第 4 章网络层

408 计算机网络第 4 章网络层复习讲义，涵盖核心概念、重点考点与典型题型。

一、先建立整章框架

网络层最核心的问题其实只有一句话：

一个 IP 分组，怎样从源主机跨越若干不同网络，最终到达目的主机？

围绕这句话，本章可以拆成 8 块：

网络层
│
├─ 4.1 网络层功能
│   ├─ 异构网络互连
│   ├─ 路由选择 vs 分组转发
│   ├─ 数据报 vs 虚电路
│   ├─ SDN
│   └─ 拥塞控制
│
├─ 4.2 IPv4                 ★★★★★
│   ├─ IPv4 首部             ★★★★
│   ├─ IP 分片               ★★★★★
│   ├─ IPv4 地址
│   ├─ 子网划分              ★★★★★
│   ├─ CIDR                  ★★★★★
│   ├─ 路由聚合              ★★★★★
│   ├─ 最长前缀匹配          ★★★★★
│   ├─ NAT                   ★★★★
│   ├─ ARP                   ★★★★★
│   ├─ DHCP                  ★★★
│   └─ ICMP                  ★★★★
│
├─ 4.3 IPv6                 ★★★
│
├─ 4.4 路由算法与路由协议   ★★★★★
│   ├─ 距离向量
│   ├─ 链路状态
│   ├─ RIP
│   ├─ OSPF
│   └─ BGP
│
├─ 4.5 IP 多播              ★★
├─ 4.6 移动 IP              ★★
└─ 4.7 路由器               ★★★★

从资料中的“考点追踪”看，CIDR、路由聚合、子网划分、IP 分片、ARP、RIP/OSPF/BGP 都反复出现在历年题目中。尤其路由聚合标注了 2009、2011、2013、2014、2018，最长前缀匹配标注 2013、2015，定长/变长子网划分也多次出现。

二、4.1 网络层到底负责什么？

网络层提供的是：

主机到主机的通信。

这一点和另外几层一定区分开：

层	大致负责
数据链路层	相邻节点之间
网络层	主机到主机、跨网络
传输层	进程到进程

网络层最核心的两个功能：

1. 路由选择 Routing

解决：

“从这里到目的网络，应该走哪条路？”

它是一个全局问题。

路由器之间运行 RIP、OSPF、BGP 等协议，生成、维护路由表。

2. 分组转发 Forwarding

解决：

“这个已经来到我路由器的分组，具体应该从哪个接口发出去？”

它是一个局部动作。

所以要记住：

路由选择：算路
分组转发：走路

路由表偏向“控制和计算”，转发表偏向“快速查询和真正转发”。资料对此进行了明确区分。

三、异构网络互连

互联网并不是一个巨大的同构局域网，而是：

以太网
Wi-Fi
光纤网络
PPP 网络
各种运营商网络
……

通过路由器互连。

按设备最高工作层：

物理层：中继器、集线器
数据链路层：网桥、交换机
网络层：路由器
网络层以上：网关

其中真正意义上实现不同网络互连的核心设备是：

路由器。

路由器让不同底层网络统一表现成一个 IP 网络。

四、数据报服务 vs 虚电路服务

这是一个很容易混的概念。

1. 数据报

Internet 的 IP 网络采用：

无连接、尽最大努力交付的数据报服务。

通信前不用建立连接。

每个 IP 数据报：

独立携带目的地址；
独立查路由表；
可以走不同路径；
可能乱序；
可能丢失；
可能重复；
IP 不保证可靠。

例如：

A → R1 → R2 → B
A → R1 → R3 → B
A → R4 → R5 → B

同一批 IP 数据报完全可能走不同路线。

2. 虚电路

虚电路先：

建立连接
    ↓
传输数据
    ↓
释放连接

连接建立阶段先确定路径。

之后分组不必携带完整目的地址，而可以使用：

VCID，虚电路号。

因此同一虚电路上的分组通常走相同路径、有序到达。

3. 必考对比

特征	数据报	虚电路
建立连接	不需要	需要
路由	每个分组独立选择	建立时确定
分组携带	完整目的地址	VCID
顺序	可能乱序	通常有序
故障适应	强	较差
网络可靠性	尽力而为	网络可提供更多保障
Internet IP	是	否

资料特别指出 TCP/IP 网络层采取的是简单、灵活、无连接、尽最大努力交付的数据报服务。

五、SDN：控制平面和数据平面

这是现在考纲中的新考点。

传统路由器内部同时存在：

控制平面
   ↓
生成路由表/转发表
   ↓
数据平面
   ↓
真正转发数据

传统模式下，每台路由器自己运行路由协议。

而 SDN：

        SDN 控制器
        控制平面
           │
        南向接口
        OpenFlow
           │
 ┌─────────┼─────────┐
交换机     交换机     交换机
数据平面   数据平面   数据平面

