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计算机网络学习笔记3

网络层

网络层

网络层中的协议主要包括：IP、ARP、ICMP、IGMP等，其中有些参考书将ARP协议归为数据链路层，将IGMP协议归为传输层，原因在于这两个协议均是处理两个层级之间的协议，此处笔者将他们归为网络层，从图1可以看出其大致关系。
在这里插入图片描述
图1 网络层各协议的关系

IP协议

IP（Internet Protocol, 网际协议），不可靠、无连接的协议。
IP 三大作用
- IP寻址
- 路由选择
- IP分包和组包
IP首部格式（20~60字节）
- 版本：目前为4，即 IPv4。
- 首部长度：单位为4字节，首部长度设为 ”5“，即IP首部长度为20字节.
- 服务类型（Type Of Service, TOS）：用来表明服务质量，包括服务优先度、最低延迟等。
- 总长度（Total Length）：表示IP首部与数据部分合起来的总字节数，该字段长16位，因此IP包的最大长度为 2 ^16 -1=65535 字节。
- 标识（ID: Identification）：用于分片重组，是一个计数器，用来产生数据包的标识，不是序号，每产生一个数据包，就加1。
- 标志（Flags）：表示包被分片的相关信息。
- 片偏移（FO: Fragment Offset）：用来表示备份篇的每一个分段相对于原始数据的位置。
- 生存时间（Time To Live, TTL）：记录中转的路由器个数，没经过一个路由器，TTL减少1，直到变成0，则丢弃改包。
- 协议：表示的是上层协议编号，根据它可以识别是哪个协议向IP传送数据。
- 首部校验和：根据IP首部计算的检验和码，只校验数据报的首部，不校验数部分。
- 源IP地址、目的IP地址
  
  图2 IP首部格式
IP数据包传输时两种情况
- 若源主机和目的主机直接相连（如点对点链路），或是在一个共享网络上（在同一个网段），那么IP数据报直接被发送到目的主机上；
- 若源主机和目的主机在两个不同的网段，则主机把数据报发给一个默认的路由器（通过路由控制表查询获得）上，再由路由器转发该数据报，直到发送到目的主机。
IP路由选择
- 路由控制表
  - 记录着网络地址和下一步应该发送至路由器的地址，换句话说，通过查询该表可以指明数据包下一步发往哪个路由器。
  - 路由表信息（如图3所示，来源于公众号 “小林coding”）每一条都包含如下信息：
    - Destination: 目的网段
    - Gateway: 网关地址（路由器的IP地址）, 要想到达目的网段，需要先到此网关。
    - Genmask: 目的地址的子网掩码
    - Iface: 接口，去往目的地址的网络路径的出口
      
      图3 路由表
- 从路由表中选择下一跳（以上图为例，假设目标IP地址为192.168.10.200）
  - step1: 将目标IP地址192.168.10.200与路由表条目1中的子网掩码(Genmask)与运算，得到的结果为192.168.10.0, 但是条目1的目的网段（Destination）192.168.3.0不匹配。
  - step2: 再将192.168.10.200与条目2中的子网掩码(Genmask)与运算，得到的结果为192.168.10.0，与条目2的目的网段192.168.10.0匹配，则选择下一条选择该接口（eth1）
  - 此外，条目3较特殊，其目的地址和子网掩码都是0.0.0.0，表示默认网关，如果其他条目都无法匹配，就会自动匹配这一条目。
IP分片（IP Fragmenttation）与重组
- MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）
- MSS（Maximum Segment Size，最大报文段长度）
  
  图4
  
  图5 IP分片和重组过程
IP地址标识及分类
- IP地址标识（由32位表示）
  - 由网络标识（网络地址）和主机标识（主机地址）两部分组成
  - 例如：192.168.128.10/24，其中的 ”/24“ 表示前24位表示网路标识。现在基本上以子网掩码（网络前缀）来区分网络标识的个数。
- IP地址分类
  - A类：首位以”0“开头，前8位为网络标识
  - B类：前两位以”10“开头，前16位为网络标识
  - C类：前三位以”110“开头，前24位为网络标识
  - D类：前四位以”1110“开头，32为全是网络标识，常被用于广播
    
    图6 IP地址分类
    
    图7 按照开头8位值来区分IP地址分类
子网掩码
- 使用前述几类IP地址中的主机地址的一部分作为子网号
子网掩码（32为位）前多少位为1，表示前多少位相当于是总的网络号

图8 两种不同的B类地址子网掩码的例子
- 可以通过变长或是变短来分隔或是合并子网
  
  图9 变长子网

ARP协议

ARP（Address Resolution Protocol, 地址解析协议），以目标IP地址为线索，来定位下一个应该接受数据包的网络层设备的MAC地址。
ARP借助ARP请求和ARP响应两种类型的包确定MAC地址。
ARP工作机制
- 如图10所示，在同一链路层上的主机A向主机B发送数组，主机A为了获得主机B的MAC地址，起初要通过广播发送一个ARP请求包（包含有主机B的IP地址），当主机B发现请求包中的IP地址与自己的一致，则主机B将自己的MAC地址塞入APR响应包发送回主机A。
  
  图10
  
  图11 APR工作过程
ARP包格式（共28字节）
- 前两个是以太网地址，其中目标地址为全1的特殊地址（即广播地址），电缆上的所有以太网接口都要接受广播的数据帧。
- 以太网帧类型（2字节）：表示后面数据的类型，对于ARP请求或应答来说，该字段的值为0x0806。
- 硬件类型、协议类型、硬件地址长度、协议地址长度：指定了ARP请求或应答包中的后四个字段的类型和长度。
- op（操作字段，2字节）：ARP请求（1）、ARP应答（2）、RARP请求（3）、RARP应答（4）。
  
  图12 ARP请求或应答分组格式
ARP高效运行的关键
- 若每发送一个IP数据报查找一次MAC地址，会造成网络流量浪费和效率低下，故通常的做法是把获取到的MAC地址缓存一段时间，每一个主机上都有一个ARP的高速缓存。

ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protocol, 控制报文协议）
主要功能
- 确认IP包是否成功到达目标地址，通知在发送过程中IP包被废弃的具体原因
ICMP的两类消息
- 差错报告报文
  - 目标不可达
  - 时间超过：如路由器TTL为0
  - 参数问题：路由器或是目的主机收到数据报的首部中欧协字段的值不正确
  - 改变路由（重定向）：为了让主机知道下次将数据报发送给另一个路由器，即有更好的路由路径
- 询问报文
  - 回送请求和回答：测试目的站是否可达以及了解其有关状态
  - 时间戳请求和回答：用于时钟同步和时间测量
以下情况不会导致ICMP差错报文
- ICMP差错报告报文
- 第一个分片的数据报片的所有后续数据报片
- 具有多播地址的数据报
- 具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报