四、网络层

本章导览

共 7 个小节：网络层功能、IP 分组转发、IP 分组转发、IP 分组转发、路由选择、路由选择、网络层设备

本章重点

• 核心是 IP 编址 + 分组转发：IP 数据报格式、IPv4 地址、子网划分、CIDR、NAT
• 配套协议：ARP（IP→MAC）、DHCP（自动分配 IP）、ICMP（差错报告）
• 路由选择：RIP（距离向量）、OSPF（链路状态）、BGP（外部网关）

网络层功能

关键点

• 网络层职责：逻辑通信、路由选择与分组转发（确定路径 + 沿路径送）
• 提供无连接、不可靠的数据报服务（IP 尽力而为）
• 新增考点 SDN（软件定义网络）：控制面与数据面分离，用 OpenFlow 集中编程

新增考点——SDN 基本概念

IP 分组转发

关键点

• IP 数据报含首部（TTL、协议、源 / 目的 IP）+ 数据；过大需按 MTU 分片
• IPv4 地址 32 位，分 A/B/C/D/E 类
• NAT（网络地址转换）：私网地址 ↔ 公网地址，缓解 IPv4 地址枯竭

IP 分组转发

关键点

• 子网划分：借主机位作子网号，用子网掩码区分网络 / 主机部分
• CIDR（无分类编址）：用 /n 前缀任意划分，路由聚合减少路由表项
• ARP：由 IP 查 MAC（广播请求、单播应答）；DHCP：动态自动分配 IP（Discover/Offer/Request/ACK）

IP 分组转发

关键点

• IPv6：地址 128 位，解决 IPv4 枯竭，简化首部、支持自动配置，无需 NAT
• ICMP：网络层差错与状态报告（如目的不可达、超时），封装在 IP 数据报里
• 常用工具：ping（测连通）、traceroute（测路径） 都基于 ICMP

IP 数据报格式

IP 数据报分片

IPv4 地址

网络地址转换（NAT）

子网划分 & 子网掩码

无分类编制 CIDR

ARP 协议

DHCP 协议

ICMP 协议

IPv6 地址

路由选择

关键点

• 路由协议分域内（IGP）/ 域间（EGP）
• RIP：距离向量算法，以跳数为度量（最多 15 跳），基于 UDP（端口 520），简单但收敛慢
• OSPF：链路状态算法，用 Dijkstra 算最短路，以带宽 / 代价为度量，收敛快、适合大网

路由选择

关键点

• BGP：外部网关协议，AS（自治系统）之间交换路由，基于 TCP（端口 179），选路看策略而非最短
• IP 组播：一对多高效传输，用 D 类地址 + IGMP
• 移动 IP：让移动主机换网络仍保持原 IP 通信（归属代理 + 外地代理）

路由算法及路由协议

RIP 协议及距离向量算法

关键点

距离向量算法 RIP 协议的报文格式 RIP 协议好消息传得快，坏消息传得慢

OSPF 协议与链路状态算法

BGP 协议

IP 组播

移动 IP

网络层设备

关键点

• 路由器工作在 L3，按 IP 地址 + 路由表转发，隔离广播域、连接不同网络
• 转发靠最长前缀匹配查路由表；三层交换机兼具交换与路由
• 对比：路由器（L3、看 IP、隔广播域）vs 二层交换机（L2、看 MAC、隔冲突域）