计算机网络（三）>>> 网络层

互联网采用的设计思路是：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。

一、网际协议IP

网际协议IP 是TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一，也是最重要的互联网标准协议之一。

与IP 协议配套使用的还有三个协议：

1. 地址解析协议ARP；
2. 网际控制报文协议ICMP；
3. 网际组管理协议IGMP。

IP 经常使用ARP ，而ICMP 和IGMP 则经常使用IP

虚拟互连网络

由于参与互连的计算机网络都使用相同的网际协议IP，因此可以把互连以后的计算机网络看成一个虚拟互连网络。即利用IP 协议使得各种性能各异的网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络。
这种使用IP 协议的虚拟互联网可称为IP 网。

使用IP 网的好处是：当IP 网上的主机进行通信时，就好像在一个单个网络上通信一样。若在覆盖全球的IP 网的上层使用TCP 协议，那么就是现在的互联网。
因此，互联网可以由多种异构网络互连组成。

分类的IP 地址

IP 地址及其表示方法

整个的互联网就是一个单一的、抽象的网络。IP 地址就是给互联网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32位的标识符。IP 地址现在由互联网名字和数字分配机构ICANN进行分配。
一个IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。

分类的IP 地址即将IP 地址划分为若干个固定类，每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号，它标志主机（或路由器）所连接到的网络。一个网络号在整个互联网范围内必须是唯一的。
第二个字段是主机号，它标志该主机（或路由器）。一台主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。
由此可见，一个IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。

这种两级的IP 地址可以记为：

      IP 地址 ::={<网络号>,<主机号>}

其中“::=”表示“定义为”

其中A、B和C类地址都是单播地址（一对一通信），D类地址用于多播。E类地址留作后用。

IP 地址都是32位的二进制代码，为了提高可读性，通常在每8位插入一个空格，可用其等效的十进制数字表示，并在数字之间加上一个点。例如128.11.3.31

常用的三种类别的IP 地址

A

A类地址的网络号字段占1个字节，只有7位可供使用。原因是IP地址中全0表示“这个”，即本网络。而网络号为127保留作为本地软件环回测试本主机的进程之间的通信之用，即若主机发送一个目的地址为环回地址的IP 数据报，则本主机的协议软件就处理数据报中的数据，而不会把数据报发送到任何网络。

A类地址的主机号占3个字节，每一个A类网络中的最大主机数是2²⁴-2。原因是全0的主机号字段表示该IP 地址是“本主机”所连接到的单个网络地址，即主机号为5.6.7.8的主机所在的网络地址是5.0.0.0）。而全1表示“所有的”，因此全1的主机号表示该网络上的所有主机。

B

B类地址的网络号字段有2个字节，但前面的两位（10）已被固定，只剩下14位可以进行分配。

但实际上B类网络地址128.0.0.0是不指派的，而可以指派的B类最小网络地址是128.1.0.0，因此B类地址可指派的网络数为2¹⁴-1。B类地址的每一个网络上的最大主机数是2¹⁶-2。

C

C类地址有3个字节的网络号字段，最前面的3位是（110），还有21位可以进行分配。

C类网络地址192.0.0.0也是不指派的，可以指派的C类最小网络地址是192.0.1.0，因此C类地址可指派的网络总数是2²¹-1。每一个C类地址的最大主机数是2⁸-2。

IP 地址的重要特点：

1. 每一个IP 地址都由网络号和主机号两部分组成。IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：第一，IP 地址管理机构在分配IP 地址时只分配网络号；第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组，从而减小路由表所占存储空间以及查找路由表的时间。
2. 实际上IP 地址是标志一台主机（或路由器）和一条链路的接口。当一台主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP 地址，其网络号必须是不同的。这种主机成为多归属主机，例如路由器。
3. 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因为这些局域网都具有同样的网络号。具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连。
4. 在IP 地址中，所有分配到网络号的网络（无论局域网还是广域网）都是平等的，即互联网平等对待每一个IP 地址。
   

IP 地址与硬件地址

从层次角度看，物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP 地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（称IP 地址为逻辑地址是因为IP 地址是用软件实现的）

使用IP 地址的IP 数据报一旦交给了数据链路层，就被封装成MAC 帧了。MAC 帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址，这两个硬件地址都写在MAC 帧的首部中。

注意：

1. 在IP 层抽象的互联网上只能看到IP 数据报。虽然IP 数据报要经过路由器R1 和R2 的两次转发，但在它的首部中的源地址和目的地址始终分别是IP1 和IP2。
2. 虽然在IP 数据报首部有源站IP 地址，但路由器只根据目的站的IP 地址的网络号进行路由选择。
3. 在局域网的链路层，只能看见MAC 帧。IP 数据报被封装在MAC 帧中。MAC 帧在不同网络上传送时，其MAC 帧首部中的源地址和目的地址要发生变化。每次路由器收到一份MAC 帧后都会更换MAC 帧的首部和尾部。
4. 尽管互连在一起的网络的硬件地址体系各不相同，但IP 层抽象的互联网却屏蔽了下层这些很复杂的细节。只要我们在网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象的IP 地址研究主机和主机或路由器之间的通信。

IP 数据报的格式

IP 层具有“复用”和“分用”的功能，即发送方不同协议的数据都可以封装成IP 数据报发送出去，而在接收方的IP 层根据IP 首部中的协议字段进行分用，把剥去首部的数据交付给应当接收这些数据的协议。

未完待续…