计算机网络第四章网络层(大学生期末复习版)

文章目录

• 计算机网络第8版谢希仁 第四章“网络层”期末复习总结
• • 一、第四章期末常考考点
  • 二、网络层的作用
  • 三、网络层提供的两种服务
  • 四、IP 地址
  • • 1. IP 地址的作用
  • 五、分类 IP 地址
  • 六、特殊 IP 地址
  • 七、私有 IP 地址
  • 八、IP 地址与 MAC 地址
  • 九、ARP 地址解析协议
  • • 1. ARP 的作用
    • 2. ARP 工作过程
  • 十、IP 数据报格式
  • • 1. IP 首部长度
    • 2. IP 数据报重要字段
  • 十一、IP 分片
  • • 1. 为什么要分片
    • 2. 分片相关字段
    • 3. 片偏移单位
  • 十二、子网划分
  • • 1. 为什么划分子网
    • 2. 子网掩码
  • 十三、子网划分计算题
  • • 题型 1：求网络地址
    • 题型 2：求可用主机数
  • 十四、CIDR 无分类编址
  • 十五、路由聚合
  • 十六、最长前缀匹配
  • 十七、ICMP 协议
  • 十八、路由选择协议
  • 十九、RIP 协议
  • 二十、OSPF 协议
  • 二十一、BGP 协议
  • 二十二、RIP、OSPF、BGP 对比
  • 二十三、IPv6
  • • 1. IPv6 地址长度
    • 2. IPv6 地址表示
    • 3. IPv6 特点
  • 二十四、VPN 和 NAT
  • • 1. VPN
    • 2. NAT
  • 二十五、第四章易错点总结
  • • 1. IP 协议是不可靠的
    • 2. 路由器转发时 MAC 地址会变
    • 3. ARP 方向不要记反
    • 4. IP 首部检验和只检验首部
    • 5. 片偏移单位是 8 字节
    • 6. 子网中主机号全 0 和全 1 不能分配给普通主机
    • 7. RIP 最大跳数是 15
    • 8. BGP 用于自治系统之间
    • 9. IPv6 地址是 128 位
    • 10. NAT 转换的是网络地址
  • 二十六、第四章常考题预测
  • • 1. 名词解释
    • 2. 填空题
    • 3. 选择题
    • • 题目 1
      • 题目 2
      • 题目 3
      • 题目 4
      • 题目 5
  • 二十七、常考计算题
  • • 题型 1：判断 IP 地址类别
    • 题型 2：求网络地址
    • 题型 3：求可用主机数
    • 题型 4：路由聚合
  • 二十八、简答题背诵模板
  • • 1. 简述 IP 协议提供的服务
    • 2. 简述 ARP 的工作过程
    • 3. 简述子网掩码的作用
    • 4. 简述 RIP、OSPF、BGP 的区别
    • 5. 简述 NAT 的作用
  • 二十九、第四章必背核心内容
  • 三十、考前速记版

计算机网络第8版谢希仁 第四章“网络层”期末复习总结

一、第四章期末常考考点

第四章“网络层”是期末重点章节，常考内容包括：

1. 网络层提供的两种服务
2. IP 协议与无连接服务
3. IP 地址分类
4. 子网划分与子网掩码
5. CIDR 无分类编址
6. ARP 地址解析协议
7. IP 数据报格式
8. IP 分片
9. ICMP 协议
10. 路由选择协议 RIP、OSPF、BGP
11. IPv6
12. VPN 和 NAT

最常考的是：

IP 地址分类
子网划分
CIDR 地址块
ARP 协议
IP 数据报首部
IP 分片
ICMP
RIP、OSPF、BGP 区别
NAT

二、网络层的作用

网络层位于：

运输层之下，数据链路层之上。

网络层的主要任务：

把分组从源主机传送到目的主机。

网络层核心功能：

路由选择
分组转发
逻辑寻址

常考：

路由器工作在网络层。
网络层的传输单位是分组，也常称为 IP 数据报。

三、网络层提供的两种服务

网络层可以提供两种服务：

互联网采用：

数据报服务。

IP 协议提供的是：

无连接、不可靠、尽最大努力交付的服务。

易错点：

IP 协议不保证可靠传输。
IP 协议不保证按序到达。
IP 协议不保证不丢失。
可靠性由运输层 TCP 提供。

四、IP 地址

1. IP 地址的作用

IP 地址用于：

标识互联网上的主机或路由器接口。

IPv4 地址长度：

32 bit

通常写成：

点分十进制

例如：

192.168.1.1

五、分类 IP 地址

传统 IPv4 地址分为 A、B、C、D、E 五类。

常考：

A 类地址第一个字节范围：1 到 126
B 类地址第一个字节范围：128 到 191
C 类地址第一个字节范围：192 到 223
D 类地址第一个字节范围：224 到 239

