CN——网络层（上）

4.1 网络层概述

4.1.1 网络层核心任务

网络层的核心作用：将分组从源主机，经过多个网络、多条链路、多台路由器，最终传输到目的主机 。

网络层包含两大核心功能：路由选择 、分组转发。

4.1.2 两大核心功能详解

1. 分组转发

每一台路由器都会维护一张转发表。

路由器从某个接口收到分组后，读取分组首部的标识信息，查询转发表，根据查表结果，将分组从合适的接口转发至下一跳路由器或直接交付给目的主机。

|---------------|-----------------|--------------|------|
| 目的网络前缀 | 子网掩码 | 下一跳 IP | 出接口 |
| (192.168.1.0) | (255.255.255.0) | 直接交付 | eth0 |
| (172.16.2.0) | (255.255.255.0) | (10.0.0.2) | eth1 |
| (172.16.0.0) | (255.255.0.0) | (10.0.0.5) | eth2 |
| (0.0.0.0) | (0.0.0.0) | [(10.0.0.2) | eth1 |

转发过程只负责查表转发，不负责计算路径。

2. 路由选择

源主机与目的主机之间通常存在多条可达路径，网络层需要通过算法选择最优路径传输分组。路由选择负责计算、生成最优路径。

路由选择分为三种方式：

1. 人工路由选择（静态路由）

2. 分布式路由选择

3. 集中式路由选择

4.1.3 网络层提供的两种服务模型

网络层向上层提供两类截然不同的服务：面向连接的虚电路服务 、无连接的数据报服务。

1. 面向连接：虚电路服务

核心思想 ：可靠通信由网络层 保证。

工作流程三步：先建连接 → 沿虚电路传输分组 → 通信结束释放连接。

通信前，源主机与目的主机之间在网络层建立一条逻辑虚电路（VC） ，全程所有分组沿这条虚电路传输，网络提前预留资源。

关键区分：

• 电路交换：建立物理真实连接，属于物理层；

• 虚电路交换：建立逻辑虚拟连接，属于网络层。

地址使用规则 ：仅在虚电路建立阶段使用完整目的地址；数据传输阶段，分组首部仅携带虚电路编号（VCID），无需完整IP地址。

2. 无连接：数据报服务（Internet 真实采用）

核心思想 ：可靠通信由用户主机（运输层） 保证，网络层只负责尽力交付。

核心特点：

1. 通信前无需建立网络层连接，通信结束也无需释放连接；

2. 每个分组独立选路、独立转发，不同分组可走不同路径；

3. 每个分组首部必须携带完整目的IP地址；

4. 网络层尽最大努力交付，不可靠：分组可能丢失、出错、重复、失序。

将复杂的可靠处理功能放在网络边缘（主机、运输层） ；将简单、灵活、尽力交付的不可靠分组交付放在**网络核心（路由器、网络层），**大幅降低组网成本、提升网络灵活性、容错性极强。

