【零基础计网入门笔记 04】网络层

解决不同网络之间的一个通信问题。

本章重点速览：

网络层提供的两种服务
网际协议 IP ※
网际控制报文协议 ICMP
IPV6
互联网的路由选择协议 ※
虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT

一、网络层提供的两种服务

1.1 两种服务

1. 虚电路服务

特点：
- 使用前必须建立可靠的连接；
- 如果有一个结点故障，则改连接无法接通；
- 是依靠网络建立连接的，所以大部分情况下连接可靠

2. 数据报服务（IP服务）

特点：
- 每一个服务是随机选择自己喜欢的道路出发的，不需要提前建立连接；
- 如果有一个结点故障，只会影响当下的分组，不会影响其他分组；
- 需要依赖用户主机，是不可靠的、尽最大努力交付的

1.2 关于两种服务的对比

二、网际协议IP

2.1 IP 地址

网际协议IP：是TCP/IP体系结构网际层中的核心协议。
IP地址：分配一个全世界范围内唯一的 32 位 的标识符。
- IP地址换算方法：
  - 32位二进制代码
  - 每八位分成一组
  - 将每八位二进制数转换成十进制数
  - 采用点分十进制记法
  - 网络号（楼栋编号）：前面一段格子，代表一整个独立局域网，全世界每一片局域网的网络号独一无二；
  - 主机号（房间号）：剩下后面所有格子，代表这片局域网里单独一台电脑 / 手机。
  - 32 个格子总数不变：
    - 网络号占的格子越多 → 留给主机号的格子越少 → 这个局域网能连的设备越少
    - 网络号占的格子越少 → 主机号格子越多 → 局域网能容纳上万台设备
- 根据网络号和主机号位数的不同，能够对这个 IP 地址进行分类，分成以下五类。

2.2 分类的IP地址

互联网刚诞生的时候，电脑很少，路由器芯片算力极差，算不了复杂数学。工程师想偷懒，直接一刀切固定死网络号长度：

A类地址：
- 8位网络号，24位主机号：分给国家级大型机构、运营商，他们需要超多设备
  - 第一位固定是0
- 范围：1.0.0.0 ~ 127.255.255.255
B类地址：
- 16位网络号，16位主机号：分给大型企业、高校，几千台设备够用
  - 前两位固定是10
- 范围：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
C类地址：
- 24位网络号，8位主机号：分给小公司、小实验室，几十台设备用
  - 前三位固定是110
- 范围：192.0.0.0~ 223.255.255.255

A、B、C类网络属于单播地址

D类地址：
- 前四位固定是1110，后28位是多播地址：单独做群发
- 范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
E类地址：
- 前四位固定是1111，后28位保留为今后使用
- 范围：240.0.0.0 ~ 247.255.255.255

这样分类的好处是，路由器只需要看 IP 第一个数字，立刻知道网络号多长，不用任何计算，老旧低端设备也能跑。坏处是，网段大小锁死不能改，这就是 IP 大量浪费的根源。

如何计算 ABC 分类怎么浪费地址
- 核心公式：主机号有 N 位，总地址数量 = $2^N$
- 其中有两个地址永远不能分给电脑
  - 主机号全 0：网络地址（代表整片局域网，不能给设备），路由器、交换机记录路由时只用这个总代号，代表该网段下所有设备。
  - 主机号全 1：广播地址（群发消息专用，不能给设备），即发一条消息，同一个局域网内所有联网设备都能收到。日常使用场景有：
    - 电脑连局域网后自动获取 IP；
    - 查找局域网设备；
    - 局域网联机游戏。
- 实际可用的设备数：$2^N - 2$
- 例如：小团队，只需要 30 台设备，分类体系下只能给 C 类，浪费两百多个 IP 地址
- 因此为了避免 IP 地址不够分，更换新方案（CIDR 子网掩码）

2.3 地址掩码（子网掩码）和无分类编址 CIDR

1. 子网掩码

子网掩码 = 自定义分割线

子网掩码：与IP地址一起使用，用于定义一个网络中哪些部分是网络地址，哪些部分是主机地址。
- 你想让网络号占多少位，就自定义分割线。
- 掩码二进制里写1的部分 = 网络号，写0的部分 = 主机号。
  - IP地址::=
  - 地址掩码::=
- 刚才的ABC分类法下：
  - A类网络的地址掩码：255.0.0.0
  - B类网络的地址掩码：255.255.0.0
  - C类网络的地址掩码：255.255.255.0
刚才的只需要 30 台设备的小团队：
- 不用完整 C 类（24位网络号），手动拉长网络号到27位，主机号只剩 5 位，$2^5$ = 32 个总地址，可用 30 台，正好装下，大幅节约地址。

掩码存在的核心意义：自由调节局域网大小，减少 IP 浪费。

2. 无分类编址 CIDR

搭配子网掩码一起使用，是子网掩码的表达方法。/n表示前 n 位是网络号。

IP地址::={<网络号>,<主机号>}
网络号为n位，主机号为32-n位

CIDR 记法：斜线记法（slash notation），a.b.c.d/n，二进制 IP地址的前 n 位是网络号
- 例如：128.14.35.7/20（前20位是网络号）
  - 可以求出/20地址的地址掩码：前20位都是1，其他都是0，因此可以求出点分十进制的地址掩码：255.255.240.0

