计算机网络4 第四章 网络层——网络间的通信问题（省际之间如何规划信件运输路线）

回应这些问题：

网络层提供哪两种服务？是什么？有什么特点？
IP地址、子网掩码、网络地址的概念与关系？以及如何计算网络地址？
地址解析协议的转换方式？
网际如何传递网络的状态？（ICMP）
PING的应用？
IPV6的两种技术？
路由选择协议的分类？
路由算法：是如何更新转发表的？大题
VPN与NAT的概念？

1 网络层提供的两种服务

虚电路服务于数据报服务

考察两种服务的特点和区别

虚电路必须先建立链路，按顺序通信，且当节点故障则通信中断（为运输层的TCP做准备）

数据报服务在使用前不需要构建链路，节点故障后其他分组传输不影响（为运输层的UDP做准备）

2 网际协议IP ★

物理地址是MAC地址，48位；
IP地址，32位

2.3 分类的IP地址

考察：
IP地址如何分类？按照网络号和主机号的不同
地址属于哪一类？0-128/128-192/192-224/224-240/240-247

在早期，IP 地址按类别自动确定网络号长度：

• A类：/8（1670万主机）
• B类：/16（6.5万主机）
• C类：/24（254主机）

👉 问题来了：

• 一个公司有 500 台设备 → 不够用一个B类，一个C类又太少
• 只能申请一个B类 → 浪费 6万多地址 ❌

因此，我们不再使用分类IP地址，而使用无分类地址：

2.4.1 无分类编址CIDR

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）：无分类域间路由，1993年由IETF提出。

核心思想：

不再看IP地址属于哪一类，而是通过“前缀长度”（即子网掩码）来灵活定义网络大小。

写法：IP地址/前缀长度，前缀长度就是子网掩码，也代表网络位的长度

回顾：子网掩码的作用

子网掩码的目的是告诉计算机：IP地址的哪一部分是网络号，哪一部分是主机号。

• 1 的部分 → 表示“网络位”（网络 + 子网）
• 0 的部分 → 表示“主机位”

IP地址：   192.168.1.10     → 二进制：11000000.10101000.00000001.00001010
子网掩码：255.255.255.0    → 二进制：11111111.11111111.11111111.00000000
按位与 → 网络号：          →       11000000.10101000.00000001.00000000 → 192.168.1.0

👉 所以，前面连续的 1 就是网络部分的长度。

前缀长度（CIDR）就是数“1”的个数

• 255.255.255.0 = 11111111.11111111.11111111.00000000 → 有 24 个连续的 1
• 所以前缀长度是 /24

📌 所以：

前缀长度 = 子网掩码中连续的 1 的个数，因为它直接表示“网络部分占多少位”。

2.4.2 子网掩码

2.5 网络地址=IP地址 && 子网掩码

 IP地址 vs 网络地址：区别在哪？

名称	含义	举例（IP: 192.168.1.10 /24）
IP地址	设备在网络中的唯一标识，包含网络号 + 主机号	192.168.1.10
网络地址	表示这个网络本身的地址，主机号全为0	192.168.1.0

👉 网络地址是从 IP 地址中“提取”出来的，用于标识“这个网络是谁”。

2.6 地址解析协议

地址解析协议ARP：通过IP地址找到物理MAC地址
逆地址解析协议RARP：通过物理MAC地址找到IP地址

3 网际控制报文协议ICMP——网络状态如何交流

是 TCP/IP 协议族中的一个网络层协议，用于在 IP 网络中传递控制信息和错误报告。

3.1 ICMP 的封装方式

ICMP 报文不是独立传输的，而是封装在 IP 数据报的数据部分中：

| IP 头部 | ICMP 报文 |

• IP 头部：目标地址是 ICMP 消息的接收者
• ICMP 报文：包含控制信息或错误报告

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3.2 ICMP 的主要功能

ICMP 的核心作用是让网络设备之间能够“沟通”网络状态，主要包括：

功能	说明
1. 差错报告	当 IP 数据包无法送达时，通知发送方
2. 网络诊断	提供工具（如 ping、traceroute）来测试网络连通性
3. 拥塞控制辅助	可以发送“源抑制”消息，提示发送方减慢速度（较少使用）
4. 路由重定向	路由器告诉主机：“你有更好的路径”

