关于 TCP/IP 的一些知识点（2）

四、网络层

1. IP 协议

       网络层引入了 IP 协议，制定了一套新地址，使得我们能够区分两台主机是否同属一个网络，这套地址就是网络地址，也就是所谓的 IP 地址。IP 协议将这个 32 位的地址分为两部分，前面部分代表网络地址，后面部分表示该主机在局域网中的地址。如果两个 IP 地址在同一个子网内，则网络地址一定相同。为了判断 IP 地址中的网络地址，IP 协议还引入了子网掩码，IP 地址和子网掩码通过按位与运算后就可以得到网络地址。

2. ARP 协议

      即地址解析协议，是根据 IP 地址获取 MAC 地址的一个网络层协议。其工作原理如下：ARP 首先会发起一个请求数据包，数据包的首部包含了目标主机的IP 地址，然后这个数据包会在链路层进行再次包装，生成以太网数据包，最终由以太网广播给子网内的所有主机，每一台主机都会接收到这个数据包，并取出标头里的 IP 地址，然后和自己的 IP 地址进行比较，如果相同就返回自己的MAC 地址，如果不同就丢弃该数据包。ARP 接收返回消息，以此确定目标机的MAC 地址；与此同时，ARP 还会将返回的 MAC 地址与对应的 IP 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。

3.路由协议

      首先通过 IP 协议来判断两台主机是否在同一个子网中，如果在同一个子网，就通过 ARP 协议查询对应的 MAC 地址，然后以广播的形式向该子网内的主机发送数据包；如果不在同一个子网，以太网会将该数据包转发给本子网的网关进行路由。网关是互联网上子网与子网之间的桥梁，所以网关会进行多次转发，最终将该数据包转发到目标 IP 所在的子网中，然后再通过 ARP 获取目标机MAC，最终也是通过广播形式将数据包发送给接收方。而完成这个路由协议的物理设备就是路由器，路由器扮演着交通枢纽的角色，它会根据信道情况，选择并设定路由，以最佳路径来转发数据包。

      所以，网络层的主要工作是定义网络地址、区分网段、子网内 MAC 寻址、对于不同子网的数据包进行路由。

4.ICMP 协议

      IP 协议并不是一个可靠的协议，它不保证数据被送达，那么，自然的，保证数据送达的工作应该由其他的模块来完成。其中一个重要的模块就是

ICMP(网络控制报文)协议。ICMP 不是高层协议，而是 IP 层的协议。

      当传送 IP 数据包发生错误。比如主机不可达，路由不可达等等，ICMP 协议将会把错误信息封包，然后传送回给主机。给主机一个处理错误的机会，这也就是为什么说建立在 IP 层以上的协议是可能做到安全的原因。

5.ping

ping 可以说是 ICMP 的最著名的应用，是 TCP/IP 协议的一部分。利用“ping”命令可以检查网络是否连通，可以很好地帮助我们分析和判定网络故障。

      例如：当我们某一个网站上不去的时候。通常会 ping 一下这个网站。ping 会回显出一些有用的信息。一般的信息如下:

6.Traceroute

  Traceroute 是用来侦测主机到目的主机之间所经路由情况的重要工具，也是最便利的工具。

      Traceroute 的原理是非常非常的有意思，它收到到目的主机的 IP 后，首先给目的主机发送一个 TTL=1 的 UDP 数据包，而经过的第一个路由器收到这个数据包以后，就自动把 TTL 减 1，而 TTL 变为 0 以后，路由器就把这个包给抛弃了，并同时产生 一个主机不可达的 ICMP 数据报给主机。主机收到这个数据报以后再发一个 TTL=2 的 UDP 数据报给目的主机，然后刺激第二个路由器给主机发 ICMP 数据 报。如此往复直到到达目的主机。这样，traceroute 就拿到了所有的路由器 IP。效果如下：