核心：

控制平面与数据平面分离。

三类接口

北向接口

应用程序
   ↓
控制器

上层应用访问控制器。

南向接口

控制器
   ↓
交换机

典型 OpenFlow。

这个是真题点：

SDN 控制器向交换机下发流表：南向接口。

东西向接口

控制器和控制器之间。

资料还指出，OpenFlow 流表匹配字段可涉及链路层、网络层和传输层。模拟题中对应答案为 II、III、IV。

六、拥塞控制

先区分：

流量控制

解决：

发送方太快，接收方吃不消。

本质：

发送方 ↔ 接收方

是点到点问题。

拥塞控制

解决：

整个网络中的分组太多，路由器、链路顶不住。

本质：

整个网络

是全局问题。

拥塞严重时会出现：

负载 ↑
但
吞吐量 ↓

这是典型拥塞信号。

方法：

开环控制：事先预防；
闭环控制：检测 → 反馈 → 调整。

七、4.2 IPv4 —— 本章核心

这是整章最重要的部分。

八、IPv4 数据报首部

IPv4 首部最小：

20 B

最大：

60 B

资料列出的字段中，高频字段尤其包括首部长度、总长度、标识、DF/MF、片偏移、TTL 和协议字段。

1. 三个“长度单位”是大坑

必须背：

字段	单位
首部长度	4B
总长度	1B
片偏移	8B

这是非常典型的选择题陷阱。

2. 首部长度

4 bit。

所以最大：

15 \times 4 = 60 B

没有选项字段：

5 \times 4 = 20 B

因此看到：

IPv4 首部很常见。

其中：

4 → IPv4
5 → 5×4 = 20B首部

九、TTL —— 高频

TTL 即 Time To Live。

虽然叫“生存时间”，IPv4 实际上主要按：

跳数

处理。

经过一个路由器：

T T L \leftarrow T T L - 1

若减为 0：

丢弃 IP 数据报
        ↓
向源主机发送 ICMP 时间超过报文

为什么要 TTL？

为了防止路由环路：

R1 → R2 → R3
↑         ↓
└─────────┘

否则数据报可能无限循环。

这也是 traceroute 的基础。

十、协议字段

告诉 IP：

“数据部分应该交给谁？”

典型：

T C P = 6

U D P = 17

ICMP 也直接封装在 IP 中。

十一、IPv4 分片 —— ★★★★★

这是大重点。

资料明确标记 IP 分片字段在 2011、分片原理在 2021 等年份出现。

1. 为什么分片？

假设：

IP 数据报：4000B
↓
某条链路 MTU：1500B

4000B 放不进帧。

所以：

IP 数据报必须拆成多个更小的 IP 数据报。

2. MTU 是什么？

Maximum Transmission Unit：

链路层帧的数据部分能装的最大长度。

比如典型以太网：

M T U = 1500 B

注意：

这里的 1500B 包括整个 IP 数据报，即 IP 首部 + IP 数据。

十二、分片最重要的三个字段

1. Identification 标识

同一个原始数据报产生的所有分片：

标识相同。

目的主机靠它判断：

这些分片是不是一家人？

模拟题里就有：

第一次 UDP 数据报分成 4 片，只收到后两片；重传后只收到前两片。能不能拼起来？

不能。

因为这是两次不同的 IP 数据报：

标识字段不同。

2. MF

More Fragment。

MF=1：后面还有
MF=0：最后一片

注意：

第一片、中间片通常 MF=1。

只有最后一片：

M F = 0

3. DF

Don't Fragment。

DF=1：禁止分片
DF=0：允许分片

十三、片偏移 —— 最容易算错

片偏移单位：

8 B

不是 1B。

因此：

片偏移 = \frac{本片数据在原数据部分中的起始字节位置}{8}

注意是：

数据部分的位置，不包括 IP 首部。

十四、分片通用算法

假设：

原 IP 数据报总长度 $L$
IP 首部长度 $H$
链路 MTU 为 $M$

每一个非最后分片允许携带的最大数据量：

D = ⌊ \frac{M - H}{8} ⌋ \times 8

这是建议你直接记住的公式。

为什么还要除 8 再乘 8？

因为除最后一片之外：

数据长度必须是 8B 整数倍。

例题

原数据报：

4000 B

首部：

20 B

所以原数据：

3980 B

MTU：

1500 B

每片最多：

1500 - 20 = 1480 B

而：

1480 = 185 \times 8

所以很好。

数据分：

1480
1480
1020

第一片

数据：

1480

总长度：

1480 + 20 = 1500

片偏移：

0

MF：

1

第二片

前面已经有 1480B：

O f f se t = \frac{1480}{8} = 185

MF：

1

总长：

1500

第三片

前面已经有：

1480 + 1480 = 2960

所以：

O f f se t = \frac{2960}{8} = 370

最后一片：

M F = 0

总长度：

1020 + 20 = 1040

最终表：

片	数据	总长	Offset	MF
1	1480	1500	0	1
2	1480	1500	185	1
3	1020	1040	370	0

和资料示例一致。

十五、谁负责分片、谁负责重组？

IPv4：

源主机：可以分片
中间路由器：可以继续分片
目的主机：重组

重点：

中间路由器绝不重组。

否则：

分片可能走不同路线

路由器没办法确定后面的分片都会经过它。

408 模拟资料也专门强调：

IP 分片重组属于目的主机网络层的工作，而乱序 TCP 数据则由传输层重新排序。

十六、IPv4 地址 —— 一定理解“接口”

