计算机网络第四章笔记（一）

一、 网络层概述

1.1 网络层要实现的功能

1. 分组转发

   1. 路由器收到分组后，依据自身转发表 ，从合适接口转发至下一跳/router或目的主机。

   2. 转发标识：可为目的IP地址（数据报服务）、虚电路标识符VCID（虚电报服务）等。

2. 路由选择 ：决定源主机到目的主机的传输路径，方式分为：

   1. 人工路由选择：运维人员配置路由表。

   2. 分布式路由选择：路由器运行路由协议，协作计算路由表。

   3. 集中式路由选择：网络控制中心统一计算并分发路由信息。

3. 路由表与转发表的区别

   1. 路由表：仅包含目的网络到下一跳的映射，需优化拓扑变化计算。

   2. 转发表：由路由表生成，结构优化查询效率。

1.2网络层向上层提供的两种服务

1. 面向连接的虚电路服务

   1. 核心思想：可靠通信由网络自身保证。

   2. 过程：建立网络层虚电路（VC）→沿虚电路发分组→通信结束释放虚电路。

   3. 特点：分组首部仅在建立阶段用完整目的地址，后续仅需虚电路编号；分组按序到达。

2. 无连接的数据报服务

   1. 核心思想：可靠通信由用户主机保证。

   2. 过程：无需建立连接，每个分组携带完整目的地址，可走不同路径；通信结束无需释放连接。

   3. 特点：分组可能误码、丢失、重复、失序；路由器结构简单，网络造价低、灵活性高。

3. 虚电路服务与数据报服务对比

   |------|------------------|-----------------|
   | 对比方面 | 虚电路服务 | 数据报服务 |
   | 思路 | 可靠通信由网络保证 | 可靠通信由用户主机保证 |
   | 连接 | 必须建立网络层连接 | 无需建立网络层连接 |
   | 目的地址 | 仅连接建立阶段使用，后续用VC号 | 每个分组需携带完整目的地址 |
   | 分组转发 | 同虚电路分组按同一路由转发 | 分组可走不同路由 |
   | 节点故障 | 故障节点的虚电路失效 | 故障节点可能丢包，路由可能变化 |
   | 分组顺序 | 按发送顺序到达 | 到达顺序不一定与发送顺序一致 |
   | 服务质量 | 易实现 | 难实现 |

二、 网际协议

2.1异构网络互连

1. 异构网络：指网络的拓扑、性能、协议等存在差异的网络（如接入机制、差错恢复、路由选择、寻址方案、最大分组长度不同）。

2. IP网的概念：异构网络的网络层均使用IP协议时，从网络层视角看形成统一的IP网，主机通信时无需关注底层网络的异构细节。

2.2IPv4地址及其编址方法

1. IPv4地址定义 ：给IP网上主机/路由器的每个接口分配的32比特唯一标识，采用点分十进制 表示（每8比特转换为十进制，用.分隔）。

2. 编址方法的三个阶段

   1. 分类编址 ：最基本的编址方法，将32比特IPv4地址分为网络号 （标识网络）和主机号 （标识主机/接口），分为A、B、C、D、E五类地址：

      特殊地址：主机号全0为网络地址，全1为广播地址；127开头为本地环回测试地址。

   2. 划分子网编址 ：在分类编址基础上，从主机号借用比特作为子网号 ，用子网掩码标识子网号位数（连续1对应网络号+子网号，连续0对应主机号）。

   3. 无分类编址（CIDR） ：消除分类编址和子网划分的概念，采用斜线记法 （如128.14.35.7/20，20表示网络前缀比特数）。

3. 分类编址的缺点：分配不灵活（仅按A/B/C类分配），易造成IPv4地址浪费。

2.3 IPv4地址的应用规划

1. 子网划分策略

   1. 定长子网划分（FLSM）：采用固定子网掩码，所有子网网络前缀长度相同，只能划分出2的幂次方个子网，灵活性低、地址利用率可能较低。

   2. 变长子网划分（VLSM）：采用可变子网掩码，子网网络前缀长度可不同，可划分出非2的幂次方个子网，灵活性高、地址利用率高。

2. 子网划分方法

   1. 基于二叉树划分：定长子网划分方案唯一，变长子网划分有多种方案。

   2. 堵水法：在二叉树中挑选子块的方法，核心规则为：从根节点灌水；要满足每条分支仅一个"堵水点"（不重复封堵）；二叉树末端不"漏水"。

3. 无分类编址的优势 ：灵活性高，可高效利用IPv4地址资源（如点对点链路可用/30地址块，仅含4个地址，2个用于路由器接口）。

2.4 MAC地址与IPv4地址

1. 封装位置：MAC地址是数据链路层使用的地址，IPv4地址是网际层使用的地址，端口属于传输层及上层应用层。

2. 地址变化特点：IPv4数据报的源/目的IP地址在传输中保持不变（除经NAT路由器）；以太网帧的源/目的MAC地址随网络（链路）逐段变化。

3. 双地址存在的必要性：仅用MAC地址寻址会导致路由器路由表需记录所有主机/接口的MAC地址，占用大量通信资源和存储空间，且转发时延大；IP地址按网络划分，可大幅减少路由表条目数量。

2.5 地址解析协议（ARP）

1. 核心作用 ：通过已知IP地址找到对应的MAC地址。

2. 工作原理

   1. 主机维护ARP高速缓存表，记录IP与MAC地址的对应关系。

   2. 若未找到目标MAC地址，发送ARP请求报文 （封装在以太网广播帧中，目的MAC为FF-FF-FF-FF-FF-FF）。

   3. 非目标主机收到请求后，记录发送方IP-MAC映射，不回应；目标主机收到后，记录发送方映射，发送ARP响应报文 （封装在以太网单播帧中，目的MAC为发送方MAC）。

3. ARP高速缓存表特性

   1. 记录类型：动态（通过ARP自动获取，有生命周期）、静态（手工配置，永久有效）。

   2. 特殊ARP：无偿ARP（Gratuitous ARP）用于检查IP地址冲突。

4. 局限性

   1. 无安全验证机制，存在ARP欺骗风险。

   2. 仅解决同一局域网内的IP-MAC映射，不能跨网络使用。