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3.3 常见的 ICMP 报文类型（重点！）

ICMP 报文分为两大类：差错报告报文 和 查询报文

✅ 1. 差错报告报文（由路由器或目标主机发送）

类型	名称	场景
3	目的不可达（Destination Unreachable）	数据包无法到达目标（如网络不存在、端口关闭）
4	源抑制（Source Quench）	网络拥塞，请求发送方减速（已不常用）
11	超时（Time Exceeded）	TTL 减为 0，数据包被丢弃（用于 traceroute）
12	参数问题（Parameter Problem）	IP 头部有错误字段
5	重定向（Redirect）	路由器告诉主机：“你该走更优路径”

📌 举例：

• 你访问一个不存在的网站 → 路由器返回 ICMP 类型3（目的不可达）
• TTL 耗尽 → 返回 ICMP 类型11（超时）

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✅ 2. 查询报文（用于诊断和测试）

类型	名称	工具
8 & 0	回送请求/应答（Echo Request/Reply）	ping 命令
13 & 14	时间戳请求/应答（Timestamp）	测量往返时间（较少用）
17 & 18	地址掩码请求/应答	获取子网掩码（早期用）

📌 举例：

• 你执行 ping 8.8.8.8：
  • 发送 ICMP 类型8（Echo Request）
  • 对方回复 ICMP 类型0（Echo Reply）

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3.4 ICMP 的实际应用

1. ping 命令 —— 网络连通性测试

ping 8.8.8.8

• 原理：发送 ICMP Echo Request，等待对方回复 Echo Reply
• 如果收不到回复 → 可能网络不通、防火墙拦截、目标宕机

2. traceroute（或 tracert）—— 路径追踪

traceroute google.com

4 IPV6

是IPV4的进阶版，有128位。
其中，按二进制分为8组，每组16位，组件用冒号分割；
然后按照四位一组进行16进制转换；
如果有零可以用零压缩，但只能用一次。

4.2 IPV4->IPV6——双栈技术与隧道技术

过渡方式有双栈协议和隧道技术

双栈技术

技术解释：

• 设备（比如你的电脑或路由器）同时支持 IPv4 和 IPv6 两种协议。
• 它可以根据对方支持哪种协议，自动选择用 IPv4 或 IPv6 通信。

• 设备要“双倍工作”——装两个协议栈，占用资源

隧道技术

技术解释：

• 把一个 IPv6 的数据包，整个“打包”塞进一个 IPv4 的数据包里。
• 在 IPv4 网络中传输（就像走地下隧道）
• 到达目的地后，再把 IPv6 包“拆出来”，继续传输

5 互联网的路由选择协议 ★考大题

就是路由算法如何更新转发表的过程：

路由器C会向路由器D发送自己的路由表，让D根据C的路由表更新C的路由表

由于CD邻接，因此D会把C发出的转发表距离全部加一。

接着由修改后的C表更改D表，择优录取，择无沿用。

路由器构成：路由选择部分+分组转发部分

6 虚拟专用网VPN与网络地址转换NAT

无论是 IPv6 隧道 还是 VPN 隧道，都用了同一个原理：

🔹 把一种数据包（内部）封装在另一种数据包（外部）里，像“信中信”一样穿越中间网络。

🎯 类比：寄一个“加密的密信”

• 你把一封机密信件（原始数据）放进一个密封信封（内部封装）
• 再把它放进一个普通挂号信封（外部封装），寄出去
• 只有收件人知道怎么一层层拆开

👉 这就是“隧道”：让私密数据安全穿越不安全的公共网络。

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6.2 不同点对比

对比项	IPv6 隧道技术	VPN 隧道技术
主要目的	让 IPv6 数据在 IPv4 网络中传输	建立安全、私密的远程连接
解决的问题	协议不兼容（IPv4 vs IPv6）	网络不安全（如公共Wi-Fi）

VPN 隧道流程（IPSec）

• 你在咖啡馆用 Wi-Fi，连接公司内网
• 你的电脑把所有数据（网页、邮件）加密并封装
• 通过 IPSec 隧道发到公司服务器
• 服务器解密，访问内部资源

题目