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第 7 章 网络层  1  第 7 章 网络层 本章基本要求：掌握 IP 地址的规划及子网划分技术，掌握网络层中源到目标分组传输的实 现机理；理解网络层的主要功能，理解数据报和虚电路的区别，理解路径选择的作用与实 现，理解 IP 协议、ARP 协议和 ICMP 协议的作用，理解路由器的功能；了解路拥塞控制的 概念，了解 IP 报文的格式，了解静态路由与动态路由的特点及实现方法。 本章难点：IP 子网划分技术，网络层中源到目标分组传送的实现机理。 教学时数与实验建议：8-10 学时，建议另外开设 1.5-2 学时的“DHCP 服务的配置与管理” 实验以帮助学生掌握动态 IP 地址分配。 在前面的几章中，我们已经学习了物理层和数据链路层的功能及其实现，并对典型的 局域网和广域网技术有了一定的了解。我们说，各种网络技术的主要区别就在于物理层和 数据链路层，那么当这些不同的网络被互连在一起时，就会出现异构网络互连的问题。而 且当互连网络的规模增加时，相互通信的源和目标节点之间可能会存在一系列的中间节点， 从而还会带来路径选择的问题。这些问题都有待于 OSI 的第三层即网络层去解决。 在这一章中，我们首先介绍 OSI 第三层的功能和提供的服务，然后着重围绕 TCP/IP 的 网络层展开讨论，包括 IP 协议、IP 地址及其规划，ARP 协议和 ICMP 协议，路由与路由协 议等内容。 7．1 网络层功能概述  7.1.1  为什么需要网络层  在学习了物理层和数据链路层之后，再来学习网络层，同学们一定会有一个疑问：既 然数据链路层已经能利用物理层所提供的比特流传输服务实现相邻节点之间的可靠数据传 输，为什么还要在数据链路层之上有一个网络层？注意，问题就在于数据链路层所涉及的 “相邻”两字，我们在第四章中曾说明，所谓“相邻”是指位于同一物理网段或物理链路 上的节点。也就是说，数据链路层只能将数据帧由传输介质的一端送到另一端。如图 7.1 所 示，源主机 DTE1 和 DCE1 为相邻节点，而 DCE1 则分别与 DCE2 、DCE3 和 DCE4 为相 邻节点，数据链路层可以解决诸如这些相邻节点之间的数据传输问题。但是从图中我们可 以看出，从源主机 DTE1 到目标主机 DTE2 要历经许多中间节点，而这些中间节点构成了多 条不同的网络路径，从而必然带来路径选择问题。也就是说，当 DCE1 收到从 DTE1 来的 2  计算机网络技术  数据后，就马上面临着是从 DCE2 还是 DCE3 或者是 DCE4 进行数据转发的问题，而数据 链路层显然没有提供这种实现源到目标数据传输所必需的路径选择功能。  DCE4  DCE5  DTE1  DCE1  DCE3  DCE6  DTE2  源主机  目的主机 DCE2 图 7.1 网络中间节点和网络路径的示例 但是有的同学可能会提出反问，既然数据链路层能够以物理地址如 MAC 地址来标识网 络中的每一个节点，为什么不能绕开路径选择问题而直接利用物理层地址实现主机寻址 呢？我们说，当源和目标位于同一个网桥或交换机的不同端口直接相连的网段时，这种寻 址方式可以非常方便地定位到目标主机。但是，若网桥或交换机的其他端口直接所连的网 段没有目标主机时，则网桥和交换机就只能通过向所有其他相连的网桥或交换机进行广播 的方式来间接地找到目标节点。从表面上看，这种方式似乎是可行的，但大家设想一下如 果网络规模增大时，这种“广播找人”的方法是不可想象的，甚至会因为过量的广播导致 网络瘫痪。所以通过物理地址直接寻址的方式只能适用于规模非常小的网络，在许多情况 下网络路径选择功能是必不可少的。 7.1.2 网络层的功能概述 网络层涉及将源主机发出的分组经由各种网络路径到达目的主机，其利用了数据链路 层所提供的相邻节点之间的数据传输服务，向传输层提供了从源到目标的数据传输服务。 网络层是处理端到端(end to end)数据传输的最低层，但同时又是通信子网的最高层。如图 7.2 所示，资源子网中的主机具备了 OSI 模型中所有七层的功能，但通信子网中的主机因为 只涉及通信问题而只拥有 OSI 模型的下三层。所以网络层被看成是通信子网与资源子网的 接口，即通信子网的边界。 主机X  第 7 章 网络层  主机Y  3  APDU PPDU SPDU 分段  应用层 表示层 会话层 传输层  应用层 表示层 会话层 传输层  分组 帧 位  网络层 数据链路层 物理层  网络层 数据链路层 物理层  网络层 数据链路层 物理层  网络层 数据链路层 物理层  网络层 数据链路层 物理层  图 7.2 网络层的地位与作用 为了有效地实现源到目标的分组传输，网络层