第四章 网络层

一、网络层核心概念

1. 服务特性

   • 无连接：无需建立连接，可靠性由传输层（TCP）保证。
   • 尽最大努力交付：不保证可靠性，但效率高。

2. 路由选择与转发

   • 路由表：
     • 目的网络：目标网络的IP地址前缀。
     • 下一跳：数据包应转发到的下一个路由器接口。
     • 示例：

       目的网络      下一跳
       192.168.1.0   172.16.0.1 (接口0)
       0.0.0.0       10.0.0.254 (默认路由)
       

二、IP数据报结构（IPv4）

1. 首部字段详解

   字段名	长度	作用说明
   版本	4位	协议版本（IPv4=4）
   首部长度	4位	首部总长度（单位：4字节），范围0x05（20字节）~0x0F（60字节）
   服务类型（TOS）	8位	优先级和QoS控制（考试常忽略）
   总长度	16位	数据报总长度（首部+数据），最大65535字节
   标识	16位	分片重组标识（同一数据报分片相同）
   标志	3位	DF禁止分片，MF后续分片存在，保留位未使用
   片偏移	13位	分片在原数据报中的偏移量（单位：8字节）
   TTL	8位	生存时间（最大255跳）
   协议	8位	上层协议类型（TCP=6，UDP=17，ICMP=1，IGMP=2）
   首部检验和	16位	仅校验首部（数据部分由传输层校验）
   源地址	32位	发送方IP地址
   目的地址	32位	接收方IP地址

2. 分片计算示例

   • 条件：MTU=1500字节，数据报总长度=3820字节（首部20字节+数据3800字节）。
   • 步骤：
     1. 计算最大数据部分：MTU - 首部长度 = 1500 - 20 = 1480字节（但实际考试常简化为1400字节）。
     2. 分片数量：3800 ÷ 1400 = 2.71 → 3片。
     3. 分片详情：

        分片	数据部分	总长度	MF标志	片偏移
        1	1400	1420	1	0 (0×8)
        2	1400	1420	1	175 (1400/8)
        3	1000	1020	0	350 (2800/8)

三、IP地址分类与计算

1. 分类地址规则

   类别	前缀	网络号长度	主机号长度	地址范围	网络数计算	主机数计算
   A	0	1字节	3字节	0.0.0.0~127.255.255.255	2⁷-2=126（减0和127）	2²⁴-2=16,777,214
   B	10	2字节	2字节	128.0.0.0~191.255.255.255	2¹⁴-1=16,383（减0）	2¹⁶-2=65,534
   C	110	3字节	1字节	192.0.0.0~223.255.255.255	2²¹-1=2,097,151	2⁸-2=254

   • 关键公式：
     • 网络数：2^(n-1) - k，其中n为网络号位数，k为保留地址数（如A类减2）。
     • 主机数：2^m - 2，m为主机号位数（减全0和全1）。

2. 子网划分（VLSM）

   • 子网掩码：与IP地址按位与得到网络号。
   • 示例：
     • IP地址：192.168.1.100
     • 子网掩码：255.255.255.0（/24）
     • 网络号：192.168.1.0
     • 主机号：100（01100100）

四、特殊地址与NAT技术

1. 特殊地址总结

   类型	地址示例	用途说明
   回环地址	127.0.0.1	本地环回测试
   网络地址	192.168.1.0	标识网络（主机号全0）
   广播地址	192.168.1.255	向本网所有主机广播
   受限广播地址	255.255.255.255	向所有网络广播
   私有地址	10.0.0.0/8	内网使用，需通过NAT转换为公网地址

2. NAT技术原理

   • 转换表示例：

     私有地址       公网地址
     192.168.1.100  202.100.5.3:1024
     192.168.1.101  202.100.5.3:1025
     

   • 流程：
     1. 内网主机发送数据报到NAT路由器。
     2. 路由器替换源IP为自身公网地址，并记录端口映射。
     3. 公网主机响应后，路由器反向转换目标IP和端口。

五、高频考点与易错点

1. 分片计算

   • 关键公式：片偏移 = (前几片数据总长度) / 8。
   • 示例：若前两片各1400字节，则第三片偏移为(1400+1400)/8 = 350。

2. IP地址合法性判断

   • 错误示例：
     • 256.1.1.1（字节值超过255）。
     • 192.168.1.256（同上）。

3. 网络号与主机号划分

   • 示例：IP地址172.16.5.100/20的网络号为172.16.0.0，主机号为5.100。

强化记忆：

• 分类地址口诀：A类头0，B类10，C类110。
• 分片必背：片偏移单位是8字节，MF标志表示后续是否有分片。
• NAT核心：私有地址无法在公网路由，必须通过NAT转换。