目录

一、网络层的任务和服务

1、分组转发

2、路由选择

二、ARP协议原理

1、目标物理地址在ARP Cache中

2、目标物理地址不在ARP高速缓存中

三、ARP的4种典型情况

一、网络层的任务和服务

计算机网络的学习已经到网络层部分了，从物理层、数据链路层，逐渐接近五层协议结构的上层。

网络层是数据链路层的上一层，它的工作任务，也是核心功能，一共有两个：分组转发和路由选择。

1、分组转发

网络层的主要任务就是将分组从源主机传送到目的主机，最核心的设备无非就是路由器了。路由器维护了一个转发表，在转发分组时候，根据分组数据的首部标识在转发表中查询，然后转发到目标地址。

2、路由选择

当分组从发送方传送到接收方，网络层需要决定这些分组要走的路径，这就是路由选择（Routing）。路由选择的结果就是生成转发表。

路由选择的方式包括：集中式、分布式。分布式自动路由选择需要在路由器上运行路由选择协议，互相交换路由信息并计算路由。实际上，该过程直接生成的是路由表，再生成转发表。

在网络层，提供了面向连接和无连接的服务。

面向连接服务的网络成为虚电路网络；无连接服务的网络成为数据报网络。

• 虚电路网络的特点

可靠的通信由网络来保证； 终点地址仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号； 属于同一条虚电路的分组均按照同一个路由进行转发，按发送顺序到达终点； 所有通过故障结点的虚电路都不能工作； 容易实现，可以将通信资源提前分配给每一条虚电路。

• 数据报网络的特点

可靠通信由用户保证； 每个分组都有完整的终点地址，达到终点可能不按顺序； 每个分组独立选择路由进行转发； 出故障的结点可能丢失分组，路由可能发生变化； 很难实现。

二、ARP协议原理

网络层中重要的协议：IP协议，是TCP/IP体系中最重要的协议之一。

IP协议配套的4个协议是：地址解析协议（ARP）、逆地址解析协议（RARP）、网际控制报文协议（ICMP）、网际组管理协议（IGMP）。

ARP和RARP协议解决了已知目标IP地址，需要获得对应的物理地址；和反过程，已知目标物理地址，需要获得相应的IP地址。

RARP协议现在已经没有单独使用，DHCP协议中已经包含RARP协议的功能。

这里我主要记录一下ARP工作过程。

在支持广播的局域网中可以使用ARP协议解决IP地址和物理地址的动态映射关系问题。方法：每台主机都有ARP高速缓存，在其中存放了一个IP地址-物理地址的映射表，并且不断动态更新。

ARP工作过程，我的总结如下：

1、目标物理地址在ARP Cache中

当A主机要发送IP数据报给同一局域网的主机B，A主机查询自己的ARP Cache，发现存在B的IP地址和物理地址映射条目，因此就把MAC地址写入MAC帧通过局域网发送到B的物理地址。

2、目标物理地址不在ARP高速缓存中

（1）第一步，A主机的ARP进程在局域网内部发送一个广播ARP请求分组，该分组封装在数据链路层的广播帧中。主要内容是：我的IP地址是10.1.1.1，MAC地址00-00-25-AB-EE-9C，我想知道IP地址为10.1.1.2的MAC地址。

（2）第二步，局域网内部的所有主机上的ARP进程都会收到这个ARP请求分组。

（3）第三步，主机B发现ARP请求分组中的IP地址和自己的匹配，立即向A主机发送响应分组，写入自己的MAC地址，主要内容是：我的IP地址是10.1.1.2，MAC地址00-ED-00-AB-24-9C。此时的响应分组是数据链路层单播，因为只从源地址发送给目标地址A主机。

（4）最后，主机A收到主机B的ARP响应分组，就在自己的ARP高速缓存中写入B的IP地址-MAC地址映射。

在这个过程完成了主机A对主机B的MAC地址信息的获取，当然，主机B会把主机A的IP地址-MAC地址写入自己的Cache，方便之后可能的通信，不用发送ARP广播，减少网络的通信量。

看到这里，我们会发现前提是在同一局域网下主机之间的数据传送，在不用局域网中，主机A发送的广播不会被主机B接收到，因此，需要通过路由器对主机A的请求进行转发，再继续上面的ARP工作过程。

三、ARP的4种典型情况

1. 发送方是主机，IP数据报要发送到本网络的另一个主机，这时用ARP找到目的物理地址。
2. 发送方是主机，IP数据报要发送到另一局域网的一个主机，这是ARP先找到局域网中的一个路由器，剩下工作由路由器完成。
3. 发送方是路由器，IP数据报要发送到本网络的另一个主机，这时用ARP找到目的物理地址。
4. 发送方是路由器，IP数据报要发送到另一局域网的一个主机，这是ARP先找到局域网中的另一个路由器，剩下工作由这个路由器完成。

这样，通过多次使用ARP，实现全网的通信。

ARP的产生当然有它的优势所在，全世界存在大量不同的网络，它们使用不同形式的物理地址，这些异构网络要互相通信，统一的IP地址格式加上ARP地址解析协议解决了这个问题，ARP的实现过程是计算机软件自动进行的，用户并未感知到。

网络层的部分其实还有许多内容，IP数据报、ICMP协议等，为了保证博文合适的长度和质量，准备在接下来进行记录网络层的学习内容。