网络层
4.1 网络层的功能
网络层是互联网的核心层次，负责将数据报从源主机传输到目的主机。
三大核心功能
- 路由选择：在网络中确定从源到目的的最佳路径（类似于GPS规划行车路线）
- 分组转发：将输入的分组从合适的端口输出（类似于每个路口的指示牌）
- 拥塞控制：当网络中流量过大时进行控制
网络层 vs 传输层
- 网络层提供主机到主机的通信（IP地址标识主机）
- 传输层提供进程到进程的通信（端口号标识进程）
4.2 路由算法
| 分类方式 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| 静态 vs 动态 | 静态路由 | 手动配置，简单但无法应对拓扑变化 |
| 动态路由 | 自动计算，适应网络变化 | |
| 全局 vs 分布式 | 全局（链路状态LS） | 每个路由器知道全网拓扑（OSPF） |
| 分布式（距离向量DV） | 每个路由器只知道相邻路由器的信息（RIP） |
距离向量算法（RIP使用）
- 每个路由器维护一张路由表，记录到各目的网络的"距离"（跳数）
- 定期（每30秒）向邻居发送自己的路由表
- 收到邻居的路由表后，更新自己的路由表
- 更新原则：若邻居有新路径且距离更短，则采用；若走邻居能减少距离，则更新
- 好消息传播快，坏消息传播慢（慢收敛问题）
链路状态算法（OSPF使用）
- 路由器收集邻居信息，构建LS分组，泛洪给所有其他路由器
- 每个路由器都知道全网的拓扑结构
- 使用Dijkstra算法计算最短路径树
OSPF vs RIP
| 特性 | RIP | OSPF |
|---|---|---|
| 算法 | 距离向量 | 链路状态 |
| 度量 | 跳数（最多15跳） | 代价（带宽等） |
| 更新 | 定期（30s）广播 | 变化时触发更新 |
| 收敛 | 慢 | 快 |
| 适用范围 | 小型网络 | 大型网络 |
| 传输层 | UDP（端口520） | 直接基于IP（协议号89） |
4.3 IPv4分组格式
IP数据报首部格式（固定20B + 可选字段）
| 偏移(bit) | 字段 | 长度(bit) | 说明 |
|---|---|---|---|
| 0 | 版本 | 4 | IPv4为4 |
| 4 | 首部长度 | 4 | 单位4字节，最小5（20B），最大15（60B） |
| 8 | 区分服务 | 8 | 以前叫服务类型TOS |
| 16 | 总长度 | 16 | 首部+数据的总长度（字节），最大65535B |
| 32 | 标识 | 16 | 同一个分片的IP数据报有相同标识 |
| 48 | 标志 | 3 | DF（1=不能分片），MF（1=后面还有分片） |
| 51 | 片偏移 | 13 | 分片在原数据报中的相对位置，单位8字节 |
| 64 | 生存时间（TTL） | 8 | 每经过一个路由器减1，减到0丢弃 |
| 72 | 协议 | 8 | 上层协议（6=TCP，17=UDP，1=ICMP，89=OSPF） |
| 80 | 首部校验和 | 16 | 只校验首部，每跳重新计算 |
| 96 | 源IP地址 | 32 | 发送方IP |
| 128 | 目的IP地址 | 32 | 接收方IP |
| 160+ | 可选项 | 可变 | 很少使用 |
IP分片（重点！）
为什么需要分片？因为不同网络有不同MTU（最大传输单元），例如以太网MTU=1500B。
- 标识：同一个原始数据报的所有分片有相同标识
- 标志：DF=1不分片；MF=1表示后面还有分片，MF=0表示最后一个分片
- 片偏移：分片在原始数据报中的位置（除以8），单位是8字节
分片规则
- 片偏移的值为 8 的整数倍
- 每个分片的数据长度必须是 8 的倍数（除了最后一个）
- 分片后数据长度 = 原始数据报总长度 - 首部长度
- 分片后总长度 = 分片数据长度 + 首部长度
典型例题
例1：一个IP数据报总长度为4000B（首部20B），要经过一个MTU=1500B的以太网，求分片情况。
解：
- 数据部分 = 4000 - 20 = 3980B
- 每个分片最大数据 = (1500 - 20) 且为8的倍数 = 1480B（因为1480/8=185是整数）
- 分片数 = ceil(3980/1480) = 3
| 分片 | 总长度 | 标识 | MF | 片偏移 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1500 | 12345 | 1 | 0 |