易错点：

127.x.x.x 不是普通 A 类地址，而是环回测试地址。

六、特殊 IP 地址

常考：

127.0.0.1 常用于本机测试。
主机号全 0 表示网络本身。
主机号全 1 表示该网络的广播地址。

七、私有 IP 地址

私有地址只能在内部网络中使用，不能直接在公网路由。

常考：

192.168.x.x 是私有地址。
10.x.x.x 是私有地址。
172.16.x.x 到 172.31.x.x 是私有地址。

八、IP 地址与 MAC 地址

易错点：

IP 地址用于网络层寻址。
MAC 地址用于数据链路层局域网内传帧。
路由器转发时，源 IP 和目的 IP 通常不变。
每经过一个链路，源 MAC 和目的 MAC 会改变。

九、ARP 地址解析协议

1. ARP 的作用

ARP 用于：

根据已知的 IP 地址找到对应的 MAC 地址。

完整说法：

ARP 把网络层使用的 IP 地址解析为数据链路层使用的 MAC 地址。

2. ARP 工作过程

1. 主机先查 ARP 高速缓存。
2. 如果没有对应项，就广播 ARP 请求。
3. 目标主机收到后，单播 ARP 响应。
4. 发送方把 IP 地址和 MAC 地址的对应关系存入 ARP 缓存。

