Sunset
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计算机网络 网络层
计算机网络 网络层
基本概念
- 网络层是第三层，也叫 IP层（主要考IP计算）
- 网络层提供灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务
- 主要任务：把分组从通过路由选择与转发从远端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务
- 物联网可以由多种异构网络互相组成
IP数据报分片
基本概念
- IP数据报：首部20字节 + 数据部分3800字节
- 需要分片为不超过1420的数据报片
- 片偏移计算：片偏移 = 原始 offset / 8（每个单位代表8个字节）
分片示例
| 数据报 | 首部 | 总长度 | 标识 | MF | DF | 片偏移 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 原始数据报 | 20 | 3820 | 12345 | 0 | 0 | 0 |
| 数据报1 | 20 | 1420 | 12345 | 1 | 0 | 0 |
| 数据报2 | 20 | 1420 | 12345 | 1 | 0 | 175 |
| 数据报3 | 20 | 1020 | 12345 | 0 | 0 | 350 |
计算说明：片偏移 175 = 1400 / 8
IP地址分类
五类地址
| 类别 | 地址范围 | 前缀 | 主机号位数 |
|---|---|---|---|
| A类 | 1-126 | 0 + 主机号 | 24位 |
| B类 | 128-191 | 10 + 主机号 | 16位 |
| C类 | 192-223 | 110 + 主机号 | 8位 |
| D类（多播） | 223-239 | 1110 | - |
| E类（保留） | 240-255 | 1111 | - |
注意：在IP协议中采用组播的是 D类IP地址
私有IP地址
- 路由器对于私有IP地址的数据报一律不进行转发
| 地址类别 | 地址范围 | 网段个数 |
|---|---|---|
| A类 | 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 | 1 |
| B类 | 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 | 16 |
| C类 | 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 | 256 |
特殊IP地址
| 网络号 | 主机号 | 用途 | 例子 |
|---|---|---|---|
| 全0 | 全0 | 本网范围表示主机，路由表中表示默认路由 | 0.0.0.0 |
| 全1 | 全1 | 本网广播地址（路由器不会转发） | 255.255.255.255 |
| 特定值 | 全0 | 网络地址，表示一个网络 | 某B类地址，172.17.0.0 |
| 特定值 | 全1 | 直接广播地址，对特定网络上的所有主机进行广播 | 某B类地址，172.17.255.255 |
| 127 | 任何数 | 用于本地软件环回测试，被称为环回地址 | 127.0.0.1 |
NAT技术
- IPv4不够了，使用NAT节约IPv4的地址
- 安装了NAT软件的路由器叫 NAT路由器，至少有一个外部全球IP地址
子网掩码与子网划分
二进制运算基础
二进制转换为十进制
例如：110012^0 + 2^3 + 2^4 = 1 + 8 + 16 = 25十进制转换为二进制
例如：194194 / 2 = 97 余 097 / 2 = 48 余 148 / 2 = 24 余 024 / 2 = 12 余 012 / 2 = 6 余 06 / 2 = 3 余 03 / 2 = 1 余 11 / 2 = 0 余 1
按倒序连接：11000010计算题汇总
1. 已知主机IP地址和子网掩码，求网络号
- 公式：
网络号 = IP地址 AND 子网掩码 - 按位与规则：11为1，否则为0
IP: 192.168.10.34掩码: 255.255.255.0
进行按位与运算：11000000.10101000.00001010.0010001011111111.11111111.11111111.00000000 =11000000.10101000.00001010.00000000
转换为十进制：192.168.10.02. 已知主机IP和子网掩码，求子网数、每个子网最大主机数
- 公式：
- 子网位数 n = 掩码中从原网络类借来的 1
- 子网数 = 2ⁿ
- 主机位数 m = 0的数量
