第07-4章 网络层详解

7.1 网络层协议

  • IP协议
  • ARP（地址解析协议）
  • RARP（反向地址解析协议）
  • ICMP（互联网控制消息协议）

7.2 IP协议详解

7.2.1 IP协议功能

  • 寻址和路由
  • 传递服务（不可靠，尽最大努力，可靠性由上层协议提供；无连接）
  • 数据报分段与重组

7.2.2 IP数据报解析

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（1）IP数据报由两部分组成1.首部；2.数据部分；首部（大小20bye到60bye之间）由两部分组成：1.固定部分（大小20字节）；2.可变部分（最大为40字节)。
（2）版本——占4bit，指IP协议的版本，目前的IP协议版本号为4（0100）（即IPV4）。
（3）首部长度——占4bit，可表示的最大数是15个单位（一个单位为4字节），因此IP的首部长度的最大值是60bye。
（4）服务类型——这个字段一直没有被使用过。

  • D：delay 延时 T：throughput 吞吐量 R：reliablity 可靠性 cost 最小代价
  • 区分服务，占8位，用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998年IETF把这个字段改名为区分服务DS(Differentiated Services)。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。

（5）总长度——占16bit，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为65535bye，总长度必须不超过最大传送单元MTU。
（6）理解标识、标志、片移量，分片——运苹果，选择火车，苹果太多分开来运，苹果有种类，列车须有标识，同样型号的一批苹果；标志：有三位，第一位保留不使用，第二位（D位）：如果为1代表一批运，不分批；第三位（M位）：如果为1代表分批运，货物后面还有，还没有完；片移量——每辆火车之间隔得距离。

  • 标识（Identification）——占16bit，它是一个计数器，用来产生数据报的标识；标识与ip决定了IP数据报的唯一性。
  • 标志（flag）——占3bit，目前只有后两个bit有意义，标志字段的最低位是MF（More Fragment），MF=1表示后面“还有分片”，MF=0表示最后一个分片；标志字段中间的中间一位是DF（Don’t Fragment）,只有当DF=0是才允许分片。
  • 片移量（Fragment offset）——13bit，较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置，片移量以8个字节为偏移单位。
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    （7）生存时间——8bit，记为TTL（Time to live），这是为了限制数据报在网络中的生存时间，其单位最初是秒，但为了方便，现在都用“跳数”作为TTL的单位，数据报每经过一个路由器，其TTL值就减1。Windows的TTL为64。
    （8）协议——8bit，使用上层协议，指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程。
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    （9）首部校验和——16bit，字段只检验数据报的首部，不包括数据部分这里不采用CRC检验码而采用简单的计算方法。
    （10）源地址，目的地址——占4个bye。
    （11）可变部分

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7.3 ARP协议详解

7.3.1 IP地址和MAC 地址特征分析

  • 逻辑地址：网络级，也就是IP，工作在网络层，特征:1、全局唯一性；2、用软件实现；3、32位；
  • 物理地址：物理级，mac地址，工作在网络接口层，特征：1.本地范围具有唯一性；2.用硬件实现；3.48位；

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7.3.2 有了IP地址为什么还要使用MAC

有了IP地址为什么还要使用MAC，原因如下：

  • 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；
  • MAC地址一般情况出厂时由厂家烧录到硬件中，不容易修改，在局域范围内容易定位唯一一台设备；
  • 从拓扑结构和分层上分析，IP地址属于网络层部分，主要功能是在广域网范围内路由寻址，选择最佳路由，而MAC地址在网络接口层要形成适合于网络媒体上传输的数据帧。

标识设备的3种方法（访问）：
1.域名；随意特性
2.IP地址；随意特性
3.MAC地址（理论上可以通过MAC访问）；固定特性

7.3.3 ARP工作过程及工作原理解析

ARP:局域网内：
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ARP:广域网内：
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RouterA，RouterB为代理ARP，PCA知道的是网关的MAC地址也就是FA0/0的MAC，同理，PCB也是。

文字说明
（1）ARP ( Address Resolution Protocol )地址解析协议用于将计算机的网络IP地址转化为物理MAC地址。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。在每台安装有TCP/IP协议的电脑里都有一个ARP缓存表，表里的IP地址与MAC地址是一—对应的。
（2）ARP缓存表:1.静态映射缓存表；2.动态映射缓存表。
（3）不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址。
（4）ARP高速缓存的作用

  • 为了减少网络上的通信量，主机A在发送其ARP请求分组时，就将自己的IP地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组。
  • 当主机B收到A的ARP请求分组时，就将主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中。这对主机B以后向A发送数据报时就更方便了。

（5）应该注意的问题

  • ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。
  • 如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。
  • 从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。
  • 只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就会自动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址。
  • 默认情况下ARP缓存的超时时限是两分钟。