IPv4：

32 bit

最重要的一句话：

IP 地址严格来说标识的是网络接口，不是整台主机。

例如一个路由器：

        R
      /   \
接口1       接口2
IP1         IP2

会有多个 IP 地址。

因为每个接口处于不同网络。

十七、传统 A/B/C 类

现在实际网络更多使用 CIDR，但考试仍然要会。

类	第一字节	默认前缀
A	1～126	/8
B	128～191	/16
C	192～223	/24
D	224～239	多播
E	240～255	保留

几个特殊地址：

网络地址

主机号全 0。

例如：

192.168.1.0/24

广播地址

主机号全 1：

192.168.1.255/24

环回

127.x.x.x

未指定地址

0.0.0.0

DHCP 初始阶段常用。

受限广播

255.255.255.255

十八、子网掩码 —— ★★★★★

这是你做网络层计算题的核心工具。

假设：

IP：
192.168.1.130

掩码：
255.255.255.192

二进制：

192 = 11000000

因此掩码：

11111111.11111111.11111111.11000000

也就是：

/26

网络地址怎么求？

公式：

网络地址 = IP 地址 AND 子网掩码

130：

10000010

192：

11000000

AND：

10000000 = 128

所以网络地址：

192.168.1.128/26

十九、一个前缀有多少地址？

若前缀：

/ n

主机位：

h = 32 - n

地址总数：

2^{h}

传统情况下可用主机地址数：

2^{h} - 2

减掉：

网络地址；
广播地址。

例如：

/26

主机位：

32 - 26 = 6

总地址：

2^{6} = 64

可用：

64 - 2 = 62

二十、快速算地址块：块大小法

这个方法非常适合考场。

例如掩码：

255.255.255.224

最后一个有效字节：

224

块大小：

256 - 224 = 32

所以网络地址按 32 跳：

即：

192.168.1.0/27
192.168.1.32/27
192.168.1.64/27
...