| 2 | 1500 | 12345 | 1 | 185（1480/8） |
| 3 | 1020 | 12345 | 0 | 370（2960/8） |
4.4 IPv4地址（重中之重！）
IP地址 = 网络号 + 主机号
网络号标识网络，主机号标识该网络中的特定主机。
分类地址
| 类别 | 前缀 | 网络号范围 | 网络数 | 每个网络主机数 | 最大地址 |
|---|---|---|---|---|---|
| A类 | 0 | 1~126 | 126 | 2²⁴-2 = 16777214 | 127.255.255.255 |
| B类 | 10 | 128.0~191.255 | 16384 | 2¹⁶-2 = 65534 | 191.255.255.255 |
| C类 | 110 | 192.0.0~223.255.255 | 2097152 | 2⁸-2 = 254 | 223.255.255.255 |
| D类 | 1110 | 224.0.0.0~239.255.255.255 | 组播地址 | - | - |
| E类 | 11110 | 240.0.0.0~255.255.255.254 | 保留 | - | - |
⚠️ 易错点：
- A类地址0.0.0.0和127.0.0.0保留（127.x.x.x是回环地址）
- 主机号全0表示本网络本身，全1表示广播地址——所以要减2
子网划分
通过从主机号中借出若干位作为子网号，将一个大网络划分为多个子网。
子网掩码：1表示网络位+子网位，0表示主机位。
| 子网掩码 | 斜杠表示 |
|---|---|
| 255.0.0.0 | /8（A类默认） |
| 255.255.0.0 | /16（B类默认） |
| 255.255.255.0 | /24（C类默认） |
典型例题
例2：某主机IP地址为192.168.5.121，子网掩码为255.255.255.248，求： （1）该主机所在子网的网络地址（2）该子网的广播地址（3）该子网可用IP地址范围
解：
- 255.255.255.248 = 11111111.11111111.11111111.11111000
- 借了5位子网号（原有C类24位网络号+5位子网号=29位），3位主机号
- 网络地址 = IP & 子网掩码 = 192.168.5.121 & 255.255.255.248
- 121 = 01111001，248 = 11111000
- 121 & 248 = 01111000 = 120
- 网络地址 = 192.168.5.120
- 广播地址 = 主机号全1（3位全1→7），120+7=127 → 192.168.5.127
- 可用IP范围 = 192.168.5.121 ~ 192.168.5.126（共6个）
CIDR（无分类域间路由选择——重点！）
CIDR消除了传统的A/B/C类地址的概念，使用斜杠记法：IP地址/网络前缀长度。
格式：a.b.c.d / n，其中n表示网络前缀的位数。
例如：128.14.32.0/20 表示前20位是网络前缀。
CIDR地址块
- 128.14.32.0/20 表示一个地址块
- 地址范围：128.14.32.0 ~ 128.14.47.255（2¹²=4096个地址）
- 最小地址：128.14.32.0（主机号全0）
- 最大地址：128.14.47.255（主机号全1）
CIDR的路由聚合（路由汇总） 将多个路由条目合并为一个，减少路由表大小。
例如：
- 172.18.128.0/24
- 172.18.129.0/24
- 172.18.130.0/24
- 172.18.131.0/24
聚合后：172.18.128.0/22（前22位相同：172.18.10 000000）
典型例题
例3：某单位有4个部门，需要IP地址数量分别为：A部门50个，B部门25个，C部门10个，D部门10个。现有一个C类网络192.168.1.0/24，请用子网划分（变长子网掩码VLSM）进行分配。
解：
- 先给大的分配：A需要50个 → 需要6位主机号（2⁶-2=62≥50）
- 子网掩码：/26（255.255.255.192）
- 地址范围：192.168.1.0/26（可用：1.1~1.62）
- B需要25个 → 需要5位主机号（2⁵-2=30≥25）
