第4章 网络层与IP协议计算机网络基础教程主要内容4.1 网络层4.2 IP协议4.3 使用IP协议进行网络互连4.1 网络层4.
1.1 网络层基本概念4.1.2 网络互连4.1.3 络互连设备4.1.1 网络层基本概念网络层是OSI参考模型中的第三层，介于运
输层和数据链路层之间，它解决整个网络的数据通信，将数据设法从源端点经过若干的中间节点传送到目的端。通信子网及广域网的最高层就是网络
层，因此网络层主要作用是控制通信子网正常运行，以及解决通信子网中的路由选择问题。4.1.1 网络层基本概念什么是面向连接服务与无连
接服务？面向连接服务是指在数据传输之前，必须先建立连接，当数据传输结束后，就终止这个连接。面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接
拆除三个阶段。在传送数据时是按序传送的。无连接服务是指在通信之前不需要建立好一个连接，要传送的分组直接发送到网络进行传输，但每个分
组都要携带目的地址信息，以便在网络中找到路由。无连接服务与面向连接的服务在网络层的具体实现就是：数据报服务和虚电路服务。4.1.1
网络层基本概念1、数据报服务在数据报方式中，每个分组被称为一个数据报。数据报服务特点：网络随时都可接受主机发送的数据报。网络为每
个数据报独立地选择路由。数据报采用的服务只是“尽最大努力地”将数据报交付给目的主机网络不能保证所传数据报不丢失、也不保证按发送的先
后顺序及在某个时限内必须交付给目的主机、不保证传送的数据报不重复和不损坏 。数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。4.1
.1 网络层基本概念2、虚电路服务虚电路服务特点：网络的源主机和目的主机之间先要建立一条逻辑通道。所有分组按顺序到达目的主机。“虚
电路” 和电路交换的连接有很大的不同。当占用一条虚电路进行计算机通信时，由于采用的是存储转发的分组交换，所以只是断续地占用一段又一
段的通信线路，即这一条电路不是专用的，所以称之为“虚”电路。当需要经常进行频繁的通信，还可以建立永久虚电路。永久虚电路只有数据传输
阶段。 4.1.1 网络层基本概念3、两种网络服务的特点4.1.2 网络互连不同的网络采用的技术各不相同并互不兼容，但仍可设计出能
在异构网络间提供通信的一种技术，这一技术就称为网络互连。专门的硬件系统用于将一系列的物理网络进行互连，而软件系统为所有连上的计算机
提供通信服务。 连接了各种物理网络的一个大型计算机网络被称为互连网络（internetwork）或简称为互连网或互联网（inter
net）。使用大写字母的Internet是指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议
族，其前身是美国的ARPNET。4.1.3 网络互连设备将各个异构网络互相连接起来需要的中间设备又称为中继系统。根据OSI的分层原
则，中继系统一般有以下几种：中继器，工作在物理层；网桥，工作在数据链路层；路由器，工作在网络层；网关，工作在网络层以上。4.2
IP协议4.2.1 IP地址及子网掩码4.2.2 地址转换协议4.2.3 IP数据报4.2.4 ICMP协议4.2 IP协议In
ternet（因特网、互连网）是一个全球范围的、由众多网络连接而构成的互连网，所使用的协议是TCP/IP。网际协议IP是用于互连许
多计算机网络进行通信的协议，因此这一层也常常称为网际层，或IP层。还有三个协议与IP协议配套使用：地址解析协议ARP、逆地址解析协
议RARP、Internet控制报文协议ICMP。 4.2.1 IP地址及子网掩码1、IP地址IP地址就是给每一个连接在Inte
rnet上的主机分配一个在全世界范围是惟一的32位二进制数。IP地址在进行编址时是采用两级结构的编址方法。互联网中的每一个物理网络
都被分配了惟一的值作为网络号，网络号在从属于该网络的每台计算机IP地址中作为前缀出现，而同一物理网络上给每台计算机分配一个惟一主机
编号作为IP地址的后缀。IP地址＝网络号＋主机号4.2.1 IP地址及子网掩码2、IP地址分类IP地址分成了五类，即A类到E类。
A、B、C三类称为基本类，每类有不同长度的网络号和主机号。A类B类C类D类E类位 0 1 2 3 4 5 6 7 8
15 16 23 24 314
.2.1 IP地址及子网掩码IP地址常采用点分十进制进行表示：将32位数中的每8位分为一组，每组用一个等价十进制数表示，在各个数
字之间加一个点。4.2.1 IP地址及子网掩码3、特殊IP地址特殊的IP地址也称为保留地址，从不分配给主机。4.2.1 IP地
址及子网掩码4、IP地址特点IP地址不能反映任何有关主机位置的地理信息当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机必须具有两个IP地址
