服务。数据报服务呢h1。向h2的分组呢？分别独自独立的选择路由。并且呢，在传送过程中呢，还可能丢失。这是我们的数据报服务。我们来对比一下虚电路。服务与数据包服务。虚电路服务的思想呢？它的可靠通信应当由网络来保证。数据报服务呢，

它的思路呢，可靠通信是应当由用户主机来保证。虚电路服务呢，要求建立连接，而数据报服务呢，不需要建立连接。终点地址呢，需电路服务，仅在建立连接阶段使用，每个分组呢，使用短的需电路号。数据报服务呢，每个分组都有完整的地址。那么，虚电路服务分组的转发呢？

属一条同一条虚电路的分组呢？均按同一路由进行转发。数据报服务呢，每个分组独立选择路由进行转发，当节点出现故障时，所有通过故障的节点呢。蓄电路均不能工作。而数据报复呢，出故障的节节点呢，可能丢失分组一些路由呢，可能发生变化。分组的顺序呢，总是按发送顺序到达终点，这是虚电动服务，而数据报服务呢，

它分组到达的终点呢，不一定按发送顺序。而数虚电路服务端到端的插座处理和流量控制啊，可以由网络负责，也可以由用用户主机负责。而数据报服务的端到端的插座处理和流量控制呢？由用户主机负责。我们来看一下往际协议IP，往际协议IP呢，是TCP IP体系中两个最主要的协议之一。也是最重要的互联网标准之一。与IP协议配套使用的还有三个协议地址解析协议ARP网际控制报文协议ICMP。网际组管理协议I gmp。那么，这是我们与ISP呢？

协议配套使用的三个协议。那么，这是我们的这样一个协议部分。那么，我们知道，如果要在全世界范围内呢，把所有的网络呢都互联起来，而且呢，要能够互相通信。那么，这样的任务呢？是相当的困难与复杂的，其中呢，需要有很多解决的问题。有很多需要解决的问题，

比如说不同的寻址方案，不同的最大分组长度。不同的网络接入机制，不同的超时控制，不同的差错处理方法，超速恢复方法。不同的报状态，报告方法不同的路由，选择技术不同的用户接入控制，以及呢，不同的服务面向连接和无连接的。以及不同的管理方式，等等。那么那么能不能够使用一种呢？让大家都使用一样的网络，

这样可以使网络变得比较简单。那么通常呢？这是不能实现的这样一个部分，因为呢，用户的需求呢，是多种多样的，没有一种单一的网络呢，能够适应所有用户的需求。另外呢，网络技术呢，总是不断发展的，网络的制造厂商呢，也要推出新的网络，因此呢，我们总是有不同不同性能，

不同网络协议，不同协议的网络。那么那么供大家使用。那么，从一般的概念来讲。互相连接起来的网络呢，要使用一些中间设备，根据中间设备。在不同的层次可以呢，有几种不同的中间设备。比如说物理层。中继系统呢，称之为转发器。数据链路层。中继系统呢，

称为网桥或者桥接器，网络层的中继系统呢，称为路由器。网络和路由器的混合器呢？称为桥路器。网络层以上的设备呢？称之为网关。当中继系统呢，是转发器或者网桥时，一般不称为网络互联，这仅仅呢，是把一个网络扩大了，仍然是一个网络。网关由于比较复杂，目前使用的较少，

互联网呢，都是指路由器进行互联的网络。这是我们的网络，在这样一个使用的这样一个部分。也就是说，我们呢，使用转发器或者网桥那么并不称之为。网络互联，那么我们呢？互联网呢？都是指用路由器，路由器进行互联的网络。那么，我们来看一下互联网络和虚拟互联网络，那么。

比如说我们这个图当中。有许多计算机网络呢，通过一些路由器相连，由于参加互联的计算机网络呢，都使用同样的网际协议IP，因此把互联的网络呢看成是一个虚拟互联网络。虚拟互联网络呢，也是逻辑互联网络，它的意思呢，就是互联起来的各种路由，互理网络的异构性，本来是客观存在的，但是我们利用了IP协议呢，就可以使这些性能各异的网络呢。在网络层上看起来好像是一个统一的网络，

