网络层（学习笔记）

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#网络层 #IP协议

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本文详细介绍了网络层中的IP协议，包括IP协议头格式、地址管理（IP地址、CIDR、特殊IP地址、私有IP与公网IP）、IP地址路由过程以及IP地址与MAC地址的区别。阐述了IP地址的分配、CIDR如何更有效地利用地址资源，并解释了为何需要同时使用IP和MAC地址。

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网络层
负责地址管理与路由选择，在复杂的通信环境中

IP协议

IP协议头格式

在这里插入图片描述
4位协议版本：IPV4/IPV6
4位头部长度：表示ip头有多长，最长60字节，最小20字节
8位服务类型：TOS字段（最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本）
16位报文长度：报文长度64k，一个udp报文的最大数据段大小64k-20-8
16位标识符：udp数据大小超过MTU大小，但是小于64k-20-8，就会在网络层进行的分片操作，表示分片数据是哪个udp包 MTU是链路层协议，最大传输单元，网络中数据帧最大长度
3位分片标志：标识是否禁止分片，标识分片的结束
13位片偏移：标识每个分片数据相对于完整的udp数据报起始位置的偏移量—事项分片重组
8位TTL：报文最大生命周期，报文在每经过一个路由器跳数-1，为0时丢弃，默认是64
8位上层协议：用于数据分用时选择上层解析协议
16位校验和：校验数据的唯一性
32位地址信息：源IP地址/目的IP地址
40字节选项数据：

地址管理：

IP地址

IP地址的构成：网络号+主机号
网络号（网段）：标识一个网络，路由器组建局域网，这个局域网具有一个网络好，当这个局域网中有主机连接上，路由器就是通过DHCP给该主机分配IP地址，这个IP地址中就包含有这个网络标识。
主机号：由于再一个局域网中还有标识每一个主机，所以得给每个主机分配一个局域网中唯一标识的主机号。
为了避免局域网中的IP地址和互联网中的IP地址冲突，因此组建局域网必须使用指定的地址，这些地址不能再互联网中出现，相邻局域网的网络地址也不能冲突，否则会造成路由器的选择困难。
在之前，有一种划分网络号和主机号的方案，把所有的IP地址分为五类

A类 0.0.0.0到127.255.255.255
B类 128.0.0.0到191.255.255.255
C类 192.0.0.0到223.255.255.255
D类 224.0.0.0到239.255.255.255
E类 240.0.0.0到247.255.255.255
但是随着Internet的飞速发展,这种划分方案的局限性很快显现出来,大多数组织都申请B类网络地址, 导致B类地址很快就分配完了, 而A类却浪费了大量地址;针对这种情况，提出了新方案，也就是CIDR（子网掩码）。引入一个子网掩码来区别网络号和主机号，子网掩码也是一个32位的正整数，通常以一串“0”来结尾。将IP地址和子网掩码进行“按位与”操作，得到的结果就是网络号。网络号和主机号的划分与IP地址的种类无关。

CIDR

由于A类的所能派发的网络号有限，而C类网络能连接的主机个数有相对较少，所以一般的单位在申请网络时，都会申请B类网络，这就导致了B类网络的严重缺乏。所以，开始放弃IP地址的分类，采用任意长度分割IP地址的网络标识和主机标识，它与ABC类的划分没有任何关系。称为CIDR。它可以不受IP地址分类的限制，自由进行分配。此时的IP地址可以表示为：网络号+主机号（这个网络号可以是任意长度的）。当申请到一个任意长度的网络号之后，也可以在网络内进行子网划分。所以对于任一个子网也对应一个子网掩码。使用方法与上述相同。
CIDR更有效的利用了当前的IPv4地址，同时也减轻了路由器的负担。它可以将多个连续C类地址合并为一个网络（和你宝贵的个数以2,4,8，…呈现）。例如：将两个C类网络：192.168.224.0和192.168.225.0合并为一个网络。此时合并后的网络中可以连接的主机数增加到2^9-2=510台。在未合并之前，需要在路由表中占用两行来表示两个C类网络，合并后只需用一行就可以表示。

特殊的IP地址

将IP地址中的主机号全部设为0，就成了网络号，代表这个局域网；
将IP地址中的主机地址全部设为1，就成了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包
以127开头的IP地址用于环回测试，通常是127.0.0.1
回环设备：
在这里插入图片描述

私有IP地址和公网IP地址

如果一个组织内部要组建局域网，这个IP地址就只用于局域网内部的通信，而不是直接连到Internet上，
使用任意的IP地址都可以，但是RFC1918年规定了用于组建局域网的私有IP地址：
10.前八位是网络号，共16777216个地址。
172.16.到172.31.，前十二位是网络号，共1048576个地址。
192.168.，前十六位是网络号，共65536个地址
包含在以上三个范围中的地址都为私有IP地址，其余的则称为全局IP（公网IP）

IP地址路由过程

1、当IP数据包到达主机所在局域网的路由器后，路由器会根据报头查看目的IP地址。
2、路由器拿着目的IP地址和自己的路由表分析是否在同一网络中。
3、如果在同一网络中，则将该IP数据包进行广播，如果没有则将IP数据报发送给网关，由网关分析处理进行发送。

IP地址和MAC地址

IP地址和MAC地址的区别

IP地址：全局唯一性，使用软件来实现网络中地址管理。
MAC地址：本地唯一性，使用硬件实现。

有了IP地址为什么还要MAC地址

1、IP地址一般情况下容易修改和变动，具有随意性，不能在网络上固定标识一台设备。
2、MAC地址一般情况出厂时有厂家烧录到网卡中，不容易被修改，在局域范围内容易唯一定位一台设备。
3、从拓扑结构和分层上分析，IP地址属于网络层，主要功能在广域网范围内路由寻址，选择醉解路由，而MAC地址在数据链路层，要形成适合于网络媒体上传输的数据帧。