虚电路服务、数据报服务对比

4.2 网际协议 IP 与 IPv4 编址体系

4.2.1 IP 协议核心作用

核心功能：异构网络互联。

异构网络：指拓扑结构、传输性能、底层协议各不相同的网络，由用户多样化需求产生。

所有异构网络通过路由器互联，且统一使用IP协议 。从网络层视角，所有异构网络被统一成一个逻辑整体------IP网。

主机通信时，无需感知底层网络的异构差异，如同在同一个网络中通信。

4.2.2 IPv4 地址定义

IPv4 地址：为 IP 网中每一个主机、每一个路由器接口 分配的全球唯一的 32bit 标识符。

表示方式：点分十进制 。

4.2.3 IPv4 三大编址发展阶段

IPv4 编址方式历经三代演进：

1. 第一阶段：分类编址（A、B、C、D、E类）

2. 第二阶段：划分子网编址（在分类编址基础上延伸，引入子网号）

3. 第三阶段：无分类编址 CIDR（当前互联网主流，彻底取消ABC类分类概念）

4.2.4 分类编址

分类编址将32位IPv4地址划分为两部分：网络号 + 主机号。

只有 A、B、C 类地址可分配给主机、路由器接口使用；D类多播、E类保留不可用。

两个特殊地址：

1. 主机号全0 ：代表本网络的网络地址，用于标识网段本身，不分配设备。

2. 主机号全1 ：代表本网段广播地址，用于全网段广播，不分配设备。

A、B、C类地址可指派规则与特殊限制

A类地址详细规则

A类地址网络号占8比特，最高位固定为0，剩余7位自由分配。

A类网络特殊保留网络号（不可指派）：

1. 网络号全0（0.0.0.0）：A类最小网络，该网络号保留，不能分配使用。

2. 网络号127.0.0.0 ：A类最大网络（剩余7位全1，十进制127），专门用作本地环回测试网络，禁止指派给外网设备。

环回地址功能 ：用于本地主机内部进程之间通信。主机发送目的地址为环回地址的IPv4数据包时，仅由本机协议软件处理数据，不会将数据包发送到任何外部网络。

B类、C类地址指派规则

B类地址、C类地址无全网保留的特殊网络号 ，所有合规网段均可正常指派使用，无需扣除保留网络数量。

分类编址的缺点

分类编址严格按照A、B、C三类固定网段分配，分配方式僵硬、不灵活，极易造成IP地址资源浪费。

典型举例：若某网络需要300个主机地址，单个C类网段仅包含256个地址，无法满足需求；只能分配一个B类网段，而一个B类网段拥有65536个地址，大量地址闲置，造成严重的IPv4地址资源浪费。

4.2.5 划分子网编址

1. 核心原理

在原有分类编址（A、B、C类）的基础上，从主机号部分借用若干比特作为子网号 ，将一个大的标准网段，划分为多个更小的子网，解决分类编址地址浪费问题。

2. 子网掩码作用与规则

子网掩码 用于 区分 IP 地址的「网络位」和「主机位」

1. 子网掩码中连续的比特1 ：对应IPv4地址的网络号 + 子网号部分；

2. 子网掩码中连续的比特0 ：对应IPv4地址的主机号部分。

4.2.6 无分类编址 CIDR

1. 基本概念

CIDR 全称无分类域间路由选择，是目前因特网唯一使用的编址方式，彻底取消A、B、C类地址分类限制，完全基于网络前缀划分网段。

2. 斜线记法

CIDR 采用斜线记法 ：在IPv4地址后加「/」，斜杠后数字代表网络前缀占用的比特位数，该位数对应原分类编址的「网络号+子网号」总位数。

3. CIDR 地址块聚合特性

CIDR 支持路由聚合（超网）：将多个网络前缀相同、地址连续的网段，合并为一个大的CIDR地址块，有效缩减路由表规模。

4.3 IPv4 地址应用规划：子网划分

IPv4地址应用规划，本质是将一个大的IP地址块，合理切分为若干更小的子网块 ，适配不同规模局域网，提升地址利用率。主要分为定长子网划分 和变长子网划分两种方式。

4.3.1 定长子网划分（FLSM）

使用固定长度子网掩码 进行划分，划分得到的所有子网，子网位数、主机位数、地址总数完全一致。划分规则统一、计算简单，但无法适配差异化网络规模，仍存在少量地址浪费。

4.3.2 变长子网划分（VLSM）

使用不同长度的子网掩码划分子网，可根据网络实际主机数量，分配大小适配的子网块。灵活性极强，最大限度节约IPv4地址资源，是工程与考研计算题主流方式，存在多种合法划分方案。

