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【计算机网络】第四章：网络层（上）

news 2025/7/18 9:21:02

本篇笔记课程来源：王道计算机考研计算机网络

【计算机网络】第四章：网络层（上）

一、网络层的功能
- 1. 基本概要
- 2. 功能总览
二、IPv4
- 1. IPv4 数据报
- 2. IPv4 地址
- 3. 子网划分与子网掩码
- - Ⅰ. 基本概念
  - Ⅱ. 默认设置
  - Ⅲ. 主机发送 IP 数据报的过程
  - Ⅳ. 路由器转发 IP 数据报的过程
- 4. 无分类编址 CIDR
- 5. 路由聚合
- 6. 网络地址转换 NAT
- 7. 地址解析协议 ARP
- 8. 动态主机配置协议 DHCP
- 9. 网际控制报文协议 ICMP
三、IPv6 地址

一、网络层的功能

1. 基本概要

网络层为传输层提供服务，将传输层的数据帧封装成 “IP 数据报”。网络中的路由器根据 IP 数据报首部中的源 IP 地址、目的 IP 地址进行 “分组转发”。因此，网络层实现了 “主机到主机” 的传输
数据链路层为网络层提供服务，将网络层的 IP 数据报（分组）封装成帧，传输给下一个相邻结点（实现相邻节点的传输）

2. 功能总览

异构网络互联
- 异构：每个网络的拓扑结构不同、物理层与数据链路层的实现不同、主机类型也各不相同
  - 接入网络的每台主机至少拥有一个 IP 地址
  - 通常，路由器的每个接口都需要分配一个 IP 地址（最新技术标准已经取消了这个强制要求）
- 实现互联的设备：路由器（Router），在 TCP/IP 文献中，路由器也称为网关（Gateway）
路由与转发
- 路由：
  - 各个路由器之间相互配合，规划 IP 数据报（分组）的最佳转发路径
  - 各个路由器需要运行 “路由协议”，最终生成各自的 “路由表”
- 转发：
  - 一台路由器，根据自己的 “转发表”，将收到的 IP 数据报从合适的接口转发出去
  - 转发表是精简版的路由表，更精简的数据结构有助于快速检索
拥塞控制
- 拥塞
  - 原因：网络上出现过量分组，超负荷，引起网络性能下降
  - 现象：网络上的分组数增加，但吞吐量反而降低
  比如路上车多了，就会堵车
- 拥塞控制方法：
  1. 开环控制（静态的方法）：部署网络时，就提前设计好预防拥塞的方法，一旦网络系统开始运行，就不再修改
  2. 闭环控制（动态的方法）：动态监视网络状态，及时发现哪里发生拥塞，并将拥塞信息传递给相关路由器（如：通过 ICMP），相关路由器及时调整 “路由表”

二、IPv4

IP 协议（Internet Protocol，网际协议）是互联网的核心。
ARP 协议用于查询同一个网络中的【主机 IP 地址，MAC 地址】之间的映射关系
ICMP 协议用于网络层实体之间相互通知 “异常事件”
IGMP 协议用于实现 IP 组播