常考：

ARP 请求是广播。
ARP 响应是单播。

易错点：

ARP 不是把 MAC 地址解析成 IP 地址。
ARP 是把 IP 地址解析成 MAC 地址。

十、IP 数据报格式

IPv4 数据报由两部分组成：

首部 + 数据部分

1. IP 首部长度

IP 首部固定部分长度：

20 Byte

IP 首部最大长度：

60 Byte

首部长度字段单位：

4 Byte

2. IP 数据报重要字段

常考：

TTL 每经过一个路由器减 1。
TTL 为 0 时，路由器丢弃该数据报。
IP 首部检验和只检验首部，不检验数据部分。

十一、IP 分片

1. 为什么要分片

不同网络的 MTU 可能不同。

当 IP 数据报长度超过链路的 MTU 时，需要进行：

分片

MTU 是：

最大传送单元。

2. 分片相关字段

3. 片偏移单位

片偏移的单位是：

8 Byte

这是考试易错点。

常考：

除最后一个分片外，每个分片的数据部分长度必须是 8 字节的整数倍。

十二、子网划分

1. 为什么划分子网

划分子网的目的：

提高 IP 地址利用率
便于网络管理
减少广播范围

2. 子网掩码

子网掩码用于：

区分 IP 地址中的网络号和主机号。

计算网络地址：

IP 地址 与 子网掩码 逐位相与

即：

网络地址 = IP 地址 AND 子网掩码

常见子网掩码：

十三、子网划分计算题

题型 1：求网络地址

题目：

IP 地址为 192.168.1.130，子网掩码为 255.255.255.128，求网络地址。

解：

255.255.255.128 对应 /25。

/25 表示前 25 位是网络位。
最后一字节子网块大小 = 256 – 128 = 128。

子网范围：
192.168.1.0 到 192.168.1.127
192.168.1.128 到 192.168.1.255

192.168.1.130 属于第二个子网。

答案：

网络地址为 192.168.1.128。
广播地址为 192.168.1.255。
可用主机地址为 192.168.1.129 到 192.168.1.254。

题型 2：求可用主机数

公式：

可用主机数 = 2^主机位数 – 2

例题：

某网络前缀为 /26，求每个子网可用主机数。

解：

IPv4 共 32 位。
主机位数 = 32 – 26 = 6

可用主机数 = 2^6 – 2 = 64 – 2 = 62

答案：

每个子网可用 62 台主机。

十四、CIDR 无分类编址

CIDR 全称：

无分类域间路由选择。

CIDR 的写法：

IP 地址/网络前缀长度

例如：

192.168.10.0/24

含义：

前 24 位是网络前缀，后 8 位是主机号。

CIDR 的优点：

提高 IP 地址利用率
减少路由表项目
支持路由聚合

十五、路由聚合

路由聚合又叫：

构造超网

作用：

把多个连续的网络合并成一个较大的地址块，减少路由表项。

例子：

192.168.0.0/24
192.168.1.0/24
192.168.2.0/24
192.168.3.0/24

可以聚合为：

192.168.0.0/22

常考：

CIDR 使用最长前缀匹配原则。

十六、最长前缀匹配

路由器查找路由表时，如果有多条路由都匹配目的地址，应选择：

最长前缀匹配

也就是：

选择网络前缀最长、最具体的路由。

例子：

目的地址：192.168.1.100

路由 1：192.168.0.0/16
路由 2：192.168.1.0/24

应选择：
192.168.1.0/24

十七、ICMP 协议

ICMP 是：

网际控制报文协议。

作用：

报告差错
传送控制信息

ICMP 封装在：

IP 数据报中

常见应用：

ping 使用 ICMP 回送请求和回送回答。
traceroute 使用 ICMP 时间超过报文。

易错点：

ICMP 不是运输层协议。
ICMP 是网络层协议的一部分，封装在 IP 数据报中。

十八、路由选择协议

互联网路由选择协议分为：

内部网关协议 IGP
外部网关协议 EGP

常见协议：

十九、RIP 协议

RIP 是：

路由信息协议。

特点：

使用距离向量算法
以跳数作为距离
最大有效距离为 15
距离为 16 表示不可达
适合小型网络

常考：

RIP 的最大跳数是 15。
RIP 中 16 表示不可达。

缺点：

好消息传播快，坏消息传播慢。

二十、OSPF 协议

OSPF 是：

开放最短路径优先协议。

特点：

使用链路状态算法
使用 Dijkstra 最短路径算法
适合大型网络
收敛速度快
支持区域划分

OSPF 发送的是：

链路状态信息。

二十一、BGP 协议

BGP 是：

边界网关协议。

作用：

用于不同自治系统 AS 之间的路由选择。

特点：

外部网关协议
路径向量协议
关注可达性，而不是寻找绝对最短路径
运行在 TCP 之上

常考：

BGP 用于 AS 之间。
RIP 和 OSPF 用于 AS 内部。

二十二、RIP、OSPF、BGP 对比

二十三、IPv6

1. IPv6 地址长度

IPv6 地址长度：

128 bit

IPv4 地址长度：

32 bit

IPv6 的主要目的：

解决 IPv4 地址耗尽问题。

2. IPv6 地址表示

IPv6 使用：

冒号十六进制表示法

例如：

2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329

可以压缩为：

2001:db8::ff00:42:8329

注意：

双冒号 :: 在一个 IPv6 地址中只能出现一次。

3. IPv6 特点

地址空间更大
首部格式更简单
支持即插即用
支持更好的移动性
取消首部检验和
不允许路由器分片

易错点：

