网络层

网络层提供的两种服务

争论：网络层应该向运输层提供怎样的服务（“面向连接”还是“无连接”），实质是在计算机通信中，可靠交付应当由网络还是端系统负责

• 电信网（电话服务）的成功经验：网络用面向连接的通信方式负责可靠交付。因电话机没有差错处理能力。因此电信网必须使用昂贵的程控交换机（其软件也非常复杂）负责将话音信号可靠地传送到对方的电话机，
• 互联网的设计思路：计算机网络的端系统有很强的差错处理能力。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。“数据报”(datagram)是互联网的设计者最初使用的名词，其实数据报（或 IP 数据报）就是“分组”。

网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。网络层不提供服务质量的承诺，所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序，也不保证分组交付的时限。这就使网络中的路由器比较简单，且价格低廉 （与电信网的交换机相比较）。如果主机中的进程之间的通信需要是可靠的， 就由网络的主机中的运输层负责（包括差错处理、流量控制等）。好处是：网络造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用。

OSI 体系的支持者曾极力主张在网络层使用可靠传输的虚电路服务，也曾推出过虚电路服务的标准—ITU-T 的 X.25 建议书。但现在 X.25 早已成为历史了。

网际协议 IP

网际协议 IP 又称为 Kahn-Cerf 协议，因为是 Robert Kahn 和 Vint Cerf 二人共同研发的。严格来说，这里所讲的是 IP 的第 4 个版本， 应记为 IPv4。（版本 1 ~ 3 和版本 5 都未曾使用过）。

由于网际协议 IP 是用来使互连起来的许多计算机网络能够进行通信的，因此 TCP/IP 体系中的网络层常常被称为网际层(internet layer)， 或 IP 层。

与 IP 协议配套使用的还有三个协议：

• 地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)
• 网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)
• 网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)

虚拟互连网络

让大家都使用相同的网络是不现实的。没有单一的网络能够适应所有用户的需求。网络技术不断发展，制造厂家也要经常推出新的网络，因此在市场上总是有很多种不同性能、不同网络协议的网络。

四种网络中间设备：

路由器其实就是一台专用计算机，用来在互联网中进行路由选择。由于历史的原因，许多有关 TCP/IP 的文献曾经把网络层使用的路由器称为网关。

许多计算机网络通过一些路由器进行互连。由于参加互连的计算机网络都使用相同的网际协议 IP，可以把互连以后的计算机网络看成一个虚拟互连网络(internet)。各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但利用 IP 协议就可以使这些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 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。当 IP 网上的主机进行通信时，它们看不见互连的各网络的具体异构细节（如具体的编址方案、路由选择协议，等等）。如果在这种覆盖全球的 IP 网的上层使用 TCP 协议，那么就是现在的互联网(Internet)。

分类的 IP 地址

有关 IP 最重要的文档就是互联网的正式标准 RFC 791。

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 (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配。

IP 地址的编址方法共经过了三个历史阶段。

所谓“分类的 IP 地址”就是将 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。可以记为：IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>}

• 第一个字段是网络号(net-id)，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(host-id)，它标志该主机（或路由器）。一台主机号在它的网络范围内必须是唯一的。

最长前缀匹配

在使用 CIDR 时，由于采用了网络前缀这种记法，路由表中每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成。但是在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果。此时应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由。这叫做最长前缀匹配(longest-prefix matching)，这是因为网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体(more specific)。最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配。

47 ．（ 9 分）假设 lnternet 的两个自治系统构成的网络如题 47 图所示，自治系统 AS1 由路由器R1 连接两个子网构成；自治系统 AS2 由路由器 R2 、 R3 互联并连接 3 个子网构成。各子网地址、 R2 的接口名、 R1 与 R3 的部分接口 IP 地址如题 47 图所示。

（1）假设路由表结构如下表所示。请利用路由聚合技术，给出 R2 的路由表，要求包括到达题 47 图中所有子网的路由，且路由表中的路由项尽可能少。

194.17.20.128/25 和 194.17.21.0/24 的最大共同前缀为：11000010.00010001.0001010 ，即 194.17.20.0/23

（2）若 R2 收到一个目的 IP 地址为 194.17.20.200 的 IP 分组， R2 会通过哪个接口转发该 IP分组？

IP 地址与硬件地址

主机的 IP 地址与硬件地址的区别：从层次的角度看，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）。

在局域网中，由于硬件地址已固化在网卡上的 ROM 中，因此常常将硬件地址称为物理地址。因为在局域网的 MAC 帧中的源地址和目的地址都是硬件地址，因此硬件地址又称为 MAC 地址。

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。 连接在通信链路上的设备（主机或路由器）在收到 MAC 帧时，根据 MAC 帧首部中的硬件地址决定收下或丢弃。只有在剥去 MAC 帧的首部和尾部后把 MAC 层的数据上交给网络层后，网络层才能在 IP 数据报的首部中找到源 IP 地址和目的 IP 地址。