1. IPv4 数据报

IP 数据报也称为 IP 分组，格式如下：
首部包括：固定部分（20 B），可变部分（0 ~ 40 B）
版本：占 4 bit，用于区分网络层使用的 IP 协议版本（v4、v6）
首部长度：占 4 bit，表示 IP 数据报首部占多少字节，以 ×4B 为单位
区分服务：占 8 bit，不用管一般用不到
总长度：占 16 bit，表示 IP 数据报总共占多少字节（涵盖首部、数据部分），以 ×1B 为单位
标识：占 16 bit，由 IP 数据报的 “源主机” 生成，通常是自增序列
标志：占 3 bit
- 最低位 MF（More Fragment）：MF=1 表示后面还有分片，MF=0 表示这是最后一个分片
- 次低位 DF（Don‘t Fragment）：DF=1 表示不允许被分片，DF=0 表示允许被分片
- 最高位不管
片偏移：占 13 bit，表示数据部分在 “被分片前” 的位置，以 ×8B 为单位
生存时间：占 8 bit，常记为 TTL
- 是数据报在网络中可通过的路由器数的最大值
- TTL 的初始值通常由源主机设置；
- 每经过一个路由器，路由器就将 TTL 减 1，如果 TTL 减到 0，就直接丢弃分组，并向源主机发送 ICMP 报文
协议：占 8 bit，用于说明当前数据报为哪个协议服务（TCP 是 6，UDP 是 17）
首部校验和：占 16 bit，
- 每个路由器仅校验首部，而不校验数据部分
- 如果该字段设为全 0，表示不用校验
- 校验和的计算方法与 UDP 相同
源地址、目的地址：各占 32 bit，IPv4 地址，字面意思。
最大传送单元（MTU）：一个数据链路层数据帧能承载的最大数据量。以太网的 MTU = 1500 B。
分片问题
- 实际传输过程中，“数据部分” 的长度受下一段链路的最短 / 最长帧长限制，如果一个 IP 数据报的总长度超出了下一段链路的 MTU，就需要将 “数据部分” 分片。
- 每个分片都是一个可以被单独转发的 IP 数据报，都包含首部
- IP 数据报的 “分片” 可能在源主机、或任何一个路由器中发生
- 只有目的主机才会对分片进行 “重组”
- 各分片有可能乱序到达目的主机
- 由于首部的 “片偏移” 字段是以 ×8B 为单位，因此，除了最后一个分片外，其他每个分片的数据部分必须是 8B 的整数倍

2. IPv4 地址

IPv4 协议发明于 1981 年。地址位数为 32 位（2³² ≈ 42亿），IP 地址资源由 ICANN（互联网名字和数字分配机构）进行分配。
IP 地址的两级结构：<网络号, 主机号>
- IP 地址有 32 bit，8 bit 一组，分为 4 组，每组用十进制表示
- 最初的 IP 地址分配要求每台主机、每个路由器接口被分配的 IP 地址都是全球唯一的
- 从属于同一个网络的所有主机、路由器接口的 IP 地址 “网络号” 都相同
- 网络号不定长，可根据前几个比特判断类别（A、B、C、D、E），从而推测出网络号占几位
路由器和路由器连接的接口可以不分配 IP 地址，但路由器和其他节点连接的接口必须分配 IP 地址
当一台新主机接入网络时，需要给它分配一个 IP 地址，并配置 “默认网关”（网关就是路由器）

特殊的 IP 地址

这些特殊地址不能指派给网络中的任何一台主机或路由器 “私用”
如下表中，当网络号确定，主机号全 0、全 1 不可被私用。说明，如果一个网络中，主机号占 $N$ bit，那么这个网络中，最多支持 $2^N-2$ 台主机和路由器

下表中已被确定的网络号或主机号记为

Y

网络号	主机号	作为分组源地址？	作为分组目的地址？	代表的含义
$Y$	全 0	❌	❌	表示整个网络本身（只能用于路由表、转发表）
$Y$	全 1	❌	✅	向网络号为 $Y$ 的网络广播 IP 分组
0	$Y$	✅	❌	表示本网络中主机号为 $Y$ 的主机
全 0	全 0	✅	❌	本网络上的主机（会在 DHCP 协议中使用）
全 1	全 1	❌	✅	向本网络广播 IP 分组
127	非全 0 或非全 1 的任何数	✅	✅	环回自检地址。表示一台主机本身，用于本地软件环回测试