4.3.3 基于二叉树的子网划分方法

二叉树划分法可同时适用于定长、变长子网划分 ，是子网计算题的通用核心思路，配套通俗记忆的堵水法 逻辑：

1. 以完整地址块为二叉树根节点，从根开始逐层划分；

2. 每一个需要的子网对应一个「堵水点」，占用对应二叉树分支；

3. 已占用的分支不可重复划分、重复占用；

4. 划分结束后保证二叉树末端无空闲泄漏地址，划分精准无浪费。

CIDR 节约地址案例（点对点链路）

路由器之间的点对点专线链路，仅需2个可用IP地址（两端路由器接口各一个），CIDR可精准适配：

• /30 地址块 ：共4个IP地址，包含1个网络地址、1个广播地址，剩余2个可用主机地址，完美适配点对点链路；

4.4 MAC地址 与 IPv4地址 对比

4.4.1 层级归属与作用

1. MAC地址 ：数据链路层地址，用于同一局域网内设备帧识别与交付；

2. IPv4地址 ：网络层地址，用于跨网络、跨路由 的分组寻址与交付；

3. 端口号 ：传输层及上层地址，用于主机内部进程间通信区分。

4.4.2 传输过程变化规则

1. IP地址 ：IPv4数据报首部的源IP、目的IP，全程保持不变 （不考虑NAT网络地址转换），保证端到端通信标识唯一。

2. MAC地址 ：以太网帧首部的源MAC、目的MAC，每经过一跳路由器就会刷新变化，仅用于当前链路的帧交付。

因特网为什么不能只用MAC地址？

因特网必须同时使用IP地址与MAC地址，仅靠MAC地址无法实现全网通信，核心原因两点：

1. 地址结构差异 ：MAC地址是无平面结构 的硬件地址，无法路由、无法跨网寻址 ；IP地址是层次化结构 （网络号+主机号），支持路由聚合、跨网络寻址，适配大规模互联网。

2. 路由开销巨大：若仅使用MAC寻址，路由器路由表需要记录全网所有主机、所有接口的MAC地址，条目数量爆炸式增长，极大占用存储空间、增加查表时延、占用大量网络传输资源，完全无法实现。

总结 ：IP地址负责跨网络宏观选路 （只记录网络条目），大幅精简路由表；MAC地址负责局域网内部微观交付，完成单链路帧转发，二者分层协作实现全网通信。

4.5 地址解析协议 ARP

网络通信依靠IP地址选路，局域网帧交付依靠MAC地址，因此主机需要建立IP地址与本机/局域网设备MAC地址的映射关系。

地址解析协议ARP 的核心功能：根据已知的目标IP地址，动态查询获取对应的MAC地址，完成网络层IP地址到数据链路层MAC地址的解析，实现跨层协同通信。

4.5.1 ARP 核心机制与高速缓存

每一台主机、路由器接口都维护一张ARP高速缓存表，用于临时存储「IP地址---MAC地址」映射条目，避免每次通信都重复发送ARP广播，提升通信效率。

4.5.2 ARP 完整工作流程

场景：同一局域网内，主机A想要获取主机B的MAC地址

1. 查询缓存：主机A先查找自身ARP高速缓存，若无主机B的IP-MAC映射，则发起ARP请求。

2. 发送ARP广播请求 ：主机A构造ARP请求报文，封装在以太网帧中发送。 帧特征：源MAC=主机A MAC，目的MAC=全F广播地址。 报文内容：我（A的IP、A的MAC）想要查询「B的IP」对应的MAC地址。

3. 交换机广播转发：广播帧被交换机接收，向本网段所有端口广播，局域网内所有主机（B、X、Y、Z等）均收到该帧。

4. 非目标主机（主机 X、Y、Z**）处理规则** ： 主机X、Y、Z剥帧取出ARP请求，解析发现请求查询的IP不是本机IP，不响应、不回复 。 但会主动缓存主机A的IP+MAC映射 到自身ARP表中。

5. 目标主机（主机B）处理规则 ： 主机B解析ARP请求，发现查询IP为本机IP，立即记录缓存主机A的IP、MAC。 构造ARP响应报文，封装为单播帧回复主机A。