IPv6 中路由器不分片，分片由源主机完成。

二十四、VPN 和 NAT

1. VPN

VPN 是：

虚拟专用网。

作用：

利用公用互联网建立安全的专用网络通信。

常用于：

远程办公
企业分支机构互联

2. NAT

NAT 是：

网络地址转换。

作用：

把内部私有 IP 地址转换为公网 IP 地址。

优点：

节省公网 IPv4 地址
隐藏内部网络结构
提高一定安全性

常见形式：

NAPT，网络地址与端口转换。

NAPT 可实现：

多个内部主机共用一个公网 IP 地址上网。

易错点：

NAT 主要解决 IPv4 地址不足问题。
NAT 会破坏端到端通信模型。

二十五、第四章易错点总结

1. IP 协议是不可靠的

IP 提供无连接、不可靠、尽最大努力交付服务。

2. 路由器转发时 MAC 地址会变

源 IP 和目的 IP 通常不变。
源 MAC 和目的 MAC 每经过一段链路都会改变。

3. ARP 方向不要记反

ARP：IP 地址 → MAC 地址。

4. IP 首部检验和只检验首部

IP 首部检验和不检验数据部分。

5. 片偏移单位是 8 字节

片偏移不是以 1 字节为单位。

6. 子网中主机号全 0 和全 1 不能分配给普通主机

全 0 是网络地址。
全 1 是广播地址。

7. RIP 最大跳数是 15

16 表示不可达。

8. BGP 用于自治系统之间

RIP、OSPF：AS 内部。
BGP：AS 之间。

9. IPv6 地址是 128 位

IPv4：32 bit。
IPv6：128 bit。

10. NAT 转换的是网络地址

NAT 把私有地址转换为公网地址。
NAPT 还会转换端口号。

二十六、第四章常考题预测

说明：以下是根据本科《计算机网络》期末常见考法和谢希仁第8版第四章重点整理的预测题，不代表学校原题。

1. 名词解释

可能考：

网络层
IP 地址
ARP
ICMP
子网掩码
CIDR
最长前缀匹配
RIP
OSPF
BGP
IPv6
VPN
NAT

2. 填空题

1. 网络层的主要任务是把 ________ 从源主机传送到目的主机。
答案：分组

2. IP 协议提供的是 ________、________、尽最大努力交付的服务。
答案：无连接、不可靠

3. IPv4 地址长度为 ________ bit。
答案：32

4. IPv6 地址长度为 ________ bit。
答案：128

5. ARP 协议的作用是把 ________ 地址解析为 ________ 地址。
答案：IP，MAC

6. IP 首部固定部分长度为 ________ 字节。
答案：20

7. IP 分片中，片偏移字段的单位是 ________ 字节。
答案：8

8. RIP 协议中，距离为 ________ 表示不可达。
答案：16

9. OSPF 使用 ________ 算法。
答案：Dijkstra 最短路径

10. NAT 的中文名称是 ________。
答案：网络地址转换

3. 选择题

题目 1

路由器工作在：

A. 物理层
B. 数据链路层
C. 网络层
D. 运输层

答案：

C

题目 2

ARP 协议的作用是：

A. 根据 MAC 地址求 IP 地址
B. 根据 IP 地址求 MAC 地址
C. 根据域名求 IP 地址
D. 根据端口号求进程

答案：

B

题目 3

IPv4 地址长度是：

A. 16 bit
B. 32 bit
C. 48 bit
D. 128 bit

答案：

B

题目 4

RIP 协议中表示不可达的距离是：

A. 0
B. 1
C. 15
D. 16

答案：

D

题目 5

BGP 主要用于：

A. 自治系统内部
B. 自治系统之间
C. 局域网内部
D. 主机内部

答案：

B

二十七、常考计算题

题型 1：判断 IP 地址类别

题目：

判断 202.203.16.8 属于哪类 IP 地址。

解：

第一个字节是 202。

C 类地址第一个字节范围为 192 到 223。

答案：

202.203.16.8 属于 C 类地址。

题型 2：求网络地址

题目：

IP 地址为 192.168.10.66，子网掩码为 255.255.255.192，求网络地址。

解：

255.255.255.192 是 /26。
块大小 = 256 – 192 = 64。

子网范围：
192.168.10.0 到 192.168.10.63
192.168.10.64 到 192.168.10.127
192.168.10.128 到 192.168.10.191
192.168.10.192 到 192.168.10.255

192.168.10.66 属于第二个子网。

答案：

网络地址：192.168.10.64
广播地址：192.168.10.127
可用主机地址：192.168.10.65 到 192.168.10.126

题型 3：求可用主机数

题目：

某网络为 192.168.1.0/27，求每个子网可用主机数。

解：

IPv4 地址共 32 位。
主机位数 = 32 – 27 = 5。

可用主机数 = 2^5 – 2 = 30。

答案：

每个子网可用 30 台主机。

题型 4：路由聚合

题目：

将以下 4 个网络聚合：
192.168.4.0/24
192.168.5.0/24
192.168.6.0/24
192.168.7.0/24

解：

4 个连续的 /24 网络可以聚合为一个 /22 网络。

答案：

192.168.4.0/22

二十八、简答题背诵模板

1. 简述 IP 协议提供的服务

答案：

IP 协议提供无连接、不可靠、尽最大努力交付的数据报服务。无连接是指发送数据前不需要建立连接；不可靠是指 IP 协议不保证分组不丢失、不重复、不按序到达；尽最大努力交付是指网络层尽力把分组交付给目的主机，但不作可靠性保证。