假设 IP：

192.168.1.77/27

77 落在：

64 ~ 95

因此：

网络地址 192.168.1.64
广播地址 192.168.1.95
可用地址 192.168.1.65 ~ 94

二十一、定长子网划分 FLSM —— ★★★★★

假设：

192.168.5.0/24

现在使用：

255.255.255.248

248：

11111000

所以：

/29

原来：

/24

借了：

29 - 24 = 5

位做子网号。

子网数：

2^{5} = 32

剩余主机位：

32 - 29 = 3

每子网地址：

2^{3} = 8

可用：

8 - 2 = 6

所以：

32 个子网，每子网最多 6 个可分配地址。

这正是资料列出的 2010 真题类型。

二十二、VLSM 变长子网划分 —— ★★★★★

这是现在非常重要的题型。

核心原则：

按需求从大到小分。

例如获得：

192.168.1.0/24

三个部门分别需要：

100
50
20

1. 100 台

找最小 $h$ ：

2^{h} - 2 \geq 100

h = 7

所以前缀：

32 - 7 = 25

分：

192.168.1.0/25

范围：

0 ~ 127

2. 50 台

2^{6} - 2 = 62

所以：

/26

接着从 128 开始：

192.168.1.128/26

范围：

128 ~ 191

3. 20 台

2^{5} - 2 = 30

所以：

/27

接：

192.168.1.192/27

范围：

192 ~ 223

所以最终：

100台 → /25
50台  → /26
20台  → /27

最关键：

不要先给小子网分。

资料给出的 VLSM 示例也是按“先分配最大子网”的原则处理。

二十三、CIDR —— ★★★★★

CIDR 的核心：

不再死板地分 A/B/C 类。

而是：

IP地址/前缀长度

例如：

128.14.32.5/20

说明：

前 20 位：网络前缀
后 12 位：主机

掩码：

255.255.240.0

/20 地址范围怎么求？

第三字节掩码：

块大小：

256 - 240 = 16

32 落在：

32 ~ 47

所以：

网络地址：
128.14.32.0

广播地址：
128.14.47.255

总地址：

2^{12} = 4096

二十四、路由聚合 —— ★★★★★

也叫：

supernetting / route aggregation

核心思想：

多个连续小网络，用一个更大前缀表示。

例如：

206.1.0.0/17
206.1.128.0/17

前 16 位相同：

206.1

第 17 位不同。

所以可以聚合：

206.1.0.0/16

资料正是用这个例子解释路由聚合。

二十五、路由聚合题万能算法

给一组网络地址：

第一步

全部写成二进制。

第二步

从左向右找：

公共前缀。

第三步

公共前缀长度就是聚合后的 /n。

例如：

192.168.4.0
192.168.5.0
192.168.6.0
192.168.7.0

第三字节：

4 = 00000100
5 = 00000101
6 = 00000110
7 = 00000111

共同：

前面已有：

16

这里再相同：

6

所以：

16 + 6 = 22

聚合：

192.168.4.0/22

二十六、最长前缀匹配 —— ★★★★★

这是 CIDR 转发题的灵魂。

假设路由表：

10.0.0.0/8     → R1
10.1.0.0/16    → R2
10.1.2.0/24    → R3
0.0.0.0/0      → R4

目的：

10.1.2.100

它同时匹配：

/8
/16
/24
/0

应该选：

/24 → R3

原则：

前缀最长 = 范围最小 = 信息最具体。

资料称之为“最长前缀匹配/最佳匹配”。

二十七、特殊路由

主机路由

某一台具体主机：

192.168.1.7/32

前缀最长：

/32

所以优先级很高。

默认路由

0.0.0.0/0

匹配所有地址。

但：

优先级最低。

可以理解：

实在找不到路了，就往这里发。

二十八、直接交付 vs 间接交付

假设 A 发给 B。

A 首先判断：

I P_{A} \land M a s k

和：

I P_{B} \land M a s k

是否相同。

相同

同子网：

A
 ↓ ARP查B
B

直接获取 B 的 MAC。

不相同

跨网：

A
 ↓
默认网关
 ↓
其他路由器
 ↓
B

A 此时：

ARP 查询的不是 B 的 MAC。

而是：

默认网关接口的 MAC。

这是超级高频易错点。

二十九、NAT —— ★★★★

NAT 解决：

私有地址如何共享少数公网 IP 上网。

三个私有地址块必须背：

10.0.0.0/8

172.16.0.0/12
即 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255

192.168.0.0/16

资料指出这些私有地址不能直接在公网路由，而要通过 NAT 映射成公网地址。

三十、PAT/NAPT 的本质

例如：

内网：
10.0.0.1:3345

公网：
138.76.29.7

NAT 可以改成：

138.76.29.7:5001

建立：

10.0.0.1:3345
        ↕
138.76.29.7:5001

服务器返回：

138.76.29.7:5001

NAT 查表：

↓
10.0.0.1:3345

所以：

一个公网 IP 可以依靠大量不同端口映射许多内网连接。

普通路由器转发一般不修改端到端 IP 地址；NAT 路由器会修改地址，并通常还会涉及端口，因此功能涉及网络层和传输层信息。

三十一、ARP —— ★★★★★

ARP 解决：

已经知道下一跳 IP，但不知道下一跳 MAC。

所以可以记：

IP → MAC

资料将 ARP 工作原理、解析过程和跨局域网解析都列作高频考点。

三十二、ARP 完整过程

A：

IP_A
MAC_A

想找 B：

IP_B
MAC_B = ?

首先查：

ARP Cache

若没有：

ARP Request

目的 MAC：

FF:FF:FF:FF:FF:FF

广播：

“谁是 IP_B？请告诉 IP_A。”

整个广播域收到。

B 发现：

目标IP = 自己

于是返回：

ARP Reply

通常单播：

B → A

告诉：

IP_B ↔ MAC_B

A 存入 ARP Cache。

三十三、跨网络 ARP —— 必须彻底理解

假设：

H1 —— R1 —— R2 —— H4

H1 要发送给 H4。

H1 已知：

目的 IP = IP_H4

但 H4 不在同一网络。

所以 H1 不会问：

“IP_H4 的 MAC 是什么？”

因为 ARP 广播过不了路由器。

而是：

“我的默认网关 R1 的 MAC 是什么？”

于是第一跳帧：

源 MAC：MAC_H1
目的 MAC：MAC_R1

但 IP 数据报：

源 IP：IP_H1
目的 IP：IP_H4

到了 R1：

拆帧
↓
看 IP
↓
查路由
↓
找下一跳 R2
↓
ARP 找 R2 MAC
↓
重新封帧

第二跳：

源MAC：R1出口MAC
目的MAC：R2入口MAC

IP 仍是：

IP_H1 → IP_H4

最后：

R2 → H4

才解析 H4 的 MAC。

资料专门强调：每经过一台路由器，外层 MAC 帧的源、目的地址都可能改变。

三十四、需要形成的“跨网通信脑图”

这是整章最重要的综合理解：

应用数据
   ↓
TCP/UDP
   ↓
IP数据报
源IP = A
目的IP = B
   ↓
第一跳以太网帧
源MAC = A
目的MAC = 默认网关R1
   ↓
R1拆帧
   ↓
查目的IP
   ↓
R1重新封帧
源MAC = R1出口
目的MAC = R2入口
   ↓
R2
   ↓
……
   ↓
最后一跳
源MAC = 最后一台路由器
目的MAC = B

绝大多数普通情况下：

端到端：
源IP、目的IP基本不变

逐跳：
源MAC、目的MAC不断变化

另外：
TTL 每过一台路由器减1

NAT 是 IP 地址可能被修改的重要例外。

三十五、DHCP —— ★★★

解决：

新主机怎么自动得到 IP、掩码、网关、DNS？

DHCP：

应用层协议，使用 UDP。

模拟题也直接考过“DHCP 属于哪一层”，答案为应用层。

三十六、DHCP 四步：DORA

必须会：

Discover
Offer
Request
ACK

简称：

DORA

第一步 Discover

主机刚开机：

我是谁不知道
DHCP服务器是谁也不知道

所以：

源 IP：

0.0.0.0

目的：

255.255.255.255

广播。

第二步 Offer

DHCP Server：

“我可以给你 192.168.1.100。”

并提供：

IP；
子网掩码；
默认网关；
DNS；
租期。

第三步 Request

客户端：

“我要接受这台 DHCP 服务器给我的地址。”

为什么仍常广播？

因为可能同时收到了：

Server A Offer
Server B Offer
Server C Offer

广播 Request 可以让其他 Server 知道：

我没有选择你们，可以释放预留资源。

第四步 ACK

服务器确认：

这个 IP 正式租给你。

三十七、DHCP 端口

常考：

Server：UDP 67
Client：UDP 68

三十八、ICMP —— ★★★★

ICMP：

Internet Control Message Protocol

功能：

网络层差错报告和控制。

它不是 TCP/UDP 上面的应用协议。

而是：

ICMP
 ↓
IP

即：

ICMP 报文封装在 IP 数据报中。

模拟题中就考到：ICMP 不由 TCP 提供服务，而是直接由 IP 承载。

三十九、ICMP 五类差错报告

资料列出的主要类型：

1. 终点不可达

无法到达目标。

2. 时间超过

典型：

T T L = 0

也包括分片重组超时。

3. 参数问题

IP 首部字段有问题。

4. 重定向

路由器告诉主机：

“以后去那个网络别先给我，直接发给另一个更合适的路由器。”