ARP相关命令

  • arp -d清楚本机arp缓存表
  • arp -a查看本机当前arp表
  • arp -s绑定arp地址（注意：本次机器生效，下次重启后会全部失效）

7.3.4 ARP分组封装格式及RAPR解析

ARP分组封装格式

  • 硬件类型（以太网）与协议类型（IPV4）都为16位；
  • 硬件长度也就是MAC长度48位，协议长度也就是IP长度为32位；
  • 操作为16位；

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ARP分组封装
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RARP（反地址解析协议）
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  • 逆地址解析协议RARP使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址
  • 这种主机往往是无盘工作站。因此RARP协议目前已很少使用

7.4 ICMP协议详解

7.4.1 ICMP基础知识解析

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7.4.2 ICMP报文分类和报文结构解析

  • 参数问题也就是IP数据报头部里面的首部校验和；
  • 地址码也就是子网掩码；
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  • 类型和代码8位，校验和16位；
  • 标识符16位，序列号16位；
  • 标识符：如果是Linux，Identifier（BE）：1（0X0001）；Windows，Identifier（LE）：256（0x0100）
  • 序列号：如果是Linux，Sequence（BE）； Windows，Sequence（LE）；
  • 校验和：到目的端进行校验，判断ICMP是否遭到破坏

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7.4.3 ICMP终点不可达差错报告解析

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  • R代表路由器，PC代表主机，例如：网络不可达的ICMP报文，通常由路由器产生

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  • 服务类型例如有视频，音频，图片，文本，但有的路由器规定：视频网络请求不能通过也就是造成了由于服务类型，网络不可达，主机不可达同理；
  • 主机越权：由于优先级太低，数据报不能通过；
  • 优先权中止生效：由于数据报内没有规定优先级；
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7.4.4 ICMP源点抑制和超时差错报告解析

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如上图：
1. 路由器丢弃一个报文，会向源主机发送一个源点抑制报文，是一对一；
2. 由于A主机高速发送报文，导致路由器堵塞，当A主机不在收到源点抑制报文，会恢复原来的速率发送报文；
3. A、B、C同时发送报文，但由于A发送的报文过大，速度过高，导致路由器堵塞。路由器不会分辨由于哪个主机导致堵塞，丢的数据包是随机的，若丢的是C主机的，会向C主机发送源点抑制报文，同理，B、A。只有一些高端的设备会分辨。
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7.4.5 ICMP参数问题和改变路由差错报告

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IP数据报分为固定部分、可变部分、数据部分。当固定部分被篡改时，向源主机发送类型为12，代码为0，ICMP报文。指针（了解）：指向被改的部分。当IP数据报没有可变的部分时，向源主机发送类型为12，代码为1，ICMP报文。

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改变路由：
类型：5
代码：

  • 0：对特定网络路由的改变
  • 1：对特定主机路由的改变
  • 2：基于指明的服务类型对特定网络路由的改变
  • 3：基于指明的服务类型对特定主机路由的改变
    服务类型例如有视频、音频、图片、文本，有的路由器支持图片、文本，但是规定视频、音频不能通过。

7.4.6 ICMP查询报告解析

  • 通过ping命令就可以产生回送请求和回送应答类型的报文
  • 类型为8表示是request
  • 类型为0表示是reply

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  • 原始时间戳：发送方向接收方发送数据，发送方发送的那个时间点就是原始时间戳
  • 接受时间戳：发送方向接收方发送数据，接收方接受的那个时间点就是接受时间戳
  • 发送时间戳：发送方向接收方发送数据，接收方接受了以后需要做出回应，回应的那个时间点就是发送时间戳
  • 类型13是请求
  • 类型14是回答

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  • 当某个主机不知道自己的地址掩码时，可以发出查询报文
  • 类型17是请求
  • 类型18是回答
  • 地址掩码请求和回答现在基本上很少使用，过时了
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  • 当主机A与主机B通信时，不知道路由，主机A就可以发出路由器询问与通过类型的ICMP查询报文
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7.4.7 ping命令使用详解

ping的ICMP数据报
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  • 时间越大不能说网络不稳定（时间越大说明路径越长），若时间不再一定范围内，网络不稳定；
  • 判断网络稳定，可以改变字节数（曾大字节数），判断设备是否可以处理
  • ping –l 1024（字节数可以改变）
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  • 使用ping –t 可以一直ping，不停止，也可判断网络是否稳定。若回复时间不稳定，或者回复频繁丢失，说明网络不稳定
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7.4.8 ping命令使用详解

使用tracert 命令，首先TTL的值为1，发送类型为8的ICMP查询报告报文，第一个三层设备返回ICMP差错报告报文，总共三回；然后TTL的值为2，同理；TTL的值为3，同理；一直到目的地址；
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