3. 子网划分与子网掩码

Ⅰ. 基本概念

子网划分
- 是初代 IP 地址的升级版，子网划分前是两级结构，子网划分后是三级结构：<网络号，子网号，主机号>
- 原理：假设有一个 IP 地址段，原网络号不变（不能动），原主机号占 $n$ bit，那么可以将前 $k$ bit 划出来作为子网号，用剩余的 $n - k$ bit 作为主机号，这样就能划分出 $2^k$ 个子网（每个子网包含的 IP 地址块大小相等）
- 每个子网中，主机号不能分配为全 0 / 全 1（子网本身和子网广播地址）
子网掩码
- 子网掩码为 32 bit，子网地址（网络号 + 子网号）有 $n$ 位，子网掩码的高 $n$ 位就为 1，低 $32 - n$ 位为 0
- 用子网掩码、IP 地址 逐位与，算出 <网络号，子网号>（可合称为 “网络前缀”）。只有网络前缀相同的 IP 地址，才归属于同一个网络（或子网）
- 如果一个网络内部进行了子网划分，那么这个网络中的每台主机、每个路由器接口都需要配置 IP 地址、默认网关、子网掩码
- 如果一台路由器支持子网划分技术，那么在它的转发表中，需要包含 <目的网络号，子网掩码，转发接口>
- 子网掩码的 CIDR 记法：比如 255.255.255.0 有 24 个 1，就记为 IP/24

Ⅱ. 默认设置

默认子网掩码
- 如果一个传统网络（A、B、C 类）内部没有进行子网划分，那么可以将对应此网络的转发表项设置为 “默认子网掩码”
- A 类默认 255.0.0.0、B 类默认 255.255.0.0、C 类默认 255.255.255.0
默认路由
- 默认路由（默认转发表项）设置全 0 0.0.0.0：<目的网络号全 0，子网掩码全 0>
- 在路由转发表中，如果所有表项都不匹配，那么将从 “默认路由” 转发出去

Ⅲ. 主机发送 IP 数据报的过程

判断目的主机和本机是否属于同一网络
1. 检查本机 IP 地址和目的 IP 地址的网络前缀是否相同（需要用本机配置的子网掩码 “逐位与”）
2. 若网络前缀相同，说明目的主机和本机属于同一个网络
3. 若网络前缀不同，说明不属于同一个网络
将 IP 数据报封装成 MAC 帧并发送到链路上
- 如果目的主机与本机属于同一个网络，就通过 ARP 协议找到目的主机的 MAC 地址，再将 IP 数据报封装成帧，并将帧发送给目的主机
- 如果目的主机与本机不属于同一个网络，就通过 ARP 协议找到默认网关的 MAC 地址，再将 IP 数据报封装成帧，并将帧发送给默认网关

Ⅳ. 路由器转发 IP 数据报的过程

路由器的某个接口收到一个 IP 数据报
对 IP 数据报首部进行校验，并从中找到目的 IP 地址
查 “转发表”
- 转发表的表项包含 <目的网络号，子网掩码，转发接口>
- 检查目的 IP 地址与每个表项能否匹配（将目的 IP 地址、子网掩码 “逐位与”，匹配表项中的目的网络号）
- 至少 “默认路由” 表项一定是可以匹配成功的（兜底）
转发
- 根据查转发表的结构，将 IP 数据报从匹配的接口转发出去
- 如果匹配的 “转发接口” 和该 IP 数据报的入口相同，就不用再把 IP 数据报转发回去