5. 源点抑制

资料中保留这一传统 ICMP 类型，用于让源端降低发送速率。

四十、什么时候不能产生 ICMP 差错报告？

非常适合选择题。

资料列出：

ICMP 差错报告报文本身出错；
非第一个 IP 分片；
目的地址为广播或多播；
某些特殊地址。

核心思想：

防止 ICMP 错误导致新的 ICMP 错误，无限套娃。

四十一、PING 原理

PING：

ICMP Echo Request
        ↓
ICMP Echo Reply

主要测试：

主机是否可达；
RTT。

注意：

ping 不用 TCP，也不用 UDP。

四十二、Traceroute 原理

非常经典。

先发：

T T L = 1

第一台路由器：

TTL 1→0
丢弃
返回 ICMP 时间超过

于是知道第一跳。

再：

T T L = 2

第二台返回。

然后：

3, 4, 5, \dots

这样逐跳得到路径。

四十三、IPv6 —— 中等重点

IPv6 地址：

128 bit

IPv4：

32 bit

所以地址空间扩大：

2^{128 - 32} = 2^{96}

倍。

四十四、IPv6 相比 IPv4 的重点变化

资料总结得非常适合考试：

IPv6 基本首部固定

40 B

IPv4：

20~60B

IPv6 取消首部校验和

为什么？

路由器每跳都要改 Hop Limit。

如果存在首部校验和：

每经过一跳
↓
修改首部
↓
重算校验和

很浪费。

所以 IPv6 去掉。

IPv6 路由器不负责分片

IPv6：

只有源主机分片。

不同于 IPv4。

TTL 改名

IPv4：

TTL

IPv6：

Hop Limit

更准确。

Protocol 改为

Next Header

因为它可能指向：

扩展首部

也可能直接指向：

TCP
UDP
ICMPv6

资料指出 IPv6 基本首部固定 40B、取消首部检验和，且路由器不再分片。

四十五、IPv6 地址书写

128 bit：

xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx

8 组，每组：

16 bit

前导零可以省

039A → 39A
000A → A

但是：

只能省前导零。

比如：

D000

不能写：

D0

因为值已经变了。

连续全 0 组

可以：

::

例如：

4BF5:0:0:0:BA5F:39A:A:2176

写成：

4BF5::BA5F:39A:A:2176

一个 IPv6 地址：

:: 最多只能出现一次。

否则无法恢复到底省略了几组。

四十六、IPv6 三种通信地址

单播

一对一

多播

一对多

任播

一个地址代表一组节点
但只交给其中“最近”的一个

任播是 IPv6 中很重要的新概念。

四十七、IPv4 → IPv6 过渡

两个重点：

双协议栈

设备同时：

IPv4
+
IPv6

根据目标选择。

隧道

IPv6 网络之间隔着 IPv4 网络：

IPv6
  ↓
封装进 IPv4
  ↓
穿越 IPv4 网络
  ↓
解封装
  ↓
IPv6

资料把双协议栈和隧道技术列为主要过渡策略。

四十八、4.4 路由算法 —— 第二核心

这一块的总框架：

动态路由
│
├─ Distance Vector
│      ↓
│  Bellman-Ford
│      ↓
│     RIP
│
└─ Link State
       ↓
    Dijkstra
       ↓
      OSPF

不同AS之间：
BGP

资料明确说明，DV 基于 Bellman-Ford，LS 需要掌握全网拓扑并使用 Dijkstra。

四十九、静态路由 vs 动态路由

静态

管理员手工填：

Network X → Router Y

优点：

简单；
无协议开销。

缺点：

网络变了不会自动调整。

动态

路由器自己交换信息。

例如：

链路断了
↓
协议检测
↓
重新计算
↓
更新路由表

适合大型网络。

五十、距离向量算法 DV —— ★★★★★

Distance Vector：

每个路由器不需要知道完整网络拓扑。

只需要知道：

我的邻居是谁；
到邻居费用多少；
邻居告诉我：“它到各目标多远”。

核心 Bellman-Ford：

d_{x} (y) = v min {c (x, v) + d_{v} (y)}

意思：

x 去 y，可以先经过某个邻居 $v$ 。

把：

x→v

的成本：

c (x, v)

加上邻居告诉你的：

v→y

成本：

d_{v} (y)

然后所有邻居中取最小。

五十一、DV 举例

假设：

      2
 X ------- Y
  \       /
   \7   1/
    \   /
      Z

X 到 Z：

直接：

7

通过 Y：

2 + 1 = 3

所以：

d_{X} (Z) = 3

下一跳：

这就是 DV 的本质。

五十二、链路状态算法 LS —— ★★★★★

Link State：

每个路由器最终都知道完整拓扑。

每台路由器先告诉大家：

我连接谁？
每条链路代价是多少？

通过：

洪泛 Flooding

传播到整个区域。

于是大家得到相同：

LSDB
链路状态数据库

之后每台路由器自己运行：

Dijkstra

得到最短路径树。

五十三、Dijkstra 在网络中的做法

假设从节点 $s$ 出发。

维护：

N'：已确定最短路径的节点集合
D(v)：当前到v的最小估计距离

初始化：

N^{'} = {s}

对于与 $s$ 直接相连的：

D (v) = c (s, v)

其余：

D (v) = \infty

重复：

第一步

从未确定节点中选：

D (w)

最小的 $w$ 。

加入：

N^{'}

第二步

松弛：

D (v) = min {D (v), D (w) + c (w, v)}

直到所有节点处理完成。

五十四、DV vs LS

	DV	LS
典型	RIP	OSPF
算法	Bellman-Ford	Dijkstra
拓扑知识	只知道邻居提供信息	完整拓扑
信息发送给	邻居	洪泛到整个区域
信息内容	距离向量/路由信息	自己的链路状态
收敛	较慢	较快
路由环路	可能	较少
适合	小网络	大网络