2.4 网络地址

网络地址=（二进制的IP地址） AND （地址掩码）
- 1 AND 1=1，其他情况全为0
网络地址存在的意义：
- 判断两个 IP 地址是否在一个局域网。 人肉眼无法判断两段 IP 的网络号是否一致，举例如下：
  - IP1：192.168.1.14 /22 vs IP2：192.168.2.30 /22
  - 看似不在一个局域网，但前 22 位都是网络号，计算后发现二者网络地址完全相同，属于同一个局域网。
- 路由器不能存每一台设备的 IP，只能存整片网络地址。
  - 全世界几十亿台设备，如果路由器单独记录每一个 IP，存储直接爆炸。
  - 路由器只会记录一条规则：192.168.0.0/22 全部走这条网线，这里的192.168.0.0就是网络地址，是整片局域网的统一代号。没有网络地址，路由转发完全无法实现。
- 区分 “能用的 IP” 和 “专用标识 IP”。
  - 规则：网络地址（主机位全 0）、广播地址（主机位全 1）不能分配给手机电脑，只能做标识。
  - 必须通过 IP & 掩码计算，把这两个特殊地址找出来，避免分配出错。

2.5 地址解析协议

地址解析协议ARP：通过IP地址找出其相应的MAC地址
逆地址解析协议RARP：通过MAC地址找出其相应的IP地址

三、网际控制报文协议ICMP

ICMP

功能：差错报告
应用：分组网间探测PING

注：ICMP 封装在 IP 数据报的数据部分，是 IP 协议的必需的一个部分，可用来进行拥塞控制，是网络层的协议。

四、IPV6

第六个版本的 IP 协议，刚才的 IPV4 是第四个版本的 IP 协议。

4.1 IPV6

IPv6：128位，分为8组，每个组内再分为4组计算十六进制，采用冒号十六进制记法
零压缩（zero compression）：
- 连续 4 个零可用压缩为 1 个零；
- 一串连续的零可以用一对冒号取代，如FF05:0:0:0:0:0:0:B3可压缩为FF05::B3。
  - 一组里面只能使用一对冒号取代，如FF05:0:0:0:B3:0:0:0只能压缩为FF05::B3:0:0:0或FF05:0:0:0:B3::

4.2 从 IPV4 向 IPV6过渡

两种技术：双协议栈和隧道技术。

五、互联网的路由选择协议

路由器的构成：路由选择部分和分组转发部分

内部网关协议IGP
- RIP协议：基于距离向量的路由选择协议
  - 距离向量：例如，现在从 A 主机向 E 主机转发，其中要经过 3 台路由器，每经过一台路由器则称1跳，距离向量 +1。
  - 例题：
    - 第一步：完成表D修改路由器C的路由表，RIP 距离 = 路由器C的路由表的 RIP 距离 + 1，且下一跳都为 C。
    - 第二步：根据D修改路由器C的路由表和路由器D的路由表结合，完成新的路由器D的路由表，遵守规则如下：
      - 没有的网络直接添加（如 N1 直接添加）
      - 已有的网络，若下一跳路由器不同，则留 RIP 距离短的（如N6）；若吓一跳路由器相同，则留最新的（如N2）
- OSPF协议
外部网关协议EGP
- BGP协议

六、虚拟专用网 VPN 和网络地址转换协议

6.1 虚拟专用网 VPN

利用公用的互联网作为本机构各专用网之间的通信载体，这样的专用网又称为虚拟专用网 VPN。使用隧道技术实现虚拟专用网。

场景举例
- 公司总部在北京，内部内网网段 10.1.0.0；上海分公司内网 10.2.0.0。两个内网相隔千里，中间只能走公共互联网：
  - 直接裸传内网数据，数据明文传输，容易被窃取、篡改；
  - 两边内网地址互相不识别，没法直接访问对方内部服务器、共享文件。
隧道技术
- 北京内网要发给上海内网的数据，整体打包加密，外面再套一层公网 IP 的外壳；
- 加密后的数据包走公共互联网这条大马路，外人截获也无法解密看到里面的公司数据；
- 到达上海分公司 VPN 设备后，拆掉外层公网外壳、解密，还原原始内网数据包；
- 最终实现：北京、上海两个异地内网，如同处在同一个局域网，安全互通。

虚拟专用是什么意思？
没有专门拉一条物理光纤专线连接两地公司，只是借用大众公用的互联网，靠软件加密隧道模拟出一条私密内网通道，所以叫虚拟专用网。

6.2 网络地址转换协议 NAT

将本地地址转换为全球地址。

原因：
- 外网网站（抖音、百度）只认公网 IP，看不懂 192.168.1.50 这种内网地址，不会给内网设备回传数据。
- 同时 IPv4 公网地址数量稀缺，不可能给每一台设备单独分配一个公网 IP。
如何工作
- 手机发消息刷网页：数据包带着内网 IP 发给路由器，NAT 把数据包里的内网 IP 替换成家里的公网 IP，再发到互联网；
- 服务器返回视频 / 网页数据，只会发到你家公网 IP；路由器收到后，NAT 再把公网 IP 翻译回对应设备的内网 IP，传给你的手机。
关键作用
- 多台设备共享同一个公网 IP 上网，极大节约稀缺的 IPv4 公网地址；
- 隔离内网：外网无法主动直接访问你电脑的内网 IP，自带一层基础防护；
- 完成内网私有地址 ↔ 公网全球地址双向转换。

补充：
家用路由器用的是升级版 NAT（NAPT）。不止转换 IP，还会用端口区分不同设备，保证多台设备同时上网不会混乱。

posted @ 2026-07-11 15:26 Alkaid2077 阅读(2) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部

Alkaid2077