4. 无分类编址 CIDR

无分类编址（Classless Inter-Domain Routing，CIDR），即无类别域间路由选择。
- 传统 IP 地址分配方案分配不灵活，利用率低，为缓解 IP 地址耗尽，于 1993 年推出 CIDR
- CIDR 取消了 IP 地址传统的 A/B/C/D/E 分类，IP 地址块分配更灵活，利用率更高，一定程度上缓解了 IP 地址耗尽
- CIDR 的 IP 地址 = <网络前缀，主机号>，其中网络前缀不定长
- CIDR 记法：192.168.1.1/24，表示在这个 IP 地址中，网络前缀占 24 位，主机号占 8 位
定长子网划分：与传统的子网划分技术同理
- 在一个 CIDR 地址块中，把主机号前 $k$ bit 抠出来作为定长子网号，这样就能划分出 $2^k$ 个子网（每个子网包含的 IP 地址快大小相等）
- 缺点：每个子网都一样大，不够灵活，IP 地址利用率低，浪费有限的 IP 地址资源
变长子网划分
- 在一个 CIDR 地址块中，划分子网时，子网号长度不固定（每个子网包含的 IP 地址块大小不同）
- Tips：点对点链路是一个最小的子网，至少需要保留 2 bit 作为主机号（2 个接口 + 全 1 + 全 0 = 4 个 IP）
- 优点：子网划分更灵活，且方便地址资源的分层级管理

不管是定长还是变长，在每个子网中，主机号全 0、全 1 的 IP 地址不能分配给特定节点私用。

变长子网划分技巧：利用类似于 从根到叶构造二叉哈夫曼树
- 原始 CIDR 地址块作为根节点（假设可以自由分配的主机号占 $h$ bit）
- 每个分支节点必须同时拥有左右结点，左 0、右 1（反过来也行）
- 每个叶子节点对应一个子网，根据根节点到达叶子节点的路径来分析子网对应的 IP 地址块范围
- 整棵树的高度不能超过 $h - 1$ （因为即便最小的子网叶至少要保留 $2$ bit 主机号）

5. 路由聚合

路由聚合：对于一个路由转发表，如果几条路由表项的转发接口相同，部分网络前缀相同，那么可以将这几条路由表项聚合为一条。这种地址的聚合称为路由聚合，也称构成超网。
路由聚合与 CIDR 搭配使用：
- 采用 CIDR 技术后，路由器转发一个 IP 数据报在查转发表时，由于 “路由聚合”，一个 IP 地址在转发表中可能会匹配多个表项，此时应使用最长前缀匹配原则
优点：可以减少路由表的大小，表更小，查询更快
缺点：可能会引入额外的无效地址

6. 网络地址转换 NAT

网络地址转换（Network Address Translation，NAT）

在这里插入图片描述

传输层的端口号
- IP 地址 + 端口号确定一个特定的进程
- 网络层实现了 “主机到主机” 的通信。网络层在 IP 数据报的首部，指明源 IP 地址、目的 IP 地址
- 传输层实现了 “端到端”（进程到进程）的通信，传输层在 TCP（或 UDP）报文段的首部，指明源端口、目的端口
私有 IP 地址（内网 IP）
- 只允许分配给局域网内部的节点，不允许分配给互联网上的节点
- 每个局域网内部都可以自行分配这些私有 IP 地址
- 私有 IP 地址是可复用的，只要求局域网内唯一，不要求全球唯一
常用私有 IP：
- 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
- 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
- 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255
公网 IP 地址（外网 IP / 全球 IP 地址）
- 通常由 ISP 提供，全球唯一
- 公网 IP 是一个局域网与外界通信时所需使用的 IP 地址
NAT 路由器
- 作用：转发 IP 数据报时，进行内网 IP、外网 IP 的相互转换
- NAT 表：记录地址转换关系 <内网 IP：端口号> ⇔ <外网 IP：端口号>
- 一个 IP 数据报
  - 从内网转发到外网，会更改源 IP 地址、源端口号
  - 从外网转发到内网，会更改目的 IP 地址、目的端口号
- NAT 路由器包含传输层的功能（因为端口号是传输层的概念），普通路由器仅包含网络层及以下的功能