五十五、为什么要自治系统 AS？

Internet 太大。

不可能：

全世界所有路由器运行一个算法，共享所有详细拓扑。

所以划成：

AS1
AS2
AS3
……

AS：

Autonomous System，自治系统。

AS 内

使用：

IGP

例如：

RIP
OSPF

AS 间

使用：

EGP

现在最重要：

BGP

五十六、RIP —— ★★★★★

RIP：

Routing Information Protocol

典型：

Distance Vector。

1. 距离单位

RIP 用：

跳数。

经过一个路由器：

+ 1

2. 最大距离

最大有效：

15

所以：

16 = 不可达

这是经典考点。

3. RIP 使用 UDP

RIP：

应用层协议
↓
UDP

端口：

520

这个和 OSPF、BGP 特别爱一起考。模拟资料也专门提醒：不能笼统说 RIP、OSPF、BGP 都是网络层协议。

五十七、RIP 路由表更新算法 —— 一定掌握

假设：

R1 收到相邻 R2 的 RIP 表

第一步：

所有距离先 +1。

因为从 R1 去任何 R2 报告的网络，首先要走：

R1 → R2

然后对于目的网络 $N$ ：

情况 1：我没有 N

直接加入。

情况 2：原本也是通过 R2

无论新距离：

更大
还是
更小

都更新。

因为：

我的这条路本来就依赖 R2，R2 告诉我状态变了，我就应该相信最新信息。

这个是最容易做错的地方。

情况 3：原下一跳不是 R2

比较：

新路线 < 原路线

才替换。

情况 4

新路线不更好：

不更新。

五十八、资料中的 RIP 题

R1 原表：

网络	距离	下一跳
10	0	直接
20	7	R2
30	4	R2

R2 发来：

网络	距离
10	3
20	4
30	3

先：

+ 1

得到：

10 → 4
20 → 5
30 → 4

但是：

10

本地直连：

0

不会换成 4。

20

原本下一跳就是 R2。

所以即便：

7 \to 5

更新。

30

也是 R2：

4 \to 4

保持 4。

结果：

0, 5, 4

答案 D。资料中的模拟选择题正是这类 RIP 更新题。

五十九、RIP 最大问题：坏消息传播慢

假设：

R1 —— N
 |
R2

原来：

R1 到 N = 4
R2 到 N = 5，经R1

后来 N 断了。

R1：

N不可达

但是 R2 还不知道，告诉 R1：

“我到 N 距离 5。”

R1 误以为：

“那我可以经过 R2 去 N。”

于是：

6

随后 R2 又听 R1 说：

6

于是认为：

7

循环：

6
7
8
9
...
16

直到：

16

才认定不可达。

这叫：

count to infinity，无穷计数。

资料称：

好消息传播快，坏消息传播慢。

六十、OSPF —— ★★★★★

OSPF：

Open Shortest Path First

采用：

链路状态算法
+
Dijkstra

OSPF 和 RIP 的关键区别

RIP

告诉邻居：

“我到所有网络分别多远。”

OSPF

告诉大家：

“我直接连接了哪些邻居，这些链路代价是多少。”

非常重要。

六十一、OSPF 信息传播

OSPF 使用：

洪泛。

假如 R1 产生新链路状态：

R1
↓ ↓ ↓
邻居
↓ ↓ ↓
邻居的邻居
...