- 子网掩码：/27（255.255.255.224）
- 地址范围：192.168.1.64/27（可用：1.65~1.94）
- C需要10个 → 需要4位主机号（2⁴-2=14≥10）
- 子网掩码：/28（255.255.255.240）
- 地址范围：192.168.1.96/28（可用：1.97~1.110）
- D需要10个 → 同C
- 子网掩码：/28
- 地址范围：192.168.1.112/28（可用：1.113~1.126）
📌 408考点提示：子网划分和CIDR是必考大题！练习要点：
- 快速计算网络地址（IP & 子网掩码）
- 确定地址块的范围（网络地址 ~ 广播地址）
- 路由聚合（找共同前缀）
- VLSM从大到小分配
4.5 NAT（网络地址转换）
为什么需要NAT？ IPv4地址不够用。私有IP地址可以在内部网络使用，通过NAT转换为公有IP访问互联网。
私有IP地址范围
- 10.0.0.0/8（1个A类网）
- 172.16.0.0/12（16个B类网）
- 192.168.0.0/16（256个C类网）
NAT的工作原理
- NAT路由器将内部主机的私有IP+端口映射为公有IP+新端口
- 建立NAT转换表，记录映射关系
- 收到的应答包根据转换表还原成私有IP+端口
NAPT（网络地址端口转换）：多个私有IP共享一个公网IP，通过端口号区分。
4.6 ARP协议（地址解析协议）
功能：已知IP地址，解析出MAC地址。
工作原理（同一网络内）
- 主机A广播ARP请求："谁的IP是x.x.x.x？请告诉我你的MAC地址"
- 目标主机B收到后，单播回复ARP响应："我就是，我的MAC是xx:xx:xx:xx:xx:xx"
- 主机A将映射写入ARP高速缓存（有生命周期）
ARP跨网络：如果目的IP不在同一网络，则查路由表，得到下一跳路由器的IP地址，然后ARP解析下一跳路由器的MAC地址。
4.7 DHCP协议（动态主机配置协议）
功能：自动为主机分配IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器等。
工作过程（DORA）
- Discover：客户端广播DHCP发现报文（寻找DHCP服务器）
- Offer：DHCP服务器广播提供报文（提供IP地址）
- Request：客户端广播DHCP请求报文（确认使用该IP）
- Ack：DHCP服务器广播确认报文（分配完成）
- 基于UDP，客户端端口68，服务器端口67
- 分配的IP地址有租用期，到期要续租
4.8 ICMP协议（网际控制报文协议）
功能：报告差错和提供询问信息。
ICMP报文类型
| 类型 | 报文 | 说明 |
|---|---|---|
| 差错报告 | 终点不可达 | 路由器找不到目的网络/主机 |
| 时间超过 | TTL减到0 | |
| 参数问题 | IP首部字段错误 | |
| 源点抑制 | 已废弃，用于拥塞控制 | |
| 询问 | 回送请求/应答 | ping命令使用 |
| 时间戳请求/应答 | 用于时钟同步 |
常用命令
- ping：发送ICMP回送请求，测试连通性
- traceroute（Windows: tracert）：利用ICMP时间超过报文，跟踪路由路径
4.9 IPv6
IPv6 vs IPv4主要区别
| IPv4 | IPv6 | |
|---|---|---|
| 地址长度 | 32位（约43亿） | 128位（约3.4×10³⁸） |
| 地址表示 | 点分十进制 | 冒号十六进制（如：2001:0db8::1） |
| 首部长度 | 可变（20~60B） | 固定40B |
| 校验和 | 有 | 无（依赖上层） |
| 分片 | 路由器可做 | 只有源主机能做 |
| IPsec | 可选 | 原生支持 |
| 广播 | 有 | 无（用组播代替） |
IPv6地址简化写法
- 前导0可省略：2001:0db8:0000:0000:0000:8a2e:0370:7334 → 2001:db8:0:0:0:8a2e:370:7334
- 连续0可用双冒号替换（只能用一次）：→ 2001:db8::8a2e:370:7334
IPv4到IPv6过渡技术
- 双协议栈：设备同时运行IPv4和IPv6
- 隧道技术：将IPv6数据报封装在IPv4数据报中传输
4.10 路由协议
RIP（路由信息协议）