7. 地址解析协议 ARP

MAC 地址：
- 总共 48 bit，是网络适配器出厂时分配好的，全球唯一
- 一台主机至少有一个网络适配器（网线插口背后的芯片），因此主机至少有一个 MAC 地址
- 一台路由器有多个转发接口，每个接口背后都是一个网络适配器，因此路由器有多个 MAC 地址
以太网 MAC 帧：
- 在类型的位置，0x0800 表示是 IPv4 的 PDU，0x0806 表示是 ARP 的 PDU
ARP 协议的作用：在一个局域网内部，可以通过 ARP 协议查询到一个 IP 地址对应的 MAC 地址
ARP 表（ARP 缓存）：
- 每台主机、每台路由器都有自己的 ARP 表
- ARP 表是一个数据结构，用于记录 <主机 IP 地址，MAC 地址> 之间的映射关系
- 需要定期更新 ARP 表项
ARP 请求分组：
- ARP 请求分组封装进 MAC 帧（广播帧），帧目的地址全 1，源地址为请求发送方 MAC 地址
- ARP 请求分组内容：
  1. 我是谁？——请求方的 IP 地址、MAC 地址
  2. 我想找谁？—— 响应方的 IP 地址
ARP 响应分组：
- ARP 响应分组封装进 MAC 帧（单播帧），目的地址是请求方 MAC 地址，源地址是响应方 MAC 地址
- ARP 响应分组内容：响应方的 IP 地址、MAC 地址
ARP 分组格式，共 28 B

8. 动态主机配置协议 DHCP

动态主机配置协议（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）是应用层协议，使用 UDP 提供的服务，给网络层所需要的参数进行初始化
DHCP 的作用：给刚接入网络的主机动态分配 IP 地址、配置默认网关、子网掩码等网络相关的参数
DHCP 使用客户 / 服务器模型（C/S）
- 客户 UDP 端口号为 68，服务器 UDP 端口为 67
- DHCP 客户：新接入网络的主机（希望获得 IP 地址等配置）
- DHCP 服务器：负责分配 IP 地址的主机，管理一系列 IP 地址池。在家庭网络中，通常由家庭路由器兼职 “DHCP 服务器”
- 在一个大型网络中可以有多台 DHCP 服务器

在这里插入图片描述

DHCP 协议步骤：
1. 客户 → 服务器：DHCP 发现报文
  - 携带信息：客户主机的 MAC 地址（还可以提出对 IP 地址租用期的要求）
  - 网络层：源 IP 地址为 0.0.0.0，目的 IP 地址为 255.255.255.255（广播 IP 数据报）
  - 链路层：源 MAC为客户的 MAC 地址，目的 MAC 为全 1（广播帧）
2. 服务器 → 客户：DHCP 提供报文
  - 携带信息：给客户分配的 IP 地址、租用期、子网掩码、默认网关
  - 网络层：源 IP 地址为 DHCP 服务器的 IP 地址，目的 IP 为 255.255.255.255（广播 IP 数据报）
  - 链路层：源 MAC 为服务器的 MAC 地址，目的 MAC 为客户的 MAC 地址（单播帧）
3. 客户 → 服务器：DHCP 请求报文
  - 携带信息：客户机确认要使用的 IP 地址
  - 网络层：源 IP 地址为 0.0.0.0，目的 IP 地址为 255.255.255.255（广播 IP 数据报）
  - 链路层：源 MAC为客户的 MAC 地址，目的 MAC 为全 1（广播帧）
4. 服务器 → 客户：DHCP 确认报文
  - 携带信息：与报文 2 类似（图片参考报文 2）
  - 网络层：源 IP 地址为 DHCP 服务器的 IP 地址，目的 IP 为 255.255.255.255（广播 IP 数据报）
  - 链路层：源 MAC 为服务器的 MAC 地址，目的 MAC 为客户的 MAC 地址（单播帧）

