考研408--计算机网络--day7--网络层&IPv4&子网划分&CIDR

（以下内容全部出自上述课程）

目录

• 网络层
• • [1. 地位](#1. 地位)
  • [2. 大纲](#2. 大纲)
  • [3. 图例](#3. 图例)
  • [4. 小结](#4. 小结)
• IPv4分组
• • [1. 各协议之间的服务关系](#1. 各协议之间的服务关系)
  • [2. IP数据报](#2. IP数据报)
  • • [2.1 格式（穿插）](#2.1 格式（穿插）)
    • [2.2 分片问题](#2.2 分片问题)
    • [2.3 生存时间（TTL）](#2.3 生存时间（TTL）)
  • [3. 小结](#3. 小结)
• IP
• • [1. 最初的IP地址分类方案](#1. 最初的IP地址分类方案)
  • [2. IP分组转发（例子）](#2. IP分组转发（例子）)
  • [3. 特殊用途的IP地址](#3. 特殊用途的IP地址)
• 子网划分&子网掩码
• • [1. 未使用子网划分](#1. 未使用子网划分)
  • [2. 划分为两个子网](#2. 划分为两个子网)
  • [3. 划分为四个子网](#3. 划分为四个子网)
  • [4. 小结](#4. 小结)
  • [5. 子网掩码的应用](#5. 子网掩码的应用)
  • [5. 过程分析](#5. 过程分析)
  • [6. 子网掩码的CIDR记法](#6. 子网掩码的CIDR记法)
  • [7. 练习](#7. 练习)
• CIDR
• • [1. 传统IP的缺陷](#1. 传统IP的缺陷)
  • [2. 无分类编址CIDR](#2. 无分类编址CIDR)
  • [3. 定/变长子网划分](#3. 定/变长子网划分)
  • [4. 传统定长缺陷](#4. 传统定长缺陷)
  • [5. 应用](#5. 应用)
  • [6. 做题技巧及例题](#6. 做题技巧及例题)
  • [7. 小结](#7. 小结)
• 路由聚合
• • [1. 路由聚合](#1. 路由聚合)
  • [2. 最长前缀匹配原则](#2. 最长前缀匹配原则)
  • [3. 过程分析](#3. 过程分析)
  • [4. 练习](#4. 练习)

网络层

1. 地位

• 网络层：IP数据报
• 数据链路层 ：帧
  
  

2. 大纲

3. 图例

4. 小结

• 异构 ：比如拓扑结构有星型、总线型，使用的连接设备都不同，所以剩下网络层之下的数据链路层和物理层也会不一样。
• 网关：路由器
• 路由器：转发表=精简版路由表
• 开环控制：提前告诉你到达一个地址，有哪几条路可以走，这个路堵了就规定走具体的另一条路，是按照计划有更换顺序的
• 闭环控制 ：使用高德地图，实时查看拥堵，堵了就换另一条
  

IPv4分组

1. 各协议之间的服务关系

• A-->B：B协议支持A协议（下一个层级的协议支持上一个层级的协议）
• IP协议：核心
• ARP协议：IP+MAC
• ICMP协议：网络层的异常
• IGMP协议 ：IP组播
  

2. IP数据报

2.1 格式（穿插）

• 版本：通常是版本四，就是一个数字4
• 首部长度：以X4B为单位，代表这个数字的四倍才是它的长度
• 区分服务：用不到
• 总长度：首部+数据部分
• 注意 ：这里数据部分的长度是理论长度 ，不是实际长度
  
• 注意：这是一个十六进制的表 一个十六进制占4bit，一个十六进制数可以表示四位二进制数
• 4：4bit = 一个十六进制数，版本号，IPv4
• 5：4bit = 一个十六进制数，首部长度，但需要×4B
• 00：8bit = 两个十六进制数，区分服务，不重要
• 0030 ：16bit = 四个十六进制数，总长度，换算成十进制数就是48，48×1B=48B
  

2.2 分片问题

以太网MAC帧具体内容可见：MAC层

• 分片：相当于你寄快递有限重，所以你就不能把所有的东西用一个快递发送，需要分成两个快递发送
• 最大传送单元 ：限重的最大重量
  
• 链路1的MTU=4000>链路2的MTU，就是后边儿的限重，所以必须分成几个快递再发送
• IP首部就相当于快递单，包含了发送的地址和接收的地址及其他，所以就算分成了好几个快递，每个快递都需要有这个快递单
• MF：更多分片（后面会讲）
• DF ：不分片（后面会讲）
  