直到区域内所有路由器都拥有副本。

最终：

所有路由器 LSDB 基本一致

然后每台自己运行 Dijkstra。

六十二、OSPF 不走 UDP/TCP

OSPF：

直接封装在 IP 中。

IP Protocol：

89

对比：

RIP → UDP 520
OSPF → IP protocol 89
BGP → TCP 179

这张表一定背。

六十三、OSPF 为什么适合大网络？

因为：

收敛快；
没有 RIP 15 跳限制；
链路变化立即传播；
支持 CIDR/VLSM；
支持区域 Area；
可做等价路径负载均衡。

模拟资料也把 RIP 与 OSPF 的区别整理为：RIP 适合规模较小、较稳定网络；OSPF 更适合大型、动态网络。

六十四、OSPF Area

大 AS 仍然太大。

所以：

AS
│
├─ Area 1
├─ Area 2
├─ Area 3
└─ Backbone Area

核心：

链路状态洪泛限制在区域内部。

否则所有路由器频繁向整个 AS 洪泛，开销太大。

六十五、OSPF 五种报文 —— 选择题高频

按工作流程理解，不要死背。

Hello

你还活着吗？
我是你的邻居。

发现/维护邻居。

DD

Database Description。

这是我数据库的大纲。

不是完整内容。

LSR

Link State Request。

你这个LSA我没有/太旧，给我完整版本。

LSU

Link State Update。

这是你要的完整链路状态信息。

核心更新报文。

LSAck

我收到了。

确认。

所以顺序逻辑：

Hello
↓
DD
↓
LSR
↓
LSU
↓
LSAck

六十六、BGP —— ★★★★

BGP：

Border Gateway Protocol

作用：

不同 AS 之间交换路由。

BGP 为什么不能简单用 Dijkstra？

因为 AS 之间不仅考虑技术性能。

还考虑：

商业；
政策；
安全；
运营商关系；
哪些 AS 可以经过。

所以 BGP 的目标不是：

数学意义上的绝对最短。

而是：

策略允许条件下的一条较好的、可达、无环路径。

六十七、BGP 是路径向量

RIP：

距离向量

OSPF：

链路状态

BGP：

路径向量

核心属性：

AS-PATH
NEXT-HOP

资料明确把 BGP 定义为基于 TCP 的应用层路径向量协议。

六十八、AS-PATH 为什么能防环？

假设路由：

AS1 → AS2 → AS3 → X

AS-PATH：

AS1 AS2 AS3

如果 AS2 收到一个路由通告，发现：

AS-PATH 已经含有 AS2

说明：

这条路会绕回来。

直接拒绝。

六十九、BGP 使用 TCP

端口：

179

所以三大协议：

协议	类型	算法	承载
RIP	IGP	DV	UDP 520
OSPF	IGP	LS	IP 89
BGP	EGP	Path Vector	TCP 179

这张表价值非常高。

七十、eBGP 与 iBGP

eBGP

不同 AS：

AS1 ↔ AS2

iBGP

同一 AS 内部，把外部 BGP 路由传播给本 AS 的其他 BGP 路由器。

所以：

BGP 不只是“边界路由器之间有一个协议”这么简单。

AS 内部也需要 iBGP。

七十一、BGP 路由选择

按资料的考研框架，主要顺序理解成：

第一

优先：

LOCAL-PREF 更高。

代表管理员的策略。

第二

若本地偏好相同：

AS-PATH 更短。

第三

仍相同：

热土豆路由。

即：

尽快把数据丢出自己的 AS。

利用 IGP 比较到不同出口的代价。

第四

最后还相同：

进一步根据标识等规则决策。

对于 408，理解前面三项尤其重要。

七十二、BGP 四种报文

Open

建立 BGP 会话。

Update

增加/撤销路由。

Keepalive

保持连接。

Notification

报告错误。

记：

Open → 建关系
Update → 说路由
Keepalive → 还活着
Notification → 出错了

七十三、RIP / OSPF / BGP 一张终极表

	RIP	OSPF	BGP
范围	AS 内	AS 内	AS 间为核心
类型	IGP	IGP	EGP
算法	距离向量	链路状态	路径向量
底层	UDP	IP	TCP
端口/协议号	UDP 520	IP 89	TCP 179
度量	跳数	链路代价	策略、AS-PATH 等
最大跳数	15	无 RIP 式限制	不这样衡量
信息交换	邻居	区域内洪泛	BGP 对等体
内容	路由信息/距离向量	直连链路状态	BGP 路由、AS-PATH 等
收敛	慢	快	强调策略稳定性
典型规模	小	大	Internet AS 间

资料中的模拟题也集中考这些区别。

七十四、IP 多播 —— 理解即可

单播：

服务器 → A
服务器 → B
服务器 → C

发三份。

多播：

          ┌→ A
服务器 → 网络
          ├→ B
          └→ C

服务器只需发一份。

在分叉处复制。

七十五、IPv4 多播地址

D 类：

224.0.0.0
~
239.255.255.255

即：

224.0.0.0/4

注意：

多播地址只能作为目的地址。

不能作为源地址。

七十六、IP 多播和 MAC 多播映射

以太网多播 MAC 范围前缀：

01-00-5E

IPv4 多播有：

28

位标识组。

MAC 这里只映射：

23

位。

因此：

2^{28 - 23} = 32

个不同 IP 多播地址：

可能映射到同一个 MAC 多播地址。

因此收到 MAC 多播帧后：

IP 层还要进一步检查目的 IP。

资料对此给出了完整映射说明。

七十七、IGMP

IGMP：

管理主机加入、离开多播组。

它回答的是：

“这个局域网里还有没有某个组的成员？”

不是：

“全互联网某个组到底有多少成员？”

这是典型辨析。

七十八、移动 IP —— 理解

核心问题：

假设手机/笔记本：

网络 A
↓
移动
↓
网络 B

普通 DHCP：

IP地址也变化

但 TCP 连接会因为 IP 变化而受到影响。

移动 IP 希望：

移动以后仍保留永久地址。

七十九、三个实体

Mobile Node

移动节点。

Home Agent

归属代理。

Foreign Agent

外地代理。

八十、移动 IP 通信过程

假设移动主机永久 IP：

131.8.6.7

现在跑到另一个网络。

获得：

Care-of Address，转交地址。

归属代理记录：

永久IP
↓
现在实际在哪里
↓
转交地址

外部主机 B 仍然发给：

永久IP

分组先到：

Home Agent

然后：

封装
↓
IP隧道
↓
Foreign Agent
↓
解封装
↓
移动主机

资料将这个过程概括为“邮件转寄”模型。

八十一、路由器 —— ★★★★

路由器内部核心：

       路由选择处理机
         控制平面
             │
          路由表
             ↓
          转发表
             │
输入端口 → 交换结构 → 输出端口
             数据平面

