大学计算机网络《网络层》专题课件

计算机网络专题课件计算机网络《网络层》专题课件寻址·转发·路由·控制·演进年份2026年计算机网络专题课件计算机网络《网络层》专题课件寻址·转发·路由·控制·演进年份2026年计算机网络专题课件计算机网络《网络层》专题课件寻址·转发·路由·控制·演进年份2026年课程导览01网络层总览分层定位与核心职能02IP协议与地址数据报格式与IPv4地址体系03地址解析与控制ARP与ICMP工作机制04路由选择算法链路状态与距离向量05IPv6演进下一代互联网协议网络基础网络层总览承上启下的关键一层寻址与路由，网络层的两大使命01网络层承上启下的关键层网络层解决的是主机到主机之间的跨网络分组交付网络层位于协议栈的中枢，承上启下，负责把分组跨网络送达目的主机。层级定位OSI参考模型第三层TCP/IP体系中对应网际层上下层分工上层传输层：进程到进程的通信网络层：主机到主机的通信下层数据链路层：同一局域网内相邻节点之间的帧传输核心要点路由器是工作在网络层的核心设备，主机与路由器统称为节点数据包跨网络的本质，是从一个子网进入另一个子网寻址与路由两大核心职能网络层最核心的两件事，是寻址与路由网络层的核心职能，一是寻址，二是路由寻址用IP地址唯一标识全球联网设备的每一个接口路由决定数据包从源到目的应该走哪一条路径转发路由器依据转发表，把分组从入接口送到出接口辅助职能分片与重组：适配不同链路的最大传输单元限制差错与辅助控制：由ICMP完成错误报告与网络诊断协议家族与交付服务协议家族：IP、ARP、ICMP、IGMP及各类路由协议交付服务：IP提供无连接、不可靠、尽力而为的交付服务网络基础IP协议与地址网络层的绝对核心从报头字段到地址规划，一次讲透02IP协议的无连接交付本质IP协议是网络层的绝对核心，提供尽力而为的分组交付IP协议只做一件事——把分组从源送到目的，其余一律交给上层无连接发送数据前不需要建立任何连接不可靠不保证送达、不保证顺序、不负责去重与纠错尽力而为能送就送，丢失与乱序的处理全部交给上层TCP或UDP地址分工IP地址：逻辑地址，可跨网络使用并可变更MAC地址：物理地址，与网卡绑定且全球唯一二者转换依赖

ARP

协议完成IPv4数据报头部核心字段首部固定部分为20字节，携带选项时最大可达60字节字段位数作用版本4标识协议版本，IPv4取值为4首部长度4以4字节为单位，最小5即20字节服务类型8用于服务质量与优先级标记总长度16首部加数据的总长，最大65535字节标识16同一组分片共用同一个标识标志3标记禁止分片与更多分片片偏移13指示分片在原始数据报中的位置生存时间8每经一台路由器减1，归零即丢弃协议8标识上层协议，TCP为6，UDP为17源地址与目的地址32分别标识发送方与接收方IPv4地址分类编址编址方法经历分类编址、划分子网、无分类编址三个历史阶段类别地址范围网络位主机位用途A类1.0.0.0至126.255.255.2558位24位大型骨干网络B类128.0.0.0至191.255.255.25516位16位中型园区网络C类192.0.0.0至223.255.255.25524位8位小型局域网D类224.0.0.0至239.255.255.255无无组播通信E类240.0.0.0至255.255.255.255无无实验预留只有

A、B、C

三类可分配给主机与路由器接口使用。三类地址的主机容量悬殊三类地址主机容量A类主机位

24位，可用主机数

16777214

台，容量最大B类主机位

16位，可用主机数

65534

台，缩减至约万分之四C类主机位

8位，可用主机数

254

台，断崖式下降可用主机数=2的主机位次方−2特殊地址与私有地址主机位全0是网络地址，全1是广播地址，两者都不能分配给设备地址块用途127.0.0.0

掩码8位本地回环地址，用于测试本机协议栈10.0.0.0

掩码8位私有地址，需NAT转换才能访问公网172.16.0.0

掩码12位私有地址，仅局域网内有效192.168.0.0

掩码16位私有地址，家庭与小型办公常用169.254.0.0

掩码16位链路本地地址，DHCP获取失败时自动生成子网掩码与子网划分从主机位借位划分子网，是地址精细化管理的关键一步子网掩码是划分子网的基石，从主机位借位即可实现网段的精细化切分掩码本质与作用32位二进制数连续的

