本周的计算机网络工程课程聚焦于网络层，这是实现端到端数据传输的核心。网络层的主要功能包括路由选择、分组转发以及异构网络的互连。
一、网络层核心概念
网络层负责将数据包从源主机跨越多个网络节点（路由器）送达目的主机。其关键任务是：
- 路由选择：确定数据包从源到目的地的路径。这涉及到路由算法（如距离矢量、链路状态）和路由协议（如RIP、OSPF、BGP）。
- 分组转发：路由器根据数据包的目的IP地址和自身的转发表，将数据包从合适的端口发送出去。
- 异构网络互连：通过统一的IP协议，将不同的数据链路层（如以太网、Wi-Fi、PPP）连接起来，形成一个逻辑上统一的全球互联网。
二、IP协议详解
IP（Internet Protocol）是网络层的核心协议，当前广泛使用的是IPv4。
- IPv4数据报结构：一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部包含关键字段如：版本、首部长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间（TTL）、协议、首部校验和、源IP地址和目的IP地址等。
- IP地址与子网划分：
- IP地址结构：IPv4地址为32位，通常用点分十进制表示。它由网络号和主机号两部分组成。
- 分类地址与CIDR：传统的A、B、C类地址划分存在地址浪费问题。无类别域间路由（CIDR）通过“网络前缀”的方式，允许更灵活的地址分配和路由聚合，提高了地址利用率和路由效率。其表示法为：IP地址/前缀长度（如192.168.1.0/24）。
- 子网划分：将一个大的网络号进一步划分成多个子网，通过借用主机位作为子网位来实现。子网掩码用于区分一个IP地址中的网络部分和主机部分。
- 地址解析协议（ARP）：用于在同一个局域网内，通过已知的IP地址解析出对应的MAC地址，以便在数据链路层进行帧的封装。
- IP数据报的转发流程：路由器接收到一个数据报后，会执行以下步骤：
- 提取目的IP地址。
- 检查是否可以直接交付（目的主机在同一网络）。
- 若需间接交付，则查询路由表，找到下一跳路由器的地址。
- 将数据报交给数据链路层，封装成帧，发往下一跳。
三、重要协议与技术
1. 网际控制报文协议（ICMP）：用于在IP主机和路由器之间传递控制信息，如网络通不通、主机是否可达等。ping和traceroute命令就是基于ICMP实现的。
2. 动态主机配置协议（DHCP）：为主机自动分配IP地址、子网掩码、默认网关等网络配置参数，实现了“即插即用”。
3. 网络地址转换（NAT）：允许一个局域网内的多台主机共享一个或少量公网IP地址访问互联网，极大地缓解了IPv4地址耗尽的问题。NAT路由器在将内部私有地址的数据包转发到公网时，会进行地址和端口号的转换。
四、实践与思考
本周的实践环节应着重于：
- 使用
ipconfig/ifconfig、ping、traceroute/tracert、arp等命令进行网络层故障排查和状态查看。 - 在模拟器（如Cisco Packet Tracer或GNS3）中配置静态路由和动态路由（如RIP），理解路由表的生成过程和数据包的转发路径。
- 动手进行子网划分的计算练习，掌握给定网络需求和IP地址段时，如何设计子网掩码和分配子网地址。
****：网络层是承上启下的关键一层。IP协议作为其基石，通过寻址、路由和转发机制，构建了互联网的连通性。深入理解IP地址、子网、路由原理以及相关支撑协议（ARP、ICMP、DHCP），是进行网络规划、配置和故障诊断的基础。下周预计将深入探讨路由协议的具体工作机制。