这些使用IP协议的虚拟互联网呢，可以称之为IP网。使用IP网的好处呢，是当网IP网的主机进行通信时，就好像在单个网络上通信一样，那么他们看不见各网络的具体异构细节。如果这种覆盖全球的IP网的上层使用TCP协议，那么就是现在的internet互联网。所谓的虚拟互联网络呢？也就是逻辑互联网络，它的意思呢？就是互联起来的各种物理网络呢？异构性本来是客观存在的。但是我们利用了网IP协议呢，就可以使这些性能各异的网络呢，

从用户看起来好像是一个统一的网络。使用IP协议的虚拟互联网呢？称为简称为ypip网。那么我们看一下分组呢，在互联网中的交传送，比如说主机一发送给。主机h1发送给主机h2，那么我们这里呢？h1有它的这样一个协议在。那么就是我们的。分别表示。从上到下呢，是应用层，运输层，网络层，

数据链路层和物理层。那么比如说。我们的h1要把一个IP数据报发送给h2。那么h1呢？先查看自己的路由表，看目的主机呢？是否在本网络上？如果是了，则不经过路由器而直接交付。如果不是了，则必须把IP数据报了发送给某个路由器，比如说r1r1在查找了自己的路由表后呢？那么再把数据报了传传传送给r2。那么，一直转发下去，

直到r5查了自己的路由表了，知道自己和h2相连连接的同一个网上，那么不需要其他路由器转发。于是呢，把数据呢直接交付给目的主机h2，那么我们如果只从网络层考虑问题了。IP数据报呢，好像就是在网络层当中进行传送，那么传送的路径呢，就是h1到r1到r2到二三到二四到二五级到h2。但实际上呢，我们的数据呢，是通过主机h1的应用层传到运输层，再传到网络层，再传到数据链路层，

再传到物理层。然后传送到我们的这样一个传输媒介上。这个时候呢，再传送给路由器r1r1呢，接收到我们的路路，传送到我们的物理层，再传送到它的数据链路层。再传送到它的网络层，然后再再传送到它的这样一个数据，电路层再传送到物理层。然后呢，再传送给r2，那么我们来看一下我们之前讲过在网络的边缘部分，也就是说端系统在资源子网当中，我们使用的呢是网络协议的五层，

这样一个五层的，这样一个部分。也就是说，应用层，运输层，网络层，数据链路层和物理层，而在网络的核心部分，就说通信子网在路由器当中，我们使用的呢，是网络的下三层结构。也就是说，网络层，数据链路层和。物理层那么就是这样一个部分，

在网络的边缘系统端系统之间的这样一个资源子网之间呢，使用的是五层的这样一个层层次。而在核心部分，通信子网和我们的。就是我们的路由器当中使用知识是网络的下三层结构。接下来我们看一下IP地址。整个的互联网呢，是一个单一的抽象的网络IP地址呢，就是给互联网上的每一台主机或者路由器的每一个接口呢。分配一个在全世界范围内是唯一的32位标志符IP地址的结构呢。可以使我们在互联网上很方便的进行寻址。我们把整个因特网呢。看成是一个单一的抽象的网络IP地址呢，就是给每个连接在英特尔网上的主机或路由器。分配一个在全世界范围内是唯一的32位的标志服务。

那么，我们来看一下分类IP地址。所谓的分类IP地址呢，就是将IP地址呢划分为若干个固定类，那么这里面呢？有A类b类c类。d类和e类。五种IP地址。每一个I，每一类IP地址呢？那么，我们的ABC 3类IP地址有两个固定长度的字段组成。一个呢，是网络号。它标志主机或路由器所连接到的网络。

另一个呢，是由主机号。它标识了该主机或路由器，我们两级的IP地址呢，可以记为网络号和主机号。那么，我们可以看到。A类b类c类地址呢？它呢，有两个固定长度的字段组成，其中第一个呢是网络号。第二个呢？是主机号。网络号呢？A类地址的网络号呢，