2. 简述 ARP 的工作过程

答案：

ARP 用于根据 IP 地址解析对应的 MAC 地址。主机发送数据前，先查找自己的 ARP 高速缓存。如果找到对应的 MAC 地址，就直接使用；如果没有找到，就在局域网中广播 ARP 请求。目标主机收到请求后，单播发送 ARP 响应，告诉发送方自己的 MAC 地址。发送方收到后，将该映射关系存入 ARP 缓存。

3. 简述子网掩码的作用

答案：

子网掩码用于区分 IP 地址中的网络部分和主机部分。通过将 IP 地址和子网掩码逐位相与，可以得到该 IP 地址所在的网络地址。使用子网掩码可以进行子网划分，提高 IP 地址利用率，并便于网络管理。

4. 简述 RIP、OSPF、BGP 的区别

答案：

RIP 是内部网关协议，使用距离向量算法，以跳数作为距离，最大有效跳数为 15，适合小型网络。

OSPF 是内部网关协议，使用链路状态算法和 Dijkstra 最短路径算法，收敛速度快，适合大型网络。

BGP 是外部网关协议，用于不同自治系统之间的路由选择，采用路径向量算法，主要关注网络可达性。

5. 简述 NAT 的作用

答案：

NAT 是网络地址转换，用于把内部网络中的私有 IP 地址转换为公网 IP 地址，使多个内部主机能够共享较少的公网 IP 地址访问互联网。NAT 可以节省 IPv4 地址，并隐藏内部网络结构，但也会破坏互联网端到端通信模型。

二十九、第四章必背核心内容

1. 网络层传输单位是分组或 IP 数据报。
2. 路由器工作在网络层。
3. IP 协议提供无连接、不可靠、尽最大努力交付服务。
4. IPv4 地址长度是 32 bit。
5. IPv6 地址长度是 128 bit。
6. IP 地址标识主机或路由器接口。
7. MAC 地址标识局域网中的网络适配器。
8. ARP：根据 IP 地址解析 MAC 地址。
9. ARP 请求广播，ARP 响应单播。
10. IP 首部固定部分为 20 Byte。
11. TTL 每经过一个路由器减 1。
12. IP 首部检验和只检验首部。
13. 分片片偏移单位是 8 Byte。
14. 子网掩码用于区分网络位和主机位。
15. 网络地址 = IP 地址 AND 子网掩码。
16. 可用主机数 = 2^主机位数 – 2。
17. CIDR 写法：IP 地址/前缀长度。
18. 路由查找采用最长前缀匹配。
19. ICMP 用于差错报告和控制信息。
20. ping 使用 ICMP。
21. RIP 最大跳数为 15，16 表示不可达。
22. OSPF 使用链路状态算法。
23. BGP 用于自治系统之间。
24. NAT 用于私有地址和公网地址转换。

三十、考前速记版

网络层：传输分组。
路由器：网络层。
IP：无连接、不可靠、尽最大努力。
IPv4：32 bit。
IPv6：128 bit。
A 类：1 到 126。
B 类：128 到 191。
C 类：192 到 223。
D 类：224 到 239，多播。
127：环回地址。
私有地址：10/8，172.16/12，192.168/16。
ARP：IP → MAC。
ARP 请求：广播。
ARP 响应：单播。
IP 首部固定 20 Byte。
TTL：每过一个路由器减 1。
片偏移：单位 8 Byte。
子网掩码：区分网络位和主机位。
网络地址 = IP AND 掩码。
主机数 = 2^主机位 – 2。
CIDR：无分类编址。
最长前缀匹配：选最具体路由。
ICMP：差错报告，ping 使用。
RIP：距离向量，最大 15 跳，16 不可达。
OSPF：链路状态，Dijkstra。
BGP：AS 之间，路径向量。
NAT：私有地址转公网地址。
VPN：虚拟专用网。