- 每个子网主机数 = 2ᵐ - 2
IP：192.168.1.10子网掩码：255.255.255.224
看子网掩码最后一位：224 = 11100000子网位数 = 3（3个1）主机位 = 5（5个0）
子网数 = 2^3 = 8每个子网最大主机数 = 2^5 - 2 = 303. 已知网络号，X位子网号，求子网掩码
- 方法：子网掩码 = 原网络掩码 + X个1
网络号：192.168.0.0（C类，原掩码 /24）子网号位数：X = 3
原掩码：11111111.11111111.11111111.00000000加3位： 11111111.11111111.11111111.11100000
最终得到：255.255.255.2244. 已知网络号，要分成X个子网，求子网掩码和IP地址范围
- 计算方法：
- 找最小 n，使 2ⁿ ≥ X
- 新掩码 = 原掩码 + n
- 步长 = 256 - 掩码最后一段
- 按步长划分子网
网络号：192.168.1.0要求：分成 6 个子网
n = 3（因为 2^3 = 8 > 6）子网掩码：11111111.11111111.11111111.11100000 = 255.255.255.224步长 = 256 - 224 = 32
子网划分结果：| 子网 | 网络地址 | 可用主机范围 | 广播地址 ||------|----------|--------------|----------|| 1 | 192.168.1.0 | .1 – .30 | .31 || 2 | 192.168.1.32 | .33 – .62 | .63 || 3 | 192.168.1.64 | .65 – .94 | .95 || 4 | 192.168.1.96 | .97 – .126 | .127 || 5 | 192.168.1.128 | .129 – .158 | .159 || 6 | 192.168.1.160 | .161 – .190 | .191 |5. 已知子网掩码，判断哪些IP属于同一子网
- 方法：IP AND 子网掩码 → 网络号，网络号相同则同一子网
子网掩码：255.255.255.192步长 = 256 - 192 = 64
IP1：192.168.1.70IP2：192.168.1.120
子网范围：0-63, 64-127, 128-191, 192-25570在64-127之间，120也在64-127之间因此属于同一子网公式总结
- 网络号 = IP AND 掩码
- 子网数 = 2ⁿ
- 主机数 = 2ᵐ - 2
- 步长 = 256 - 掩码
- 同一子网：网络号相同
无分类编址CIDR
出现背景
- B类地址很快分配完毕
- 路由表中的项目急剧增长
目的
- 节约IPv4的资源
方法
- 将多个子网聚合成一个较大的子网
- 叫做构成超网，或路由聚合
重要协议
ICMP（Internet Control Message Protocol）
- 属于：网络层协议
- 用途：差错报告和网络控制
- 不用于：传输用户数据
重要表述（常考）
- ICMP 是 IP 的辅助协议
- 封装在 IP 数据报中传输
ICMP的作用（必背）
- 差错报告：主机或路由器发现问题，通知源主机
- 网络诊断：如 ping、tracert
ICMP的封装位置
┌──────────────┐│ ICMP 报文 │└──────────────┘ ↓┌──────────────┐│ IP 首部 │└──────────────┘结论：ICMP不直接使用链路层，必须封装在IP数据报中
ICMP差错报告的”不发送规则”（高频考点）
以下情况不发送 ICMP 差错报文：
- 对 ICMP 差错报文本身
- 对广播地址或多播地址
- 对分片中的非首片
- 对特殊地址（如 127.x.x.x）
ping 的原理
- 使用 ICMP 回送请求（类型8）
- 对方返回 ICMP 回送应答（类型0）
- ping 能检测：
- 主机是否可达
- 网络是否连通
- 往返时延（RTT）
- ping 不是应用层协议
ARP协议
- 属于：数据链路层传输的协议
- 作用：解决下一跳去哪里的问题
- 使用广播的形式传输
工作过程
- 检查ARP高速缓存，有对应表则写入MAC帧
- 没有则用目的MAC地址为
FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组 - 同一局域网所有主机都能收到这个请求
- 写入ARP缓存中
RARP协议
- 完成主机或路由器 MAC地址到IP地址 的映射
IGMP协议
- 如果周期性发送IGMP没有响应，那么认为这个组是不活跃的
- 就不再发送给其他组播路由器
OSPF协议
- 域内路由协议
网络层设备
路由器
- 主要工作在网络层
- 负责路由选择与转发