占了八位自主机号呢，占了24位b类地址的网络号呢，占了16位。主机号呢，占了16位c类地址的I主机号，网络号呢，占了24位主机号呢，占了八位。A类地址，它的网络号。是以零开，是以零开头的。b类地址，它的网络号呢，是以一零开头的。

c类地址，它的网络号呢？是以一一零开头的。而我们的第一类地址呢，是用于多波。一类地址呢，保留为以后使用，那么这是我们的IP地址的网络号字段和主机号字段。那么，我们来看一下。机器中存放的IP地址呢，是32位二进制代码。那么也就是说呢，它是一个32位的二进制代码。我们每隔八位的插入。

一个空格那么，但在机器中呢，并没有这样的空格，为了便于书写可用等效的十位十进制数来进行表示。并且在数值之间呢，加上一个点，那么这叫做点分十进制记法，那么这是我们的IP地址的点击，这样一个记法。那么，我们来看一下三种类别的IP地址。IP地址的使用范围。A类IP地址呢？最大的网络数呢是一二的，七次方减二个。

b类地址的网最大网络是12的14次方减一个。c类地址的IP地网络地址呢？是二的20次方21次方减一个。第一个可A类地址，第一个可用的网络号呢，是一最后一个可用的网络号呢，是一二六。b类地址第一个可用的网络号呢，是一二八点一，最后一个可用的号呢，是一二一九一点二五五。c类地址第一个可用的网络号呢，是一九二点零点一。最后一个可用的网络号呢，是二二三点二五五点二五五。

那么A类地址呢？每个网络中的最大总计数额那么最多。那么b类地址呢？那么要少一些，那么c类地址呢？那么就就更就最最那么是是更少的这样一个部分。IP地址呢，是一种分等级的。地质结构。分两个等级的好处呢，是IP地址机构呢，在分配IP地址时呢，只分配网络号，而剩下的主机号呢，则由得到该网络号的单位自行分配。

这样就方便了IP地址的管理，那么路由器呢？仅根据目的主机所连的网络号来转换分组，那么这样呢？就可以使路由表中的项目呢？大幅度减少，从而减少路由表呢？所占的空间。那么，实际上呢？IP地址呢？是标志一个主就主机和路由器的一条链路的接口，当一条主机呢？同时连接到两个网络上时。那么，

该主机呢？就必须同时拥有两个相应的IP地址，其网络号呢？必须是不同的这种主机呢？称为多归属主机。由于一个路由器呢，至少应当连接到两个网络，这样呢，才能才能将IP数据报了，从一个网络呢转发到另一个网络。因此呢，一个路由器呢，至少应当有两个不同的IP地址，用转发器或网桥连接起来的，若干个局域网的，

任为一个网络。因此呢，这些局域网都具有相同的网络号net ID，所有分配号网络号的网络呢，范围很小的局域网呢，还是覆盖很大的地理范围的局域网，那么都是平等的。那么我们看一下互联网中的IP地址。那么这里呢？我们有这样一个。IP的这样一个我们用这样一个网络的部分。那么，这个网络呢？比如说我们有网络了。这样一个路由器r1路由器r2以及呢？

路由器r3。那么，这样一些部分。那么，我们这些网络的这样一个部分呢？那么我们就是。我们有三个局，我们有这样一个局域网，那么通过了三个路由器。通过了路由器连接起来。那么，这是我们的。互联网中的IP地址的部分。在同一个局域，网上的路主机呢或路由器的IP地址的网络号呢，

必须是一样的。那么，这是我们的这样一个路由器呢？总是具有两个或两个以上的IP地址路由器呢？每一个接口呢？都有一个不同网络号的IP地址。两个路由器直连，直接相连的接口出了，可以指明IP，也可以不指明IP，如果指明IP呢？则这一连线呢，就构成一种只包含一段线路的特殊网络。那么现在呢？常不指明IP地址，

接下来我们看一下。yip与硬件地址。那么，我们之前讲过IP地址呢？是软件地址，逻辑地址。而我们的MAC地址呢？是物理地是硬件地址，物理地址。从层次的角度看呢，物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP层呢IP地址是网络层和以上使用的地址，是一种逻辑地址。那么，我们来看一下。