6. ARP单播响应报文 ： 帧特征：目的MAC=主机A的MAC（单播） 。 响应内容：我（B的IP、B的MAC）就是你要查询的主机。

7. 主机A接收更新缓存：主机A收到单播帧，验证目的MAC匹配本机，接收报文并将「B的IP-MAC」写入自身ARP高速缓存。

4.5.3 ARP 高速缓存的两种条目类型

1. 动态ARP条目（默认主流）

自动通过ARP请求/响应学习生成，具有时效性、生命周期。

生命周期内无通信触发更新，则自动超时删除。

超时机制原因：IP与MAC映射并非永久固定。例如主机更换网卡，IP不变但MAC改变，旧映射失效，必须通过超时更新保证准确性。

补充：交换机MAC地址表的接口-MAC映射同样具有时效性，动态老化。

2. 静态ARP条目

由管理员手动配置 的永久映射条目，无过期时间、不会自动覆盖、不会超时删除，可手动删除。

用途：绑定网关、服务器等关键设备映射，防止动态ARP更新出错、防止ARP欺骗攻击，保障网络稳定安全。

4.5.4 跨网段 ARP 工作规则

ARP 只能在同一局域网（同一广播域）生效，无法跨网络直接解析。

1. 源主机与目的主机跨网段通信时，源主机不会解析远端目的主机MAC；

2. 源主机仅通过ARP解析默认网关的MAC地址，将数据发给网关；

3. 数据每经过一台路由器、进入一段新链路，新链路都会重新执行ARP解析；

4. 只有最后一跳路由器，会通过ARP解析真正的目的主机MAC地址，完成最终交付。

4.5.5 ARP 协议缺陷

ARP协议无任何安全校验机制 ，极易被伪造，存在ARP欺骗、ARP中毒、中间人攻击等安全漏洞。

4.5.6 ARP 终极总结

ARP协议用于解决同一广播域内IP地址到MAC地址的映射。

主机通过广播ARP请求、单播ARP响应完成地址解析；所有收到广播的主机均会缓存源端映射，仅目标主机回复响应。

ARP缓存分为动态时效条目与静态永久条目。

ARP不可跨网络通信，跨网段仅解析网关MAC，最后一跳解析目的主机MAC。

4.6 IPv4 数据报的发送与转发过程

4.6.1 直接交付 与 间接交付

主机发送IPv4数据报分为两种交付方式：

1. 直接交付 ：源主机与目的主机处于同一个网络（同一网段），无需经过路由器，主机之间直接通信交付数据报。

2. 间接交付 ：源主机与目的主机处于不同网络 ，无法直接通信，必须交由默认网关（路由器） 中转转发。

4.6.2 主机判断同网段/异网段的核心算法

源主机判断依据：用自身子网掩码，分别对自身IP、目的IP做逐比特逻辑与运算，对比网络号是否一致。

实战举例：

主机A：IP=10.1.1.1，子网掩码=255.255.255.0

1. 计算自身网络号：A的IP & 子网掩码 = 10.1.1.0

2. 判断主机B（同网段） ：B的IP & A的掩码 = 10.1.1.0，网络号一致 → 直接交付。

3. 判断主机C（异网段） ：C的IP=10.2.2.1，C的IP & A的掩码 = 10.2.2.0，网络号不一致 → 间接交付，发往网关。

与本机网络号相同 → 同网直接交付；不同 → 跨网间接交付。

4.6.3 路由器对单播IPv4数据报的转发规则

1. 先校验：正确接收的条件

路由器收到数据报后，必须先校验，满足以下条件才会处理转发：

1. IPv4首部无校验误码、字段无差错、无非法值、字段完整；

2. 生存时间TTL未递减至0，数据报未超时报废。

不满足条件则直接丢弃该数据报。

2. 查表转发：最长前缀匹配原则

路由器根据数据报首部的目的IP地址查询转发表。

转发表核心条目：目的网络、地址掩码、下一跳。

当目的IP同时匹配多条路由条目时，严格执行最长前缀匹配：

子网掩码越长、网络前缀越长，网段越具体、优先级越高，优先匹配转发。

3. 路由器对广播数据报的处理

路由器隔离广播域 ：路由器正确收到广播IPv4数据报 后，直接丢弃、不转发，有效限制广播风暴跨网络扩散。

4.7 IPv4 数据报首部格式

IPv4数据报首部结构：固定20字节 + 可变选项字段（最大40字节） ，因此IPv4首部总长度范围：20～60字节。

4.7.1 首部核心字段

1. 版本字段（4bit）

标识IP协议版本，当前全网统一使用 版本号4（IPv4）。通信双方IP版本号必须一致，否则无法通信。

2. 首部长度字段（4bit）

用于标识IPv4首部的总长度，以4字节为单位 计数。

4bit字段最大取值15，对应最大首部长度 15×4=60字节，与IPv4首部最大长度一致。

若无选项字段，首部长度固定为20字节，该字段值为5（5×4=20）。

口诀：一总八片首四

释义：总长度（1字节为单位）、片偏移（8字节为单位）、首部长度（4字节为单位）。

