考点七：一个完整的例子结束网络层的学习
到这里我们就学完了网络层的核心功能和核心考点，下面我们将把IP地址划分、路由协议算法、IP分组的转发流程、ARP协议及IP首部等知识点全部融合到本例中，同时将回答大家可能想到的问题：MAC地址是全球唯一的，IP地址也是全球唯一的，为什么不使用MAC地址作为全球唯一地址来屏蔽不同网络差异。
如图4-30所示，图中包含R1、R2、R3、R4共4台路由器，路由器的拓扑结构及各个路由器的接口，我们来探讨以下问题：
（1）一个自治系统AS1有4个局域网，其连接图如图4-30所示，LAN2～LAN5上的主机数分别为91个、150个、3个和15个。该自治系统分配到的IP地址块为30.138.118/23。试给出每个局域网的地址块（包括前缀）。另一个自治系统AS2的网络号为198.90.10.0/27，子网掩码固定为255.255.255.224，最多可以分成多少个子网，而每个子网最多具有多少个有效的IP地址。
（2）LAN2中的一个主机1(其IP地址是IP1)向LAN1中的主机2(其IP地址是IP2)发送数据，试使用RIP协议，构造R1、R2、R3、R4的路由表，其中路由表项为<目的网络地址，子网掩码，下一跳，转发接口>。
（3）根据（2）中的路由表，分析和讨论LAN2中的一个主机1，其IP地址是IP1，向LAN1中的主机2(其IP地址是IP2)发送数据的过程。
（4）主机1的MAC地址是HA1，路由器R1的e0接口的MAC地址是HA3，路由器R1的L0接口的MAC地址是HA4，路由器R2的L2接口的MAC地址是HA5，路由器R2的e0接口的MAC地址是HA6，主机2的MAC地址是HA2；请结合网络层、数据链路层和ARP协议，叙述主机1到主机2的数据发送过程。
图4-30 网络拓扑结构示意图
我们来逐个回答这些问题，第一个问题其实是考点二中政哥点拨的第1题和第2题。
（1）AS2中，给定的地址是198.90.10.0/27，且子网掩码固定为255.255.255.224，从地址结构可知，这是一个C类地址，默认子网掩码是24位，但是题目中给定的子网掩码是27位，借用了3位主机位充当子网位，因此子网个数是23=8个。子网掩码是27位，那么主机位是5位，每个子网中最多有25=32个IP地址，但是要去掉网络地址和广播地址，于是每个子网中有30个有效的IP地址（主机地址/可分配地址）。
AS1，中按照主机优先的策略，LAN2～LAN5上的主机数分别为91个、150个、3个、和15个，该自治系统分配到的IP地址块为30.138.118/23。
首先分配LAN3，具有150个主机，所需的主机位数是「log2（150+2）
=8（位），因为30.138.118/23已经有23位网络位了，又需要8位主机位，所以在地址30.138.118/23中借用1位主机位充当子网位，将该网络切割成2个子网，将118这个字节化成二进制0111 0110，其中最低位的0位置借用为子网位，可以是0或1，于是（假设我们按照从小到大一次分配，这个也是考试中的默认要求）：
子网1：30.138.118.0/24，其IP地址范围是30.138.118.0～30.138.118.255，分配给LAN3；
子网2：30.138.119.0/24，这个子网继续分配。
其次分配LAN2，具有91个主机，所需的主机位数是「log2（91+2）
=7（位），因为30.138.119.0/24已经有24位网络位了，又需要7位主机位，所以在地址30.138.119.0/24中借用1位主机位充当子网位，将该网络切割成2个子网，将第4个字节化成二进制0000 0000，其中最高位的0位置借用为子网位，可以是0或1，于是：
子网1：30.138.119.0/25，其IP地址范围是30.138.119.0～30.138.119.127，分配给LAN2；
子网2：30.138.119.128/25，这个子网继续分配。
