计算机网络_4网络层

1.简介与基本概念

　　多个网络通过路由器互连称为一个互连网络，网络层处理与此相关的问题。

• 尽最大努力交付

　　网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。每一个IP数据报独立发送，这样路由器简单，价格低。

　　那么可靠性的任务交给谁来完成？运输层。

• 虚拟互联网络

　　物理互联不现实，因此通过路由器实现网络互联和路由选择。

　　ICP/IP的做法是：网络层采用标准化协议，但互连的网络可以异构。互连的计算机网络使用相同的网际协议IP(Internet Protocol)，但互连之后，就可以看成是同一个虚拟互连网络(internet),利用IP协议，使互连起来的从网络层看起来是一个统一网络，简称为IP网。

• 分类的IP地址

①什么是IP地址？

　　因特网是一个单一、抽象的网络，IP地址是给因特网的每台主机(或路由器)的每个接口分配的一个唯一的32位标识符，目前由ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)公司进行分配。

　　分类的IP地址：IP地址 = 网络号(net-id) + 主机号(host-id)

②ABC类IP分析

	可指派网络数	指派网络号范围	主机号	占IP地址的
A	126=2^7-2	[1-126]	16777214=2^24-2	50%
B	16383=2^14-1	[128.1-191.255]	65534=2^16-2	25%
C	2097151=2^21-1	[192.0.1-223.255.255]	254=2^8-2	12.5%

　　分级的作用：分配IP地址时仅分配网络号，主机号自主分配，便于管理；路由器根据网络号转发分组，不考虑主机号，减少路由表存储空间以及查找路由表的时间；

③举个栗子

• IP地址与硬件地址

　　物理地址：数据链路层和物理层使用的地址，放在MAC帧的首部

　　IP地址：网络层和其上使用的地址，为逻辑地址，放在IP数据报的首部。

2.网际协议IP

2.1网际协议IP及配套协议

　　与IP协议配套使用几个协议。

　　IP数据报的意义

• 实验：网络命令的使用

　　Ping是一个使用ICMP(网际控制报文)协议的程序，可以在IP主机和路由器之间传递控制消息，可以测试连通性。Windows上运行Ping会发送4个ICMP回送请求，每个32字节，如果正常的话，就会得到4个回送应答。

运行命令行cmd，进行实验

非常重要的小技巧！：命令+空格+？可以弹出命令的提示

1. 检测网络故障

①Ping 127.0.0.1：本地环回地址

本地IP会向127.0.0.1发送请求，127.0.0.1收到后会返回数据到本机，均在本地进行，相当于饶了一圈，所以称为环回地址，可以验证本地计算机是否正确安装了TCP/IP协议，配置是否正确。

TTL:Time to Live，指的是数据包最多可以经过多少路由器，每经过一次，TTL-1，当TTL为0时2路由器会丢弃。

②Ping本机IP：检查本地配置是否存在问题

③Ping其他IP：如局域网内其他IP,网关IP,远程IP等，均可检测连通性

④Ping localhost：本地主机，127.0.0.1的别名

⑤Ping www.×××.com：如有故障，则表示本地DNS的IP地址不正确，或者DNS服务器故障

2.网络状态Netstat：显示与IP.TCP,UDP,ICMP协议相关的统计数据，一般来检测本机各端口的网络连接

①关于以太网的统计数据：Netstat -e

②显示所有协议的使用状态：Netstat -s

3.IPconfig：显示当前所有的TCP/IP配置值，DHCP(刷新动态主机配置协议)和DNS(域名系统)的设置。

①给出所有接口配置：IPconfig /all

②刷新配置：IPConfig /renew，使用DHCP的客户端向DHCP重新租用IP地址(一般网卡会给一个与之前一样的IP地址)

4.ARP命令：查看本地或另一台计算机的ARP高速缓存中的内容

①arp -a：查看全部项目

5.Tracert：跟踪路由路径，也就是数据报访问目标的路线图

①直接使用Tracert，例如Tracert www.163.com访问网易服务器

6.Netstat:提供关于NetBIOS的统计数据

①NBtstat -a 另一台主机的IP地址：查看对方主机的MAC地址

2.2地址解析协议ARP

　　每个主机会设一个ARP高速缓存，存储的是本局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。当主机A要向本数据网上的主机B发送IP数据报时，就先在ARP高速缓存查看有没有B的IP地址，如果有，就找出其硬件地址，写入MAC帧，通过局域网把MAC帧发往此硬件地址。

　　如果主机A没有主机B的IP地址，或者主机A刚通电，高速缓存为空怎么获得其他地址呢？

step1：主机A在局域网广播发送ARP请求，内容为：“我的IP地址是××，硬件地址是××，我想知道IP地址为××的主机B的硬件地址”

step2：局域网上所有主机运行的ARP进程收到此ARP请求。

step3：主机B收到后向主机A发送ARP响应分组，给出硬件地址，其他主机则忽略。

step4：主机A收到主机B的ARP响应分组后，在ARP高速缓存中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射。

2.3IP层转发分组

　　IP转发分组的过程是“走一步看一步”的，例如从家里到机场，不知道该怎么走，那么每到一个路口(路由器)就问一次路，路人(路由表)会告诉你，下一步怎么走，重复这个过程直到抵达最终目的地。

　　分组转发具体算法如下：
①数据->路由器->从数据报的首部提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地址为N。

②路由器判断：若网络N与路由器直连，则直接交付。否则③

③查路由表：若有目的地址为D的特定主机路由，则传给它，否则④

④查路由表：若有到网络N的路由，则传送，否则⑤

⑤查路由表：若有默认路由，则传送，否则报告出错。

　　结合上述，路由器有几个重要特点：

①路由表记录网络，而不是主机号。每个网络有很多主机，要是记主机号，路由表就会太庞大。

②走一步，看一步，路由主要的信息是目的网络地址+下一跳地址。知道下一跳就可以前往下个路由，再根据目的网络地址查下一跳地址，直到到达最后一个路由器，再直接交付。

③优先传送特定主机路由。可以对特定的目的主机指明其路由，这样会优先传给该路由。(便于调试等)

④使用默认路由以减少路由表空间和搜索时间。当找不到目的网络时，路由器就会传给默认路由，在网络只有很少的对外连接时比较有用。