3. 首部长度字段取值范围

首部长度字段为4bit，以4字节为单位：

• 最小值 0101（十进制5） ：5×4 = 20字节，对应无选项的固定首部；

• 最大值 1111（十进制15）：15×4 = 60字节，对应固定20字节 + 最大40字节可变选项填充部分。

填充字段规则：若添加选项后，首部长度无法凑成4字节整数倍，则用全0填充字段 补齐，强制保证首部4字节对齐。

4. 总长度字段（16bit）

以1字节 为单位，表示IPv4首部 + 数据载荷 的总长度。

16bit字段最大取值65535字节，即IPv4数据报理论最大长度为65535字节。

实际受限：以太网帧 MTU=1500字节（最大传输单元），因此网络中几乎不会出现65535字节的超大IP数据报，超长数据报必须分片传输。

5. 标识、标志、片偏移（分片三大核心字段）

三个字段配合完成IPv4数据报分片与重组，解决IP数据报长度超过链路MTU无法封装的问题。

（1）标识字段（16bit）

源主机每发送一个新IP数据报，分配一个唯一标识号。同一个原始数据报拆分出的所有分片，标识字段完全相同，目的主机依靠该字段区分哪些分片属于同一个原始数据报。

（2）标志字段（3bit）

三位结构：最高位保留位 + DF位 + MF位

• 保留位：固定为0，协议保留，不可更改；

• DF位（不允许分片位） ：DF=1 禁止分片 ，数据报超长直接丢弃；DF=0 允许分片；

• MF位（更多分片位） ：MF=1 代表后续还有分片 ；MF=0 代表当前是最后一个分片，无后续分片。

（3）片偏移字段（13bit）

以8字节为单位，标识当前分片的数据载荷，相对于原始IP数据报数据起始位置的偏移量。

硬性规则 ：除最后一个分片外，所有前置分片的数据长度必须是8字节的整数倍。

分片重组规则

目的主机收到所有分片后，通过相同标识字段判定同源分片 ，再根据片偏移字段从小到大排序，最终完整重组为原始IPv4数据报。

6. TTL 生存时间字段（8bit）

TTL（Time To Live，生存时间）字段占8bit，用于限制数据报最大转发跳数、防止环路死循环。

路由器转发规则 ：路由器每收到一个可转发的IP数据报，先将首部TTL字段自动减1 ；再判断

• 减1后 TTL > 0：正常查表转发；

• 减1后 TTL = 0：直接丢弃数据报，不再转发。

完整转发规则补充 ：路由器将TTL减1后，仅当TTL≠0时，查表正常转发 ；若TTL=0，直接丢弃该IPv4数据报，同时向数据报源主机发送ICMP差错报告报文 ，错误类型为时间超过。

TTL核心作用 ：防止因路由错误、路由环路导致IPv4数据报在互联网中无限循环兜圈。若无TTL机制，环路数据包会永久占用链路带宽、消耗设备资源，造成严重网络资源浪费。

TTL拓展应用：

1. 实现**路由跟踪（tracert）**功能，利用每跳TTL自动减1、超时报错的特性，探测源主机到目的主机的完整转发路径；

2. 限制IP多播数据报的传播范围；

3. 用于网络监控、操作系统识别：主流系统默认TTL固定，Windows默认TTL=128，Linux默认TTL=64。

7. 协议字段（8bit）

标识IPv4数据报的数据载荷部分采用的传输层协议PDU类型，用于告知目的主机网络层交付数据给上层哪种协议处理。

核心固定取值：

8. 首部检验和字段（16bit）

用于校验IPv4数据报首部 在传输过程中是否发生误码、字段出错，仅校验首部、不校验数据载荷。

只校验首部的原因 ：每经过一台路由器，TTL、标志位、片偏移等首部字段大概率会发生改变，需要重新计算检验和；仅校验首部可大幅减少路由器计算开销，提升转发效率。

4.7.2 校验算法：因特网检验和

IPv4不采用复杂的CRC循环冗余校验，使用简易反码求和校验，运算速度更快、开销更低，该算法同样适用于TCP、UDP报文段。

1.发送方计算流程

1. 将IPv4首部的「首部检验和」字段置全0；

2. 把整个IPv4首部划分为若干个16比特二进制序列；

3. 对所有16比特序列执行反码求和运算；

4. 将最终求和结果按位取反 ，写入首部检验和字段，完成封装发送。

2.接收方校验流程

1. 将接收的IPv4首部再次划分为若干16比特序列；

2. 统一执行反码求和运算；

3. 运算结果为全0：首部无传输误码，数据合法；

4. 运算结果非0：首部出现差错、数据损坏，直接丢弃该数据报。

3.实例

4.算法特点

1. 因特网检验和校验精度弱于CRC，但运算速度更快、处理效率更高，适配路由器高速转发场景；

2. IPv6重大优化：IPv6取消了路由器首部检验和计算，进一步降低转发开销、提升转发速率；