  就像上面讲的，大快递=好几个小快递，快递=快递单+货物，即IP数据报=IP首部+数据部分，无论大小都需要这个固定格式
  
• 分片发生地：类似快递，只可能卖家或者中转站帮忙分快递
• 目的主机重组：就是我们是买家，快递的送达方，我们就可以把快递（比如说机器零件）重新组装好
• 乱序到达：卖家或者中转站分开快递，那就随便儿发货咯，人那么忙，怎么可能还记着顺序
• 片偏移 ：X8B=八的整数倍（具体下一张图会说）
  
• 标识：快递单号，商家发货时自动生成
• 标志：MF=1，表示后面还有分片，DF=1（不允许分片，超重就直接扔掉）
• 片偏移：表示分片被分之前，在全部的哪个位置
• 实际数据部分的长度：受下一个链路的限制

片偏移字段以8字节为单位的设计是由IP协议的结构和效率需求决定的。这种设计既能满足数据报的最大长度要求，又能优化字段的使用效率。

2.3 生存时间（TTL）

经过一个路由器，TTL的值就减1，到达B时还有值就传送成功，等于0就直接扔掉然后返回异常（ICMP）。

• 生存时间：TTL
• 协议：TCP=6，UDP=17
• 首部检验和 ：全0就不用校验
  
• 协议 ：网络层的IP数据报向传输层传输的时候可以选择TCP协议（6）或者是UDP协议（17）。
  
• 源地址：卖家地址
• 目的地址 ：买家地址
  

3. 小结

• 4：首部长度单位：×4B
• 1：总长度单位：×1B
• 8 ：片偏移单位：×8B
  

IP

1. 最初的IP地址分类方案

• 单播地址：相当于QQ号-->分给单个主机
• 多播地址：相当于QQ群号-->分给一个群组

因为之前的时代使用计算机的人很少，所以用这个方法分配的IP地址就很少。

• A类：以0开头的地址

• B类：以10开头的地址（其余同理）

• 结构：32bitIP地址=网络号+主机号，分成了8bit的十进制数字的组合，例如192（8bit）.168（8bit）.1（8bit）.1（8bit）

• 注意：A以0开头，B以10开头，开头的数字也是网络号内的，比如A以0开头的8bit二进制数能表示的范围是1~126。

• IP地址是唯一的

• 路由器连路由器的接口不需要IP地址（见下图的B0和C0），路由器连其他需要IP地址（见下图B2或C2）

• 同一网络的设备的网络号都相同（见下图的某学校路由器及六台主机）

• 新主机接入网络，需要分配IP地址，配置默认网关（就是你这个主机发送消息需要通过哪个路由器）
  

2. IP分组转发（例子）

地址段的分配：如上图，A-->B-->C，第一个8bit网络号的大小依次增加，网络号占的bit位也依次增加，所以B类地址固定的IP网络号就是前两个十进制数字：166.1.x.x，C类地址占的第一个十进制数更大，占的固定的bit位更多：200.1.1.x

• A类：网络号占8bit = 一个十进制数字
• B类：网络号占16bit = 两个十进制数字
• C类：网络号占24bit = 三个十进制数字
• 默认网关：就是路由器连接这个局域网的其他设备接口的IP地址。
• 转发表：简洁版的路由表，记录各个路由器的IP地址。
• ARP协议：同网络间的主机根据IP地址可以互查MAC地址（以后会学）

例子-H1-->H7：

1. 配置默认网关后：H1知道默认网关的IP地址后，通过ARP协议查询这个默认网关的IP地址所对应的MAC地址（数据链路层），所以在H1将要传输的IP数据报封装成帧的时候，直接把这个帧的目的MAC地址直接写成B2接口所对应的MAC地址。
2. H1结点把IP数据报发送给交换机，经过逐层转发（因为知道目的MAC地址了），就通过B2接口转发到了路由器
3. 到达路由器就开始检查路由器转发表，目的网络号能和B0接口匹配上，因为从B0传输放到C0，所以需要把此时的MAC地址改为C0的MAC地址，也就把这个IP数据报重新封装成帧，把IP数据报从B0转发出去
4. 到达C0，检查自己的网络号能和路由器转发表的C2接口对上，就需要从C2接口传输出去，但是此时也需要修改MAC地址，也是利用ARP协议查询目的地址所对应的MAC地址，修改为H7的MAC地址，重新封装成帧
5. 从C2接口传出去到达交换机，交换机根据帧的目的地址从左端口转出去到达H7
   
   例子-H1-->H6：
6. H1先将自己的IP地址和目的地址的网络号相对比（B类对比前16bit=两个十进制数），一样就说明处于同一个网络中，就不需要发送给默认网关了，然后ARP协议查询目的地址的MAC地址，直接封装成帧说明H6的MAC地址
7. H1-->交换机-->交换机-->集线器
8. 集线器收到帧直接无脑全部发，H5会收到MAC帧，不属于它直接扔到，H6会收到MAC帧，检查目的地址，属于就留下
   