几个要点：

1. 在 IP 层抽象的互联网上只能看到 IP 数据报。虽然 IP 数据报经过路由器转发时，首部中的源地址和目的地址始终不变。数据报中间经过的路由器的 IP 地址并不出现在 IP 数据报的首部中。
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。路由器收到MAC 帧后，在数据链路层，要丢弃原来的 MAC 帧的首部和尾部。在转发时，要重新添加上 MAC 帧的首部和尾部。这时首部中的源地址和目的地址分别 便成为 HA4 和 HA5。MAC 帧的首部的这种变化，在上面的 IP 层上是 看不见的。
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。

地址解析协议 ARP

地址解析协议 ARP 用来根据机器的 IP 地址找出其相应的硬件地址。

网络层使用的是 IP 地址，但在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用该网络的硬件地址。但 IP 地址和硬件地址之间由于格式不同而不存在简单的映射关系。网络上会需要新增或撤走主机，网络适配器也会使主机的硬件地址改变。

使用抽象的 IP 地址，而不直接使用硬件地址进行通信的意义：虽然在网络链路上传送的帧最终是按照硬件地址找到目的主机的，但由于全世界各式各样的网络使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，由用户或用户主机来完成这项工作几乎是不可能的事。但 IP 编址把这个复杂问题解决了。连接到互联网的主机只需各自拥有一个唯一的 IP 地址，相互的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，在虚拟的 IP 网络上用 IP 地址进行通信给广大的计算机用户带来很大的方便。

每一台主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有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，这个映射表还经常动态更新。 当主机 A 要向本局域网上的某台主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就将其对应的硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网把该 MAC 帧发往此硬件地址。 若无，原因可能是主机 B 才入网，或是主机 A 刚刚加电，其高速缓存还是空的，则主机 A 就自动运行 ARP, 找出主机 B 的硬件地址 ：

1. ARP 进程在本局域网上广播发送一个 ARP 请求分组。主要内容是：“我的 IP 地址是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15-AD-18。我想知道 IP 地址为 209.0.0.6 的主机的硬件地址。
2. 在本局域网上的所有主机上运行的 ARP 进程都收到此 ARP 请求分组。
3. 主机 B 的IP 地址与 ARP 请求分组中要查询的 IP 地址一致，收下这个 ARP 请求分组，并向主机 A 发送 ARP 响应分组，ARP 响应分组的主要内容是：“我的 IP 地址是 209.0.0.6，我的硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0A。”，同时主机 B 还将把主机 A 的这一地址映射写入自己的 ARP 高速缓存中。 虽然 ARP 请求分组是广播发送的，但 ARP 响应分组是普通的单播，即从一个源地址发送到一个目的地址 .其余所有主机不理睬这个 ARP 请求分组。
4. 主机 A 收到主机 B 的 ARP 响应分组后，就在其 ARP 高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到硬件地址的映射。

ARP 对保存在高速缓存中的每一个映射地址项目都设置生存时间（例如，10 ~ 20 分钟）。凡超过生存时间的项目就从高速缓存中删除掉。设想 A 的 ARP 高速缓存里保存有 B 的硬件地址。但 B 的网络适配器坏了，更换了一块，因此硬件地址就改变了。A 在其 ARP 高速缓存中查找到 B 原先的硬件地址，向 B 发送数据帧，由于该硬件地址已经失效了，因此 A 无法找到主机 B。但是过了一段不长的生存时间，A 的 ARP 高速缓存中已经删除了 B 原先的硬件地址，于是 A 重新广播发送 ARP 请求分组，又找到了 B 。

注意：ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射问题。如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，就无法解析出硬件地址。实际上主机 H1 也不需要知道远程主机 H2 的硬件地址：IP 数据报首先需要通过同一个局域网上的路由器 R1 转发。因此 H1 需要把 R1 的 IP 地址解析为硬件地址，R1从转发表找出了下一跳路由器 R2， 同时使用 ARP 解析出 R2的 硬件地址，于是 IP 数据报按照该硬件地址转发到路由器 R2。R2 用类似方法解析出目的主机 H2 的硬件地址，使 IP 数据报最终交付主机 H2。

从 IP 地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信，ARP 协议就会自动地把这个 IP 地址解析为链路层所需要的硬件地址。

使用 ARP 的四种典型情况 ：

1. 主机把 IP 数据报发送到同一个网络上的另一台主机。此时 H1 发送 ARP 请求分组，找到目的主机 H2的硬件地址。

2. 主机要把 IP 数据报发送到另一个网络上的一台主机。此时 H1 发送 ARP 请求分组，找到网 1 上的一个路由器 R1 的硬件地址。剩下的工作由路由器 R1 来完成。

3. 路由器，要把 IP 数据报转发到同一个网络上 的主机。这时 R1 发送 ARP 请求分组，找到目的主机 H3的硬件地址。

4. 发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到网 3 上的一台主机。H4与 R1 不是连接在同一个网络上。这时 R1 发送 ARP 请求分组，找到连接在网 2 上的一个路由器 R2 的硬件地址。剩下的工作由这个路由器 R2 来完成

（3） R1 与 R2 之间利用哪个路由协议交换路由信息？该路由协议的报文被封装到哪个协议的分组中进行传输？