网络层协议详解：IP数据包格式与ARP、ICMP的工作原理-优快云博客

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网络层协议

IP数据包格式

IP数据包格式

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IP 报头的最小长度为 20 字节，上图中每个字段的含义如下：

版本（version）
占 4 位，表示 IP 协议的版本。通信双方使用的 IP 协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为 4，即 IPv4。
首部长度：表示IP数据包的长度，4字节，IP数据包头最短为20字节，但其长度是可变的，具体长度取决于可选项字段的长度
区分服务：该字段表示数据包的优先级与服务类型，8字节
总长度：
首部和数据之和，单位为字节。总长度字段为 16 位，因此数据报的最大长度为 2^16-1=65535 字节。
标识
该字段用于表示IP数据包的标识符，16字节，当IP对上层数据分片时，将所有的分片分配同一组编号，然后将这些编号放入标识符字段中，保证分片不会被错误的重组
标志（flag）
占3字节，标志字段，对当前的包不能进行分片（该包从不一个以太网发送到另一个以太网时），或当一个包被分片后用以指示在一系列的分片中，最后一个分片是否已发出
段便宜量
占 13 位。区分同一文件分片后的顺序，保证分片序列中各分片按顺序重新组合
生存时间（TTL）
表示数据报在网络中的寿命，占 8 位。生命周期，经过一个路由器TTL-1，用于防止环路。当 TTL 的值为 0 时，数据包被丢弃。
协议
表示该数据报文所携带的数据所使用的协议类型，占 8 位。IP数据包中封装的上层数据协议是TCP还是UDP。TCP 的协议号为 6，UDP的协议号为 17。
首部检验和
差错校验，防止修改，占16位，接受方和网关确认传输的数据有没有被改动过
源地址
表示数据报的源 IP 地址，占 32 位。
目的地址
表示数据报的目的 IP 地址，占 32 位。
可选项：
可选项字段根据实际情况可变长，可以和多个IP一起使用的选项有多个
数据部分
表示传输层的数据，如保存 TCP、UDP、ICMP 或 IGMP 的数据。

ARP协议

ARP主要功能是地址解析协议，是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。

广播与广播域

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ARP工作原理

每台主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个 ARP列表，以表示IP地址和MAC地址的对应关系。当源主机需要将一个数据包要发送到目的主机时，会首先检查自己 ARP列表中是否存在该 IP地址对应的MAC地址，如果有，就直接将数据包发送到这个MAC地址；如果没有，就向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询此目的主机对应的MAC地址。此ARP请求数据包里包括源主机的IP地址、硬件地址、以及目的主机的IP地址。网络中所有的主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此数据包；如果相同，该主机首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中，如果ARP表中已经存在该IP的信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个 ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找的MAC地址；源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。