最后分配LAN1、LAN4和LAN5三个子网，我们可以在30.138.119.128/25的基础上切割4个子网，于是将128这个字节化成二进制1000 0000；划分4个子网，需要借用2位主机位充当子网位，于是：
子网1：30.138.119.128/27,其IP地址范围是30.138.119.128～30.138.119.159，分配给LAN1；
子网2：30.138.119.160/27,其IP地址范围是30.138.119.160～30.138.119.191，分配给LAN4；
子网3：30.138.119.192/27,其IP地址范围是30.138.119.192～30.138.119.223，分配给LAN5；
子网4：30.138.119.224/27,其IP地址范围是30.138.119.224～30.138.119.255，未进行分配。
（2）第二个问题，试使用RIP协议，构造R1、R2、R3、R4的路由表，其中路由表项为＜目的网络地址，子网掩码，下一跳，转发接口＞。其实构造路由表时，我们只需要关心路由器的路径构造就可以，这个过程比较复杂，我们在构造时，在不妨碍理解的情况下，会省略一些步骤。
①路由器启动时，每个路由器只知道与本路由器直连的网络，可以得到每个路由器的初始路由表，如表4-28～表4-31所示。
表4-28 R1的路由表
表4-29 R2的路由表
表4-30 R3的路由表
表4-31 R4的路由表
②根据RIP协议，相邻路由器之间交换数据，先让R1和R2交换数据，R1网络信息会传给R2，R2网络信息会传给R1，得到如表4-32和表4-33所示的路由表（其实它们之间会相互传递信息，传递信息的顺序只会影响中间过程的路由表，不会影响最终的收敛的路由表）。
表4-32 R1的路由表
表4-33 R2的路由表
③让R1和R4交换数据，R1网络信息会传给R4，R4网络信息会传给R1，得到如表4-34和表4-35所示的路由表。这里重点看一个网络，R4通过R1到达200.1.2.0的距离是3，但是R4直连网络的200.1.2.0的距离是1，因此不更新。其他原理是一样的。
表4-34 R1的路由表
表4-35 R4的路由表
请大家注意，R1的路由表发生变化时，R1会把最新的路由表发给R2、R4，但是考虑到过程的简便性，这一步我们省略了。
④让R2和R4交换数据，R2网络信息会传给R4，R4网络信息会传给R2，得到如表4-36和表4-37所示的路由表。这里重点看两个网络，R4通过R1到达198.90.10.0的距离是3，但是通过R2到达198.90.10.0的距离是2，因此更新距离为2；R4通过R1到达200.1.3.0的距离是3，但是通过R2到达200.1.3.0的距离是2，因此更新距离为2。
表4-36 R4的路由表
表4-37 R2的路由表
⑤依次可以更新R3和R2、R4和R3,这些过程我们就不进行详细展开了。
⑥经过若干的更新，可以达到收敛状态，最终得到R1、R2、R3、R4的路由表如表4-38～表4-41所示。每个路由器知道到达各个网络的路由信息，但是由于它们的路由器的位置不同，因此它们的路由表不同、距离也不同。
表4-38 R1的路由表
表4-39 R2的路由表
表4-40 R3的路由表
表4-41 R4的路由表
续表
续表
还需要注意，如果存在多个距离相同路径，谁先更新保留谁。例如，R3到网络30.138.118.0/24，既可以通过R2，也可以通过R4，且距离都是3，如果R2先给R3发送信息，那么R3会经过R2到达30.138.118.0/24；如果R4先给R3发送信息，那么R3会经过R4到达30.138.118.0/24；在我们的例子中是R3和R2先交换信息。
到此我们的路由表就更新完了。得到路由表以后，就可以根据路由表发送信息了。
（3）第三个问题，根据（2）中的路由表，分析和讨论AS1中LAN2中的一个主机1(其IP地址是IP1)向AS2中LAN1中的主机2（其IP地址是IP2）发送数据的过程。根据子网的划分，我们假设主机1的IP地址是30.138.119.20/25；主机2的IP地址是198.90.10.100/27。