1

标识网络位，连续的

0

标识主机位按位与运算与IP地址做按位与运算，得到网络地址，判断是否同网段划分动因减少地址浪费·缩小广播域·实现网段的逻辑隔离26计算示例192.168.1.10/26网络地址：192.168.1.0广播地址：192.168.1.63可用主机范围：192.168.1.1~192.168.1.62可用主机数：62

台（2^6-2）CIDR无分类编址与路由聚合无分类编址废除分类边界，用前缀长度重新定义网络CIDR用前缀长度取代固定分类，配合路由聚合提升寻址效率与转发性能CIDR核心机制4项1993年引入无分类编址采用网络前缀加主机号的分配方式表示方法斜线加位数标注网络前缀长度，如

/24

前缀核心优点提高地址使用效率，打破固定分类造成的浪费可变长子网掩码支持不等长划分，贴合实际需求路由聚合效果2项聚合示例两个连续的

/24

网段可合并为一条

/23

前缀路由性能收益聚合后路由表条目减少，查找效率与转发性能同步提升网络基础地址解析与控制让数据帧准确送达ARP解析地址，ICMP报告差错03ARP解析IP到MAC的过程已知IP求MAC，靠广播请求加单播应答完成根据网络层IP地址获取数据链路层的MAC地址，是IPv4必不可少的协议IP地址与MAC地址分属不同层次，需要

ARP作为沟通桥梁1查缓存表先查本机ARP缓存表，命中映射则直接封装数据帧→2广播请求未命中则广播ARP请求，目的MAC填充为全F，为全一地址→3泛洪比对交换机泛洪该帧，同网段主机收到后比对目标IP，不匹配则丢弃→4写入单播应答目标主机把请求方映射写入本地缓存，并单播回复自身MAC地址→5更新转单播请求方收到应答后更新缓存，后续通信改用单播方式ARP报文结构与缓存机制以太网帧类型值为0x0806，请求时目标MAC字段填充为0字段长度说明硬件类型2字节值为1表示以太网协议类型2字节值为0x0800表示IPv4硬件地址长度1字节MAC地址长度，取值为6协议地址长度1字节IP地址长度，取值为4操作码2字节1表示请求，2表示响应源MAC6字节发送方的物理地址源IP4字节发送方的IP地址目标MAC6字节请求时报文中填充为0目标IP4字节待解析的目标IP地址动态学习条目老化时间约

120秒可用

arp-a

查看缓存可用

arp-s

做静态绑定ARP欺骗原理与防御缺乏身份认证与完整性校验，是ARP最大的软肋攻击链条4项漏洞根源主机不仅接受自己请求过的ARP响应，也接受未经请求的响应攻击手法伪造ARP响应，向受害者宣称自己是网关，向网关宣称自己是受害者攻击后果断网攻击直接丢弃流量，中间人攻击可监听并篡改后转发工具典型工具包括arpspoof与ettercap，攻击过程可被实验复现防御体系2项防御一静态ARP绑定，把网关的IP与MAC固定写入缓存防御二部署ARP防护与检测机制，并启用加密通信演进方向1项IPv6以邻居发现协议NDP取代ARP完成地址解析ICMP差错报告与查询报文ICMP封装在IP数据报中传输，协议字段标识为1差错报告总是发给数据源站四种情形不产生差错报文：携带ICMP的数据报、分片后的非首片、多播地址、特殊地址报文类型类别说明终点不可达差错报告含网络、主机、协议、端口不可达等细分源点抑制差错报告拥塞丢弃报文时通知源点放慢发送超时差错报告生存时间归零或分片重组超时参数问题差错报告首部字段有误或缺少必要选项改变路由差错报告通知主机改用更优的转发路由回送请求与回答查询测试目的站是否可达时间戳请求与回答查询测量往返时延与时间同步ICMP的典型应用差错报告与查询报文，撑起了网络诊断的半壁江山ICMP的两大典型应用——PING测连通、Traceroute还原路径，共同构成网络诊断的基础工具。PING—连通性测试回送请求与回送回答报文用于测试两主机连通性应用层直调网络层ICMP不经过传输层的TCP或UDP抓包观察一次ping通常只出现请求与应答两类ICMP报文Traceroute—路径还原生存时间字段逐跳递减利用IP数据报中的TTL字段逐跳返回超时报文终点返回终点不可达报文，还原完整路径Windows系统对应命令命令为

