网络层（一）分类的IP地址

网络层提供的两种服务

虚电路服务与数据报服务，下表为二者的对比

网络层不提供服务质量的承诺，不保证分组交付的时限，所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序。进程之间通信的可靠性由运输层负责。

网际协议IP

网际协议IP（Kahn-Cerf协议）是TCP/IP体系中两个最重要的协议之一，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

2.ARP网际控制报文协议

3.ICMP网际组管理协议IGMP

在讨论IP之前，我们先了解什么是虚拟互连网络。

一、虚拟互连网络

从一般的概念来讲，将网络互相连接起来要使用一下中间设备，根据其所在的层次，可以有以下四种不同的中间设备。

1. 物理层使用的中间设备叫做转发器。数据链路层使用的中间设备叫做网桥或桥接器。网络层使用的中间设备叫做路由器。网络层以上使用的中间设备叫做网关。用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换。

虚拟互连网络：

强调：互联网可以由多种异构网络互连组成。

二、分类的IP地址

1、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。

2、IP地址现在由互联网名字和数字分配机构ICANN进行分配。

分类的IP地址是最基本的编址方法，就是将IP地址划分为若干个固定类，A类、B类、C类地址都由两个固定长度的字段组成，记为：IP地址 ::={<网络号>，<主机号>}（“::=”表示“定义为”）网络号标志主机或路由器所连接到的网络；主机号标志该主机或路由器。 一台主机号在他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。

A类：（0.0.0.0-127.255.255.255）

• 网络号字段为00000000保留地址，表示“本网络”网络号字段为0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。每个A类网中最大主机数是2^24^-2

B类：（128.0.0.0-191.255.255.255）

• 128.0.0.0是不指派的，最小从128.1.0.0开始，则可指派的网络数为2^14^-1每个B类网中最大主机数是2^16^-2(减2是因要扣除全0和全1的主机号)

C类：（192.0.0.0-223.255.255.255）

• 192.0.0.0是不指派的，最小从192.0.1.0开始，则可指派的网络数为2^21-1每个C类网中最大主机数是2^8-2

得下表：

IP地址的特点：

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）。好处有二：1、IP地址管理机构只分配第一级（网络号），方便管理；2、路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组，从而减小了路由表所占的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，一个路由器至少应当有两个不同的IP地址。

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。

4.在IP地址中，所有分配到网络号的网络都是平等（互联网同等对待每一个IP地址）的。

注意！！

• 在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的。
• 用网桥互连的网段仍然是一个局域网。
• 路由器总是具有两个或两个以上的IP地址。
• 两个路由器直接相连时，在连线两端的接口处，可以分配也可以不分配IP地址，这段特殊网络叫做无编号网络或无名网络。

三、IP地址与MAC地址

1. 区别：MAC地址是数据链路层和物理层使用的地址，IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。
2. IP地址放在IP数据报的首部，MAC地址则放在MAC帧的首部。

强调！！

1. 在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报。
2. 路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择。
3. 在局域网的链路层中只能看见MAC帧。
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复杂的细节，在网络层上，就使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或路由器之间的通信。

四、地址解析协议ARP

作用：从网络层使用的IP地址中，解析出在数据链路层使用的MAC地址。

每一台主机都设有一个ARP高速缓存，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。每一个映射地址项目都设有生存时间，来解决主机硬件地址的改变。 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。

过程~~ 当主机A要向本局域网上的主机B发送IP数据报，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址，如有，就在ARP高速缓存中查出其对应的硬件地址，再把这个地址写进MAC帧，然后通过局域网把该MAC帧发往此硬件地址。如果没有，则按照以下步骤找出主机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；
2. 在本局域网上的所有主机运行的ARP进程都收到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，则收下请求分组并向主机A发送ARP响应分组；
4. 其余主机则不理睬该请求分组。（广播发送请求分组，单播发送响应分组）主机A收到响应分组后，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。

五、IP层转发分组的流程

1.简化：从一个路由器转发到下一个路由器。

2.在路由表中，对每一条路由最主要的是以下两个信息：

3.（目的物理地址，下一跳地址）

4.IP数据报最终一定可以找到目的主机所在的目的网络上的路由器。只有到达最后一个路由器时，才试图向目的主机进行直接交付。

特定主机路由：对特定的目的主机指明一个路由。默认路由：只要目的网络是其他网络，就一律选择默认路由。

过程~~ 当路由器收到一个待转发的数据报，在从路由表得出下一跳路由器的IP地址后，不是把这个地址填入IP数据报，而是送交数据链路层的网络接口软件。网络接口软件负责吧下一跳路由器的IP地址转换成硬件地址（必须使用ARP），并将此硬件地址放在链路层的MAC帧的首部，然后根据这个硬件地址找下一跳路由器。就酱一步一步查找下去，直到最后到达目的网络。

注：本文转载自泰斗实验室微信公众号；文内观点仅供参考。

埃文科技——网络空间地图测绘领域技术专家，提供最全面、最精准的网络空间地图服务。

公司成立于2012年，专注于网络空间、地理空间和社会空间的相互映射，绘制三位一体的网络空间地图，对网络空间资源的静态属性和动态变化情况进行探测。拥有19项软件著作权及10项发明专利。