3. 特殊用途的IP地址

如上图的重要结论，IP地址一共就占32bit，网络号占的bit多，主机号占的bit自然就少了，等级越低的网络可分配的主机也就越少。

-2是因为要减去主机号全为1和全为0的情况。

特殊用途第二行：H1-->200.1.1.255（二进制全1就是十进制255）：H1给200.1.1的网络的全部设备都发送IP数据报

特殊用途第三行：H1-->H3：H1可以写为0.0.0.1，只可作为源地址使用

特殊用途第五行：H1-->全1目的：给本网络的全部设备发送数据报，包括网关

特殊用途四五行：全0源，全1目的：本主机给本网络的所有主机

全0源：常用于一台主机刚接入网络的时候，表示自己现在是无IP地址的状态，通过播报一个DHCP报文来让自获得一个IP地址

特殊用途第六行：自己给自己发送，环回自检地址

子网划分&子网掩码

此节涉及大量过程，建议查看原视频：【王道计算机考研 计算机网络-哔哩哔哩】

1. 未使用子网划分

未划分子网的IP=网络号+主机号

2. 划分为两个子网

划分了两个子网的IP=网络号+子网号+主机号

子网号=1bit --> 2¹=2

3. 划分为四个子网

划分了两个子网的IP=网络号+子网号+主机号

子网号=2bit --> 2²=4

4. 小结

• 划分顺序 ：网络号-->子网号-->主机号
  

5. 子网掩码的应用

• 子网掩码：网络号+子网号的比特位全部为1，主机位全部为0
• 使用方法 ：目的IP地址与子网掩码逐位相与（就是屏蔽掉你的主机号，查看你的网络号和子网号，就能看出是否在同一个子网中）
  
  

5. 过程分析

6. 子网掩码的CIDR记法

/XX：就是前XX位都是1，其余位都是0.

7. 练习

CIDR

1. 传统IP的缺陷

传统IP分配方案不灵活，可用的IP地址太少。

2. 无分类编址CIDR

传统IP是先分配网络号再分配主机，无法把主机供给放在前面。

CIDR是先看主机需求量，根据主机需求量来改变网络前缀的长度，显然更加灵活。

• 网络前缀：由IP地址机构分配
• 主机号：由本单位自行分配

CIDR记法：128.12.32.0/21

• 按照IP地址：这里的21是网络前缀占了21bit
• 按照掩码：这里的21是前21bit是全1，剩余部分全0
  

3. 定/变长子网划分

定长：子网号长度固定

变长：子网号长度不固定

4. 传统定长缺陷

比如一个学校想划分4个子网，就需要2bit的子网号（2²），也就是每个子网有2^(16-2)个IP地址，但是有的子网不需要这么多的IP地址，因为是固定划分的，所以就可能导致IP地址的浪费。

5. 应用

根据所需分配的主机数量来 分配子网号，比如图中的北京和上海的人比较多，分配的子网号就只占了3bit对应可分配的主机就很多；

青海的人比较少，分配的子网号就占了5bit，大大减少了可分配的主机数量。

• 分给铁柱16个IP：主机号占位-->2⁴=16，子网号=5-4=1bit
• 给旺财8个IP：主机号占位-->2³=8，子网号=5-3=2bit
• 给狗剩4个IP：主机号占位-->2²=4，子网号=5-2=3bit
  
  为什么狗剩只有一个电脑但是要分给他4个IP呢？
  因为他自己一个电脑需要一个IP，路由器连接电脑的接口也需要一个IP，并且主机号全为1和全为0的IP是不可以分配的，所以他自己就需要四个IP。
  

6. 做题技巧及例题

可以把CIDR变长子网划分看成一个哈夫曼树：

画得越深，子网可分配得IP地址数就越小。

7. 小结

路由聚合

1. 路由聚合

路由转发表中的转发接口相同 ，部分网络前缀也相同的IP地址可以聚合成一条线路。

• 减少路由表的大小，可以查询更快，因为不用查那么多条数据了。
• 无效地址：沿用CIDR的例子，最后有四个无效地址，它们和划分出去的子网的网络前缀都相同，所以还是可能会通过路由器转发过来，但是到了咸鱼电信一查没有这个ip地址，然后就只能通过0.0.0.0/0的F0接口转发出去，但是他和输入进来的接口相同，所以就可以直接把这个数据报丢弃，也没啥大影响。
  

2. 最长前缀匹配原则

比如铁柱网吧嫌咸鱼电信网慢，又从县里的电信直连了一条网络，他分配的也必须是之前的子网的网络前缀，但是如果还按照路由聚合，就可能传的数据报可能还是从咸鱼电信转了一次，效率不高，所以这次的子网前缀就必须采用最长前缀原则。

简单一句话：谁前缀重复的多，就从谁那儿走。

3. 过程分析

4. 练习