tracert安全警示攻击者会利用

ICMP

进行扫描探测，设备需配置抑制ICMP攻击的手段。网络基础路由选择算法决定数据包的行走路径链路状态与距离向量，殊途同归04路由算法的三种分类视角分类的本质，是回答路由器究竟掌握多少信息集中式vs分散式集中式算法需全局网络拓扑与链路开销信息，即链路状态算法。代表：Dijkstra算法每个节点都能算出相同的最短路径集合。分散式算法节点只掌握与自己直连链路的开销。代表：距离向量算法通过与邻居迭代交换信息逐步收敛。链路状态vs距离向量静态vs动态静态路由由人工配置。动态路由随流量负载或拓扑变化自动调整。人工配置vs自动调整负载敏感vs负载迟钝负载敏感算法认为链路开销反映拥塞水平，如早期ARPAnet。负载迟钝算法认为开销无法明确反映拥塞，如RIP、OSPF、BGP。ARPAnetvsRIP/OSPF/BGP链路状态与Dijkstra算法每个路由器都独立计算一棵以自己为根的最短路径树链路状态路由：先获知全网拓扑，再逐点求解最短路径树信息获取节点通过洪泛，向自治系统内所有路由器广播链路状态分组。分组内容包含本节点所连链路的标识与开销。广播完成后，所有节点拥有统一且完整的拓扑与开销视图。关键符号D(v)当前最低开销估计。p(v)路径上的前驱节点。N′已确定最低开销路径的节点集合，初始只含源节点。迭代步骤反复选出不在

N′

中且

D值最小的节点加入N′。更新其邻居的D值。算法代价复杂度最坏为节点数的平方量级，典型代表协议为

OSPF。距离向量路由选择算法迭代、分布式、异步，只与直接邻居交换信息距离向量路由选择算法：以Bellman-Ford方程为核心，经异步迭代直至收敛核心机制01开销估计每个节点维护一个到网络中所有其他节点的开销估计向量02更新依据依据

Bellman-Ford方程：本节点到目标的最低开销=所有邻居中（链路开销+邻居到目标开销）的最小值03周期分发节点周期性把自己的距离向量副本发送给每一个直接邻居04重算通知收到邻居向量后立即按方程重算，向量发生改变则通知邻居05收敛该过程异步持续进行，直到不再有更新发生，即达到

收敛状态度量与典型协议度量可取跳数等参数典型代表协议为

RIP计数到无穷与应对机制链路故障时，坏消息传播得比好消息慢得多旧信息驱动的误判，让路由环路在收敛之前不断自我放大场景某条链路开销突然增大或直接断开邻居依据旧信息误判可绕行本质两个节点互相认为对方拥有更优路径开销估计反复递增结果估计值不断攀升，直到超过阈值才停止收敛过程十分缓慢水平分割节点不把从某邻居学到的路由再通告回该邻居毒性逆转把从邻居学到的路由通告回去时置为不可达限定最大跳数超过阈值即视为不可达，抑制环路蔓延自治系统与典型路由协议域内通信靠内部网关协议，域间互联靠外部网关协议路由优先级与度量参数共同决定最优路径，并以水平分割等技术防止环路路由决策机制域内IGP自治系统：单一机构管理、统一路由策略的网络集合RIP：距离向量算法，以跳数为度量OSPF：链路状态算法IS-IS：链路状态协议域间EGPBGP：边界网关协议，用于自治系统间交换可达信息路由决策机制路由优先级与度量参数共同决定最优路径水平分割等技术防止路由环路IP快速重路由：主备路由

50毫秒

内完成切换网络演进IPv6演进下一代互联网的必然选择128位地址空间，开启全新网络时代05IPv6的诞生动因地址枯竭，是IPv6最直接的推手IETF曾提出多个候选草案，最终选择IPv6作为IPv4的替代方案。地址枯竭IPv4地址空间约

42.9亿，实际可用约

36.47亿，已分配完毕。已分配完毕NAT负担私有地址交流效率低，增加网络复杂度与设备负担，破坏端到端连接原则。效率低路由膨胀地址分配不连续，难以聚合路由，耗用内存并影响转发效率。难以聚合配置困难地址仅

32位

且分配不均衡，网络扩容时维护工作量大。维护量大安全溯源难NAT背后的终端多使用私有地址，非法信息难以追溯到源地址。难以溯源IPv6地址的格式与类型128位地址长度，地址总数约为3.4×10^38个地址类型起始标识用途全球单播2000互联网上可达的公共地址链路本地fe80仅在本地链路范围内有效唯一本地fc00组织内部使用的私有地址组播ff00取代IPv4中的广播地址环回全零位加一本机回环测试地址任播是IPv6新增的地址类型，数据会发送到距离最近的一个节点IPv6地址的书写规则表示方式八组四位十六进制数，各组以冒号分隔压缩规则一每组中的前导零可省略压缩规则二连续零组可用双冒号