①首先判断主机1和主机2是不是在一个子网，也就是让目的IP地址和源IP地址的子网掩码进行按位与操作，198.90.10.100AND255.255.255.0=198.90.10.0，不等于30.138.119.0。因此主机1和主机2不在同一网络中。且没有特定主机路由，需要查找路由表。
②通过逐项比较R1的路由表，即让目的IP地址和每项的子网掩码按位与操作，得到网络地址，如果和该项的网络地址相同，就是匹配到“目的网络地址是198.90.10.0，子网掩码是255.255.255.224”这一项。将数据从R1的接口L0发出，发给R2。
③数据交给R2后，R2将逐项查找R2的路由表，得到目的网络地址是198.90.10.0、子网掩码是255.255.255.224的表项，表中显示直连网络，就是从R2的e0发出，交付到目的地。这样数据就从主机1交付到主机2。
（4）站在网络层的角度，根据协议的定义，数据从主机1的网络层发送到R1的网络层，再发送到R2的网络层；最后交给主机2的网络层，但是实际上并没有一条这样的物理线路存在。当数据由网络层向数据链路层封装时，IP数据报中包含IP首部，其中包含IP地址，当IP数据报向下传送时，IP数据报作为MAC帧的数据部分，再添加帧头（包含MAC地址）和帧尾，构成完整的MAC帧。反过来，当数据链路层向网络层交付数据时，会把MAC帧的帧头和帧尾去掉（包含在帧头中的MAC地址也会被去掉），只交付完整的IP数据报。
MAC地址是全球唯一的，IP地址也是全球唯一的，但是网络层使用IP地址作为转发地址，而不是MAC地址。IP地址和MAC地址的关系如图4-31所示。
图4-31 IP地址与MAC地址的关系
在图4-32中，从虚拟的IP层上看，IP数据报的流动是数据报沿着网络层进行传输，从数据链路层上看，MAC帧的流动，数据在每个路由器中进行传输的过程中，不断地进行帧的封装和解封装，在本例中，从主机H1到路由器R1时，帧的源地址是H1的MAC地址，帧的目的地址是R1的MAC地址，因为HA3和HA1在一个局域网中，路由表告知了转发接口，也就是告知了转发接口的IP地址，可以直接使用ARP广播请求和ARP单播响应得到MAC地址HA3。
当R1收到H1发送的MAC帧之后，需要把帧的头和尾去掉，交付给路由器，但是从R1到R2时，需要重新对IP数据报进行封装，此时帧的源地址变为R1的MAC地址，目的地址变为R2的MAC地址。因为HA4和HA5在一个局域网中，路由表告知了转发接口，也就是告知了转发接口的IP地址，可以直接使用ARP广播请求和ARP单播响应得到MAC地址HA5。
当R2收到R1发送的MAC帧之后，需要把帧的头和尾去掉，交付给路由器，但是从R2到主机2时，需要重新对IP数据报进行封装，此时帧的源地址变为R2的MAC地址，目的地址变为主机2的MAC地址。因为HA6和HA2在一个局域网中，路由表告知了转发接口，也就是告知了转发接口的IP地址，可以直接使用ARP广播请求和ARP单播响应得到MAC地址HA2。
MAC地址是全球唯一的，IP地址也是全球唯一的，但是网络层使用IP地址作为转发地址，而不是MAC地址。因此每次经过一个网段源MAC地址和目的MAC地址都会发生改变，但是目的IP地址和源IP地址始终不变（私有IP网络地址转换除外），其转发过程依赖于路由器内部的操作，也就是从路由器的一个接口入，从路由器的一个接口出。而路由器是网络设备，在封装和解封装的过程中，在数据链路层向网络层解封装时，会将原来的MAC地址（包括目的MAC地址和源MAC地址）丢弃；在网络层向数据链路层封装数据时，又会使用新的MAC地址（包括目的MAC地址和源MAC地址）。从另一方面理解，MAC地址是硬件地址，它与硬件设备绑定，在转发过程中，会经过不同的硬件，自然硬件地址会不断地发生变化。
图4-32 数据链路层和网络层的数据流动
主机H1与H2通信中使用的IP地址与硬件地址HA的变化表如表4-42所示。
表4-42 主机H1与H2通信中使用的IP地址与硬件地址HA的变化表
