第六章 网络层
6.1 网络层的功能与作用
网络层是负责数据包在源节点和目标节点之间传输的层次，主要功能包括：
- 路由与转发：决定数据包的传输路径，将数据包转发到下一跳。
- 逻辑地址管理：提供唯一的逻辑地址（如IP地址）以标识网络中的设备。
- 分组与重组：将较大的数据报分成适合传输的分组，并在目标设备重新组装。
- 拥塞控制：避免网络拥堵，提升整体性能。
6.2 IP地址与子网掩码
6.2.1 IP地址
- 定义：IP地址是分配给网络设备的唯一标识，分为IPv4 和IPv6两种格式。
- IPv4：32位地址，由四个十进制数（0~255）组成，例如：192.168.0.1。
- IPv6：128位地址，表示方式为8组16进制数，例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。
6.2.2 子网掩码
- 作用：用于划分IP地址的网络部分和主机部分。例如：
- IP地址：192.168.1.10
- 子网掩码：255.255.255.0
- 网络地址：192.168.1.0
- 可用主机范围：192.168.1.1 至 192.168.1.254
6.2.3 公网与私网
- 公网IP：可在互联网上访问的唯一地址。
- 私网IP：在局域网内部使用的地址，不可直接访问互联网。
- 常见的私网地址范围：
- 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255
- 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255
- 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255
- 常见的私网地址范围：
6.3 路由与路由算法
6.3.1 静态路由
- 定义：由管理员手动配置的固定路由。
- 优点：简单、高效，适合小型网络。
- 缺点：缺乏灵活性，无法适应动态变化的网络环境。
6.3.2 动态路由
- 定义：路由器通过路由协议动态计算路径。
- 优点：适应性强，适合大型网络。
- 缺点：配置复杂，计算开销大。
6.3.3 路由算法
- 最短路径算法（Dijkstra）：基于权重选择最低代价路径。
- 距离向量算法：基于跳数计算路径（如RIP协议）。
- 链路状态算法：综合网络状态进行动态计算（如OSPF协议）。
6.4 路由协议
6.4.1 RIP（Routing Information Protocol）
- 特点：使用跳数作为路由代价，最大跳数为15。
- 适用场景：小型网络。
- 缺点：收敛速度慢，无法适应复杂的网络拓扑。
6.4.2 OSPF（Open Shortest Path First）
- 特点：基于链路状态算法，支持分层架构和区域划分。
- 适用场景：大型企业网络。
- 优点：收敛速度快，支持复杂拓扑。
6.4.3 BGP（Border Gateway Protocol）
- 特点：用于自治系统（AS）之间的路由，支持互联网规模的路由。
- 适用场景：互联网骨干网。
- 优点：支持策略路由，灵活性高。
6.5 网络层协议
6.5.1 IP协议
- 功能：提供无连接的、尽力而为的数据传输服务。
- 特点：不保证可靠性，提供地址标识、分片与重组。
- 版本：IPv4 和 IPv6。
6.5.2 ICMP协议（Internet Control Message Protocol）
- 功能：用于网络诊断和错误报告。
- 示例：
ping命令使用ICMP协议。
6.5.3 ARP协议（Address Resolution Protocol）
- 功能：解析IP地址到MAC地址。
- 工作方式：
- 主机发送ARP请求广播。
- 目标主机回复ARP应答。
6.6 子网划分与IP地址规划
6.6.1 子网划分
子网划分的目的是提高地址利用率和网络性能。通过调整子网掩码，可以将一个网络划分为多个子网。
- 示例：
- 原始网络：192.168.1.0/24
- 子网1：192.168.1.0/25（可容纳126个主机）
- 子网2：192.168.1.128/25（可容纳126个主机）
6.6.2 IP地址规划原则
- 考虑未来增长：保留足够的地址空间。
- 分层管理：不同部门或区域使用不同的子网。
- 避免地址冲突：确保公网和私网地址的合理分配。
总结
网络层是实现不同网络间通信的关键，主要负责逻辑寻址、路由与转发等功能。通过掌握IP地址、路由算法和协议，可以深入理解网络层的设计思想，并在实践中优化网络架构。