，其网络号不同。这种主机称为多接口主机(如路由器)。由于IP地址中有网络号，因此IP地址不仅仅是标识一个主机(或路由器)，而是指明
一个主机(或路由器)和一个网络的连接。按因特网的观点，用中继器或网桥连接的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络
号。一个路由器的不同接口必须被配置成不同的网络号。4.2.1 IP地址及子网掩码5、子网掩码划分子网时，是用IP地址中的主机号字
段中的前若干位作为“子网号字段”，后面剩下的仍为主机号字段。IP地址为三部分，分别为网络号字段、子网号字段和主机号字段。网络号子网
号主机号IP地址就变为三级的IP地址：网络号、子网号和主机号。 4.2.1 IP地址及子网掩码子网的划分必须用子网掩码来确定，确
切指出子网号字段需要多少位进行编码。TCP/IP体系规定用一个32位的子网掩码表示子网号字段的长度。子网掩码由一连串的“1”和一连
串的“0”组成。“1”对应于网络号字段和子网号字段，而“0”对应于主机号字段。若不进行子网划分，则子网掩码即为默认值，即子网掩码中
“1”的长度就是网络号字段的长度。 子网掩码默认值A类：255.0.0.0 11111111
00000000 00000000 00000000B类：255.255.0.0 11111111 11111111 000
00000 00000000 C类：255.255.255.0 11111111 11111111 11111111 000000
004.2.1 IP地址及子网掩码6、专用互连网可用的IP地址因特网规定了3个地址范围，用于专用网络。这些地址不分配给任何因特网
上的注册网络，因此可以供任何单位内部专用网络使用。这3个地址范围是： 10.0.0.0～10.255.255.255
1个A类地址 172.16.0.0～172.31.255.255 16个连续的B类地址 192.16
8.0.0～192.168.255.255 255个连续的C类地址 4.2.1 IP地址及子网掩码7、超网因特网提供了一种
可以将多个C类网络合并为一个逻辑网络的方法，这就是无类域间路由CIDR技术。超网技术是将多个C类地址合并，要求合并的C类地址必须具
有相同的高位，也就是说要合并的必须是一些连续的地址，此时子网掩码被缩短，以便将C类地址的网络字段中的部分位变成主机字段，并使得这些
被合并的C类地址都在一个子网中。4.2.2 地址转换协议通过互连网传送分组时，是利用IP地址进行转发分组。但是在通过物理网络硬件
传送帧时，却必须使用硬件地址。因此，在传送帧之前，必须将下一站的IP地址翻译成等价的硬件地址。将一台计算机的IP地址翻译成等价的硬
件地址的过程就叫地址转换，这个转换是由地址解析协议ARP来完成的。地址解析是一个网络内的局部过程，即连在同一物理网络中的两台计算机
才能相互解析另一台计算机的硬件地址，计算机是无法解析远程网络上的计算机地址的。ABFR1R2主机A只能解析B的地址，而不能解析主机
F的地址4.2.2 地址转换协议4.2.2 地址转换协议逆地址解析协议RARP：使只知道自己硬件地址的主机能够知道自己的IP地
址。为了使RARP能工作，在局域网上至少有一个主机要充当RARP服务器，无盘工作站先向局域网发出RARP请求，并在此请求中给出自己
的硬件地址。RARP服务器有—个事先做好的从无盘工作站的硬件地址到IP地址的映射表，当收到RARP请求分组后，RARP服务器就从这
映射表查出该无盘工作站的IP地址。然后写入RARP响应分组，发回给无盘工作站。无盘工作站用此方法获得自己的IP地址。4.2.3
IP数据报网际层采用的是无连接服务，数据传输单位是IP数据报。IP数据报以一个首部开始，后跟数据。4.2.4 ICMP协议ICM
P允许主机或路由器报告差错和提供有关异常情况的报告。ICMP定义了五种差错报文和四种信息报文。五种差错报文是：源抑制、超时、目的不
可达、改变路由、要求分片。四种信息报文是：回送请求/应答、地址掩码请求/应答。ICMP是IP层的协议，ICMP使用IP数据报来传送
每一个差错报文。当有一个ICMP报文要传送时，它是作为IP层数据报的数据被封装在其中，加上IP数据报首部然后发送出去。4.3 使
用IP协议进行网络互连4.3.1 IP协议互连原理4.3.2 路由协议4.3.3 路由器原理与使用4.3.1 IP协议互连原理I
P协议是如何做到使异构的物理网络相互连接，一个数据报究竟是如何在互连网上传输的？答案是使用了路由器，由路由器将数据报从一个网络转发
到另一个网络。在每个路由器中会有一张路由表，其中每一项都指定了一个目的地和为到达这个目的地所要经过的下一站。在路由表中列出的目的地
是一个网络，而不是一个单独的主机。4.3.1 IP协议互连原理网1网2网3网4R1R2R3R2的路由表4.3.1 IP协议互连