- 基于距离向量算法
- 度量：跳数（最大15跳，16表示不可达）
- 每30秒广播一次路由表
- 使用UDP端口520
- 缺陷：收敛慢，度量单一，不适合大型网络
RIP路由表更新规则
- 如果新路由的目的网络不在表中 → 添加
- 如果下一跳相同 → 更新（即使距离变长也更新）
- 如果下一跳不同但距离更短 → 更新
典型例题
例4：路由器R1的路由表如下，现在收到R2的路由信息（下一跳都标记为R2），更新R1的路由表。
R1当前表：
| 目的网络 | 距离 | 下一跳 |
|---|---|---|
| 10.0.0.0 | 4 | R3 |
| 20.0.0.0 | 2 | R2 |
| 30.0.0.0 | 5 | R3 |
R2发来的信息：
| 目的网络 | 距离 |
|---|---|
| 10.0.0.0 | 3 |
| 20.0.0.0 | 3 |
| 40.0.0.0 | 2 |
解：
- 10.0.0.0：R2的距离为3，加1得4，与R1当前距离相等。但下一跳不同（R2 vs R3），距离相等不更新
- 20.0.0.0：R2的距离为3，加1得4 > 当前2。且下一跳就是R2（同一跳），所以强制更新为距离4
- 30.0.0.0：R2表中没有，不更新
- 40.0.0.0：新网络，添加（距离=2+1=3，下一跳=R2）
更新后：
| 目的网络 | 距离 | 下一跳 |
|---|---|---|
| 10.0.0.0 | 4 | R3 |
| 20.0.0.0 | 4 | R2 |
| 30.0.0.0 | 5 | R3 |
| 40.0.0.0 | 3 | R2 |
OSPF（开放最短路径优先）
- 基于链路状态算法
- 度量：代价（cost = 参考带宽/接口带宽）
- 直接基于IP（协议号89）
- 使用Dijkstra算法计算最短路径
- 支持分层路由（区域）
- 收敛快，适合大型网络
BGP（边界网关协议）
- 基于路径向量算法
- 用于AS（自治系统）之间的路由
- 基于TCP（端口179）
- 不是找最短路径，而是找"最好的可达路径"
- 交换的是路径信息（经过的AS序列）
RIP/OSPF/BGP对比总结
| RIP | OSPF | BGP | |
|---|---|---|---|
| 类型 | IGP（内部） | IGP（内部） | EGP（外部） |
| 算法 | 距离向量 | 链路状态 | 路径向量 |
| 度量 | 跳数 | 代价（带宽） | 路径属性 |
| 更新 | 定期30s | 变化触发 | 变化触发 |
| 传输 | UDP 520 | IP 89 | TCP 179 |
| 收敛 | 慢 | 快 | 较慢 |
| 适用范围 | 小型网络 | 大型网络 | 互联网核心 |
💡 记忆技巧：RIP像骑自行车（简单、慢、只适合短距离）；OSPF像私家车（快、灵活、适合长途）；BGP像国际航班（负责不同国家/AS之间的连接）。
4.11 网络层设备——路由器
路由器工作原理
- 从输入端口收到帧 → 剥去数据链路层帧头
- 提取IP数据报 → 检查首部（TTL减1，更新校验和）
- 查找路由表 → 确定输出端口
- 封装成帧 → 从输出端口发送
路由器 vs 交换机
| 特性 | 路由器 | 交换机 |
|---|---|---|
| 工作层 | 网络层 | 数据链路层 |
| 寻址依据 | IP地址 | MAC地址 |
| 隔离冲突域 | ✅ | ✅ |
| 隔离广播域 | ✅ | ❌ |
| 转发速度 | 较慢（软件查表） | 快（硬件转发） |
| 主要功能 | 路由选择、网络互联 | 帧转发 |
4.12 网络层核心总结
| 知识点 | 关键内容 |
|---|---|
| 网络层功能 | 路由选择、分组转发、拥塞控制 |
| IP地址 | 分类地址、子网划分、CIDR、VLSM |
| 路由算法 | 距离向量（RIP）、链路状态（OSPF）、路径向量（BGP） |
| 辅助协议 | ARP（IP→MAC）、DHCP（自动配置）、ICMP（差错报告） |
| IPv6 | 128位、无校验和、无广播、无路由器分片 |
| 分片 | 标识、MF标志、片偏移（×8） |
| 设备 | 路由器 |
📌 408考点提示：网络层是考试中最难的部分，分值占比很高。
- 子网划分/CIDR综合计算（几乎每年一个大题）
- IP分片计算
- RIP路由表更新
- VPN/ARP/DHCP/ICMP概念选择题