9. 网际控制报文协议 ICMP

网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol，ICMP）属于网络层，ICMP 报文封装在 IP 数据报中，IP 协议为 ICMP 协议提供服务。
ICMP 可以让主机或路由器互相报告网络中发生的差错和异常情况
ICMP 报文的常见类型：
1. 差错报告报文：
  - 终点不可达：
    - 路由器告诉发送方：“目的 IP 地址不可到达”（道路不通）
    - 目的主机告诉发送方：“目的端口号不存在，我这边没有对应进程”
  - 时间超过
    - 路由器告诉发送方：“你的 IP 数据报到我这里 TTL = 0，被我丢了”（路程太远）
    - 目的主机告诉发送方：“你的 IP 数据报被分片了，规定时间内没到齐，我已全部丢弃”
  - 参数问题
    - 告诉发送方：“你的 IP 数据报首部参数不合法，或首部校验出错”
  - 改变路由（重定向）
    - 路由器告诉发送方：“对于这个目的网络，下次你让另一台路由器帮你转发，路径会更短”
  - ~~源点抑制（2012年后已废弃）：告诉发送方：“网络发送拥塞，丢包了，求求你发慢点”~~
2. 询问报文：
  - 回送请求（Echo Request）和回送回答（Echo Replay）：比如 ping 命令，用于询问目的主机是否在线
  - 时间戳请求（Timestamp Request）和时间戳回答（Timestamp Reply）：比如 traceroute/tracert、自动设置时间，请求和回答都是时间戳。
不必反馈 ICMP 差错报文的情况
- 若携带 ICMP 差错报告报文的 IP 数据报出错，不再反馈 ICMP 差错
- 若 IP 数据报被分片，则无论几个分片出错，都只反馈一次 ICMP 差错
- 若 IP 数据报的目的地址为多播地址，不反馈 ICMP 差错
- 若 IP 数据报的源地址为特殊地址（如 127.x.x.x、0.0.0.0），则即便发生 IP 数据报异常也不反馈 ICMP 差错

三、IPv6 地址

IPv6 于 1998 年诞生，地址有 128 位，能彻底解决 IP 地址不够用的问题。
IPv6 格式：
- 一般的未压缩格式：相较于 IPv4 的点分十进制记法，IPv6 采用冒号十六进制记法：16 位一段，记录为十六进制，段间以冒号分隔
2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
- 第一种压缩记法：去除每个分段的前导零
2001:db8:85a3:0:0:8a2e:370:7334
- 第二种压缩记法：用双冒号 :: 替代连续出现的多个 0，一个地址只能出现一次双冒号，否则会产生歧义
2001:db8:85a3::8a2e:370:7334
IPv6 地址资源分配：
- $n$ 位前缀， $128 - n$ 位接口标识符
- 支持无分类编址 CIDR，因此各层级可以灵活划分子网
- IPv6 因为地址空间很大，所以可以划分为更多的层次
- IPv6 支持即插即用（IP 地址自动配置），通常以主机自身的 MAC 地址作为接口标识符
- 可以不使用 DHCP，如果 IP 地址安全性要求较高也支持使用 DHCP 统一管理 IPv6 地址

IPv6 地址的分类：

地址类型	二进制前缀	说明
未指明地址	`00...0`（128 位），可记为 `::/128`	表示 “无地址”，类似 IPv4 的 `0.0.0.0`
环回地址	`00...01`（128 位），可记为 `::1/128`	类似 IPv4 的 `127.0.0.1`
多播地址	`11111111`（8 位），可记为 `FF00::/8`	发送到一组主机
本地链路单播地址	`1111111010`（10 位），可记为 `FE80::/10`	局域网内通信，不会被路由器转发
全球单播地址	除上诉四种外的其他所有 IPv6 地址

三类 IPv6 目的地址：
1. 单播（unicast）：传统的点对点通信
2. 多播（multicast）：一点对多点的通信，数据报发送到一组计算机中的每一台（比如：网络会议）
3. 任播（anycast）：
  - IPv6 新增的一种类型
  - 任播的终点是一组计算机，但数据报只交付其中的一台计算机，通常是距离最近的一台计算机（比如：多个 DNS 服务器共享一个任播地址）
  - 任播地址没有固定的前缀，通常由地址管理机构预先统一分配