IP地址呢那么？要包含在IP数据包的首部。而我们的mac帧的首部呢，是它的这样一个硬件地址。I网络层以及以上使用IP地址，而链路层及以下呢，使用硬件地址。那么，我们来看一下这这样一个发送的过程。比如说主机h1。要和主机h2进行通信。这两台的。主机呢，它的IP地址呢，分别是IP 1和IP 2。

它的硬件地址呢？分别是hae。和ha 2。那么，通信的路径呢？是h1经过r1转发，再经过r2转发到h2。路由器r1呢，因为同时连接在两个路由器上，因此它有两个硬件地址h3和ha 4。那么，同样的路由器r2也有两个硬件地址ha 5和ha 6。那么，我们来看一下。从协议的债的价。

层次上呢，看数据的流动，那么是主机呢？h1的五层级五个层五个层次，这样一个结构呢？进行一个传输，再通过路由器的传输，最后呢，传送到主机二。那么，这是我们协议在的层次来看，数据的流动。那么，从虚拟IP层呢？看数据包的流动呢？

它好像呢是从我们的网络层进行一个传输，好像是从IP数据报。直接的IP数据报从我们的主机h1传送到r1，再传送到r2，就传送到主机h2。那么，在mac链路上看mac针的流动呢？就是从我们的这样一个。mac帧那么进行一个传送？在aip层抽象的互联网上呢，只能看到IP数据报。两个路由器的IP地址呢，并不出现在IP数据包的首部中。路由器了。只根据目的站的IP地址和网络号呢。

进行路由选择。在具体的物理层的物理网络的路链路层，只能看见mac帧，而看不见IP数据报。IP层呢，抽象的互联网呢，屏蔽了下层复杂的细节，在抽象的网络上呢，探讨问题，能够使用统一的抽象的IP地址研究主机和主机或者主机和路由器之间的这样一个通信。那么我们再来看一下。我们这个图当中。那么我们这个图当中呢？不同层次。不同区间的原地址和目的地址，

那么从h1到r1。那么，在写入IP数据报首部的地址呢？都是I原地址呢？是IP 1目的地址是IP 2从r2到。从r1到r2写入IP数据报首部的地址呢？原地址是IP 1。目的地址呢？是IP 2那么从r2到h2呢？写入IP数据报首播的地址呢？原地址是IP 1路由目的地址呢？是IP 2。然而呢，它的硬件地址呢，在数据链路层写入Mark证首播的地址呢，

从rh 1到r1，它的原地址呢，是ha 1。目的地址呢，是h2a3。从r1到HR二一到r2，从它写入mac帧首播的地址呢？从原地址呢？是ha 4目的地址呢？是ha 5。那么，在写入mac这首播的地址呢？从r2到h2，它的原地址呢？是ha 6目的地址呢？

是ha 2。也就是说了。在IP层抽象的互联网上呢，只能看见IP数据报。那么，虽然IP数据报了要经过路由器r1和r2两次转发，但是它的首部中的原地址和目的地址呢，始终是IP 1和IP 2。虽然在IP数据报的首部呢，有原站IP地址，但路由器呢，只根据目的地址的IP号呢。IP的网络号呢，进行路由选择。在网络层的网络局域，

网的链路层只能看见mac帧IP数据报了被封装在mac帧中。mac帧呢？在不同网络上传输时，其mac帧首部中的原地址和目的地址要发生变化。那么，这是我们的mac帧的这样一个部分。在发送数据时，数据呢，从高层下到低层，然后呢，才在数据链路上传输使用IP地址的IP数据报呢，一旦交给了数据链路层，就被封装了Mark帧。mac帧在传送时使用原地址和目的地址呢，都是硬件地址，

这两个硬件地址呢，写在mac帧的首部。连接在通信链路上的设备呢？在收到mac针时，根据mac针手部中的硬件地址呢？决定丢弃或收下。只有在剥去了mac键的首部和尾部，把mac键的数据相交于网络层后呢？网络层才能在IP数据包的首部中呢？找到原IP地址都在和目的IP地址。那么也就是说IP地址呢？放在IP数据包的首部，而硬件地址呢？放在mac针的首部，在网络层和网络层以上呢？

使用的是IP地址。而在数据链路层以下呢，就使用的是硬件地址，那么这是我们IP地址和硬件地址的这样一个部分。

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