第四章是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的核心章節(jié),通常聚焦于網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包從源主機(jī)路由到目的主機(jī),是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連的關(guān)鍵。本章內(nèi)容繁多且邏輯性強(qiáng),是考研復(fù)習(xí)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。
一、網(wǎng)絡(luò)層概述
網(wǎng)絡(luò)層位于OSI參考模型的第三層,位于數(shù)據(jù)鏈路層之上、傳輸層之下。其主要功能包括:
- 分組轉(zhuǎn)發(fā)與路由選擇:根據(jù)路由表,將分組從輸入鏈路轉(zhuǎn)移到合適的輸出鏈路(轉(zhuǎn)發(fā)),并確定分組從源到目的地所經(jīng)過的路徑(路由)。
- 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連:通過路由器連接不同的物理網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng)、Wi-Fi、PPP鏈路等),隱藏底層網(wǎng)絡(luò)的差異,向上提供統(tǒng)一的服務(wù)。
- 擁塞控制:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的分組過多導(dǎo)致性能下降時(shí),采取適當(dāng)措施緩解擁塞。
二、核心協(xié)議:IP協(xié)議
IP(網(wǎng)際協(xié)議)是網(wǎng)絡(luò)層最核心的協(xié)議,提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報(bào)交付服務(wù)。
- IPv4數(shù)據(jù)報(bào)格式:需熟練掌握首部各字段含義,如版本、首部長度、總長度、標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、片偏移、生存時(shí)間(TTL)、協(xié)議、首部檢驗(yàn)和、源IP地址與目的IP地址等。
- IP地址:
- 分類IP地址:A、B、C、D、E五類地址的范圍與結(jié)構(gòu)。
- 子網(wǎng)劃分與子網(wǎng)掩碼:從兩級(jí)IP地址(網(wǎng)絡(luò)號(hào)+主機(jī)號(hào))到三級(jí)IP地址(網(wǎng)絡(luò)號(hào)+子網(wǎng)號(hào)+主機(jī)號(hào))的演變。掌握如何根據(jù)IP地址和子網(wǎng)掩碼判斷網(wǎng)絡(luò)地址、直接廣播地址、主機(jī)號(hào)等。
- 無分類編址CIDR:使用“網(wǎng)絡(luò)前綴”代替子網(wǎng)概念,格式為
IP地址/前綴長度。支持路由聚合(構(gòu)成超網(wǎng)),大幅減少路由表項(xiàng)。
- 地址解析協(xié)議ARP:完成IP地址到物理地址(如MAC地址)的映射。掌握ARP工作原理、ARP緩存、ARP請(qǐng)求/應(yīng)答報(bào)文格式及其在局域網(wǎng)內(nèi)的廣播特性。
- IP層轉(zhuǎn)發(fā)分組流程:路由器收到分組后,根據(jù)目的IP地址和路由表進(jìn)行最長前綴匹配,確定下一跳地址。需理解特定主機(jī)路由、默認(rèn)路由的作用。
三、重要輔助協(xié)議
- 網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議ICMP:用于在IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制信息(如網(wǎng)絡(luò)通不通、主機(jī)是否可達(dá)等)。重點(diǎn)掌握ICMP差錯(cuò)報(bào)告報(bào)文(如終點(diǎn)不可達(dá)、時(shí)間超過、參數(shù)問題等)和詢問報(bào)文(如回送請(qǐng)求/應(yīng)答、時(shí)間戳請(qǐng)求/應(yīng)答)。
ping和traceroute命令基于ICMP實(shí)現(xiàn)。 - 網(wǎng)際組管理協(xié)議IGMP:用于管理主機(jī)加入或退出多播組,與多播路由協(xié)議協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)多播(組播)功能。
四、路由算法與協(xié)議
這是本章的絕對(duì)重點(diǎn),需深入理解各類算法的思想與區(qū)別。
- 路由算法分類:
- 靜態(tài)路由算法(非自適應(yīng)):人工配置,簡(jiǎn)單可靠,但無法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化。
- 動(dòng)態(tài)路由算法(自適應(yīng)):路由器間交換信息,自動(dòng)更新路由表。
- 自治系統(tǒng)AS:?jiǎn)我患夹g(shù)管理下的一組路由器。路由協(xié)議分為:
- 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議IGP:在一個(gè)AS內(nèi)部使用,如RIP、OSPF。
- 外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議EGP:用于不同AS之間,主要是BGP。
- 具體協(xié)議詳解:
- RIP(路由信息協(xié)議):基于距離向量的IGP。使用跳數(shù)作為度量,最大跳數(shù)為15。定期(30秒)與鄰居交換整個(gè)路由表。好消息傳得快,壞消息傳得慢(慢收斂問題)。
- OSPF(開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議):基于鏈路狀態(tài)的IGP。路由器通過洪泛法向AS內(nèi)所有路由器發(fā)送鏈路狀態(tài)信息,各自構(gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,并用Dijkstra算法計(jì)算最短路徑樹。支持分層路由(將AS劃分為區(qū)域)。
- BGP(邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議):基于路徑向量的EGP。尋找可達(dá)的、較好的(非最優(yōu))路由,策略性強(qiáng)。通過TCP連接交換路由信息(BGP報(bào)文)。
五、IPv6
為解決IPv4地址耗盡等問題而設(shè)計(jì),需掌握其主要特點(diǎn):
- 地址長度128位,地址空間巨大。
- 簡(jiǎn)化了首部格式(固定40字節(jié)),提高了路由器處理效率。
- 支持即插即用(自動(dòng)配置)。
- 首部改為8個(gè)字段,取消了首部檢驗(yàn)和字段,將差錯(cuò)檢查任務(wù)交給上層協(xié)議。
- 支持資源預(yù)分配,保障服務(wù)質(zhì)量(QoS)。
六、IP多播與移動(dòng)IP
- IP多播:了解多播地址(D類地址)、IGMP協(xié)議的作用以及多播路由選擇(如基于源的樹、共享樹)的基本思想。
- 移動(dòng)IP:了解其基本原理,包括家鄉(xiāng)代理、外地代理、轉(zhuǎn)交地址、三角路由等概念,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在改變接入點(diǎn)時(shí)保持IP地址不變。
七、網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備:路由器
- 路由器結(jié)構(gòu):關(guān)鍵組件包括路由選擇處理器(運(yùn)行路由協(xié)議,生成路由表)、交換結(jié)構(gòu)(在輸入/輸出端口間轉(zhuǎn)發(fā)分組)、輸入/輸出端口。
- 三層設(shè)備與二層設(shè)備的區(qū)別:路由器基于IP地址轉(zhuǎn)發(fā),是網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備;交換機(jī)/網(wǎng)橋基于MAC地址轉(zhuǎn)發(fā),是數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備。
復(fù)習(xí)建議:本章內(nèi)容體系龐大,建議以IP協(xié)議和路由協(xié)議為核心構(gòu)建知識(shí)框架。多動(dòng)手畫圖(如數(shù)據(jù)報(bào)格式、子網(wǎng)劃分、路由表查找、RIP/OSPF工作過程),并結(jié)合習(xí)題深化理解。對(duì)于路由算法,務(wù)必掌握其核心思想、優(yōu)缺點(diǎn)及典型協(xié)議實(shí)現(xiàn),對(duì)比記憶效果更佳。