资料明确把路由器分为路由选择/控制平面和分组转发/数据平面。

八十二、路由器收到一个帧到底做什么？

假设：

以太网帧

进入路由器。

1. 物理层

接收比特。

2. 数据链路层

检查帧，并：

去掉 MAC 帧头/帧尾

得到：

IP 数据报

3. 网络层

读取：

目的 IP

查转发表。

TTL：

T T L - 1

必要时更新 IPv4 首部校验和。

4. 找下一跳

得到：

下一跳IP

5. ARP

得到：

下一跳MAC

6. 重新封装

新的：

MAC帧

7. 输出

从对应接口发送。

八十三、交换机与路由器：广播域/冲突域

集线器

不能隔离冲突域
不能隔离广播域

交换机

每端口一个冲突域
但默认不隔离广播域

路由器

隔离冲突域
隔离广播域

因此：

路由器每个接口通常属于不同广播域。

资料也把冲突域/广播域作为 2010、2020 的考点。

八十四、整章最重要的综合通信过程

假设：

H1
|
SW1
|
R1
|
R2
|
SW2
|
H2

H1 向 H2 发 TCP 数据。

你做综合题时按下面顺序分析。

第一步：H1 判断 H2 是否同网段

计算：

I P_{H 1} \land M a s k

和：

I P_{H 2} \land M a s k

若不同：

发给默认网关 R1。

八十五、第二步：H1 ARP 默认网关

H1 不知道 R1 MAC：

ARP Request

交换机：

广播

R1 回复：

ARP Reply
单播

H1 得到：

IP_R1 ↔ MAC_R1

八十六、第三步：第一跳帧

IP：

Src IP = H1
Dst IP = H2

MAC：

Src MAC = H1
Dst MAC = R1

八十七、第四步：R1 转发

R1：

拆 MAC 帧
↓
读取 H2 的 IP
↓
查路由表
↓
最长前缀匹配
↓
找到下一跳 R2
↓
ARP 找 R2 MAC

新的 MAC：

Src MAC = R1出口
Dst MAC = R2

而 IP 仍然是：

H1 → H2

TTL：

- 1

八十八、第五步：R2 到目的 LAN

R2 判断：

H2网络是直连

ARP：

H2 IP → H2 MAC

最后一跳：

Src MAC = R2
Dst MAC = H2

Src IP = H1
Dst IP = H2

最终送到 H2。

八十九、如果中间有 NAT？

那么会出现额外变化：

普通路由：

IP 源/目的地址一般保持

NAT：

会修改 IP 地址
甚至修改 TCP/UDP 端口

所以遇到综合题一定先看：

有没有 NAT。

九十、整章最值得熟练到“秒杀”的计算公式

1. 主机位

h = 32 - n

2. 地址块大小

2^{h}

3. 普通可分配主机数

2^{h} - 2

4. 从原 `/m` 借 $s$ 位

新前缀：

m + s

子网数：

2^{s}

5. 网络地址

Network = I P \land M a s k

6. IPv4 分片每片最大数据

D = ⌊ \frac{M T U - H}{8} ⌋ \times 8

7. 片偏移

O f f se t_{i} = \frac{该片之前的数据字节总数}{8}

8. 距离向量

d_{x} (y) = v min {c (x, v) + d_{v} (y)}

九十一、几个特别容易错的点

错误 1

ARP 查最终目的主机 MAC。

只有同一广播域才是。

跨网：

查下一跳 MAC。

错误 2

IP 地址标识主机。

更准确：

标识接口。

错误 3

MAC 地址端到端不变。

反了。

通常：

MAC逐跳变
IP端到端基本不变

错误 4

路由器重组 IPv4 分片。

不。

目的主机重组。

错误 5

MF=0 表示没分片。

不一定。

它只表示：

后面没有更多分片。

最后一个分片同样是：

M F = 0

错误 6

Offset 单位是 B。

错：

8 B

错误 7

RIP 的 16 跳还能到。

不。

16 = 不可达

错误 8

RIP、OSPF、BGP 都用 UDP/TCP。

不。

RIP → UDP
OSPF → IP
BGP → TCP

错误 9

默认路由优先匹配。

恰恰相反。

/0

是最短前缀：

最后兜底。

错误 10

最长前缀匹配选网络最大的。

恰恰相反：

前缀越长
↓
地址块越小
↓
路由越精确
↓
越优先

九十二、408 复习优先级

如果准备考试，建议这一章分三档。

第一档：必须做到计算题基本不失分

子网掩码；
CIDR；
网络地址、广播地址；
FLSM；
VLSM；
路由聚合；
最长前缀匹配；
IPv4 分片；
路由表转发；
RIP 更新算法。

这些是全章真正的核心。

第二档：必须能够画出完整通信过程

ARP；
跨网 ARP；
默认网关；
IP 地址与 MAC 地址变化；
NAT；
DHCP；
ICMP；
RIP/OSPF/BGP。

尤其要能够回答：

“H1 给不同网段的 H2 发一个 HTTP/TCP/IP 数据，DNS、ARP、交换机、路由器、MAC、IP、TCP 分别发生什么？”

这类题可以横跨网络几乎所有章节。

第三档：选择题级理解

SDN；
IPv6；
IP 多播；
IGMP；
移动 IP。

不需要像子网划分一样大量算题，但概念不能混。

九十三、最后用一张“大图”把第 4 章串起来

应用要把数据发给另一台主机
              │
              ▼
       得到目的 IP 地址
              │
              ▼
      判断是否处于同一子网
      IP AND Mask 比较
          /           \
        是             否
        │              │
        │          下一跳=默认网关
        │              │
        └──────┬───────┘
               ▼
       ARP：下一跳IP→MAC
               │
               ▼
          封装 MAC 帧
               │
               ▼
             发送
               │
               ▼
             路由器
               │
        解开链路层帧
               │
               ▼
        读取目的 IP 地址
               │
               ▼
        TTL = TTL - 1
               │
               ▼
   查路由表 / 最长前缀匹配
               │
               ▼
         得到下一跳 IP
               │
               ▼
          ARP 获取 MAC
               │
               ▼
        重新封装 MAC 帧
               │
               ▼
            下一路由器
               │
              ...
               │
               ▼
          目的主机所在 LAN
               │
               ▼
        ARP 得到目的 MAC
               │
               ▼
           最终交付主机

这张流程如果真正理解，第 4 章至少有一半已经打通了。

资料本章的总结也特别强调了两个关键联系：一是路由表给出下一跳 IP 后，还需要 ARP 将它解析为 MAC 地址；二是路由器转发时会解封装输入链路的帧、处理 IP 数据报，再针对下一链路重新封装，因此它能够互连底层技术不同的网络。

最需要反复练的顺序建议是：

子网 /CIDR \to 路由聚合 \to 最长前缀匹配 \to IP 分片 \to ARP 跨网通信 \to RIP 更新 \to OSPF/BGP 辨析

把这 7 组题型吃透，第 4 章就从“知识很多很杂”变成了一套非常有规律的地址计算 + 逐跳转发 + 路由生成体系。

第 4 章 网络层