原理4.3.1 IP协议互连原理使用路由表为数据报选择下一站的过程叫路由或转发。当路由器收到一个待转发的数据报后，会取出目的地址
，用它从路由表得出下一站路由器的IP地址，然后通过物理网络将数据报传送到下一站的路由器。物理网络并不了解数据报格式和IP地址。每种
硬件技术定义了自己的帧格式和物理寻址方式。解决的方法是采用一种封装技术。IP数据报被封装进一个帧的数据部分。IP首部IP 数据帧首
部帧 数 据4.3.1 IP协议互连原理封装除了将数据报放入帧的数据区，还要求发送方提供数据报要去的下一站的物理地
址。数据报在一次转发中封装只发生一次,通过物理网络传给下一站。帧到达下一站时，接收方从帧中取出数据报，然后丢弃这一帧。如果数据报必
须通过另一个网络转发时，就会产生一个新的帧。在通过互连网的整个过程中，帧头并没有累积起来。只有在数据报要通过一个网络时，才被封装。
R1R2源主机目的主机数据报数据报数据报数据报数据报数据报数据报帧1头部帧2头部帧3头部4.3.2 路由协议Internet将整
个互连网划分为许多较小的自治系统，一般简称AS。一个自治系统是一个互连网络，它有权自主决定在本系统内应采用何种路由选择协议。Int
ernet把路由选择协议划分为两大类：内部网关协议IGP，即在一个自治系统内部使用的路由选择协议，而这与在互连网中的其他自治系统选
用什么路由选择协议无关。主要有RIP和OSPF协议。外部网关协议EGP，用于自治系统之间的路由选择协议，若源站和目的站处在不同的自
治系统中(这两个自治系统使用不同的内部网关协议)，当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另—个自
治系统中。用得最多的是BGP。4.3.2 路由协议1、路由信息协议RIPRIP是一个基于距离向量的分布式路由选择协议。RIP的“
距离”为到目的网络所经过的路由器数，也称为“跳数”。RIP认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少，也就是说“距离短”。RIP允
许一个通路最多只能包含15个路由器。因此“距离”的最大值为16时即相当于不可达。4.3.2 路由协议相邻路由器就是连接在同一个网
络上的两个路由器。 RIP的工作方式是让互连网中的每个路由器每隔30秒向相邻路由器广播自己的路由表。每一个路由器根据其相邻路由器发
送来的路由信息，不断建立和更新自己的路由表，最后算出到每一个目的网络的最佳路由。路由表更新的原则是使到每个目的网络的距离最短。RI
P报文使用运输层的用户数据报UDP进行传送。RIP存在的问题是当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此消息传送到所有的路由器。
即好信息传得快，坏消息传得慢。4.3.2 路由协议2、开放最短路径优先OSPFOSPF是分布式的链路状态协议。一个路由器的“链路
状态”就是该路由器都和哪些网络或路由器相邻，以及将数据发往这些网络或路由器所需的费用。OSPF的要点：(1)所有路由器都有一个链路
状态数据库。(2)每一个路由器用链路状态数据库中的数据算出自己的路由表。(3)OSPF的更新过程收敛得快。(4)OSPF依靠个路由
器之间的频繁交换信息来建立链路状态数据库。(5)OSPF不用UDP而是直接用IP数据报传输。4.3.3 路由器原理与使用路由器与
其他计算机相似，也有内存、操作系统、配置和用户界面，Cisco路由器中的操作系统，被称为互连网络操作系统Internetwork
Operating System或IOS，其版权归Cisco所有。路由器也有一个引导过程，用于从ROM装入引导程序，并将其操作系统
和配置装入内存。路由器与其他计算机所不同的是其用户界面以及内存的配置。1、路由器的内存类型ROM，含有一份路由器使用的IOS拷贝。
RAM，被IOS分为共享内存和主存。主存用于存储路由器配置和与路由协议相关的IOS数据结构。共享内存用于缓存等待处理的报文分组。Flash（闪存），保存着在路由器上运行的IOS当前版本。NVRAM，非易失性RAM，在掉电后，其内容不会丢失。4.3.3 路由器原理与使用2、引导路由器路由器的引导过程为：（1）从ROM装入引导程序。（2）从闪存装入操作系统IOS。（3）查找并加载NVRAM中的配置文件，或在预先指定的网络服务器中的配置文件。若配置文件不存在，则路由器进入设置模式。4.3.3 路由器原理与使用3、配置Cisco的用户界面路由器可以通过一个控制台端口Console口与PC机相连，以便对路由器进行配置。将PC机的9针串口连到RJ-45电缆，再与路由器Console口相连即可。在PC机运行终端仿真程序，将终端仿真程序设置为9600bps、8位数据位、无奇偶校验和1位停止位，就可以对路由器进行设置。 |
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