计算机网络学习笔记3：网络层

网络层几种主要的协议以及层次关系如下：

网络层的协议栈

1  网络层提供的服务

负责在不同网络之间尽力转发数据包，基于数据包的IP地址转发；不管丢失重传；不管数据包到达的顺序。实现这些功能的设备是路由器。

2  计算机通信之前做了哪些准备工作？

应用层：应用程序准备要传输的文件；
传输层：将文件分段，并编号；
网络层：添加IP数据包首部，包括目标IP地址和源IP地址等；
数据链路层：添加帧头帧尾，包括下一跳MAC地址和源MAC地址等。发送方先使用自己的子网掩码判断自己在哪个网段；再使用自己的子网掩码判断目标地址在哪个网段。如果是同一个网段就直接用ARP协议广播解析目标IP地址的MAC地址。如果不是同一个网段就用ARP协议广播解析网关的MAC地址，然后把数据包给网关。
物理层：透明地传输比特流。

问：集线器、交换机、路由器能否中病毒？
答：不能。病毒是应用层程序。病毒在网上传输时需要进行分段。分段后的病毒不具有完整病毒功能。

3  ARP协议

3.1  原理

不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的数据链路层上传送数据帧时，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，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。（查看ARP映射表命令：arp -a）
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。若没有，则主机A在该局域网上（只能在本网段的局域网内广播）发送ARP广播请求B的MAC地址。
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（网关）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。
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。

3.2  ARP欺骗

网络执法官：告知本网段正在进行ARP请求的计算机一个不存在的MAC地址；或告知错误的网关MAC地址，使之无法正常通信。
P2P终结者：把自己的MAC地址，告知本网段正在对网关进行ARP请求的计算机，使自己成为网关。本网段其他所有计算机访问外网的流量都经过本计算机。可以控制本网段计算机的流量。
如果一台计算机解析到了错误的网关的MAC地址，那么它无法访问外网。
如何防止网络执法官的欺骗？
只需在通信的两台计算机上互相绑定对方正确的MAC地址即可。
查看该计算机存储的MAC地址命令：arp -a
绑定、更改该计算机存储的MAC地址命令：arp -s 192.168.80.1 00-0C-29-53-48-C3

4  ICMP协议

为了提高IP数据报交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议ICMP (Internet Control Message Protocol)，为了使主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。
ICMP不是高层协议，而是IP层的协议。
ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。
报文格式以及种类：

ICMP报文的种类有两种，即差错报告报文和询问报文。
ICMP报文的前4个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着的4个字节的内容与ICMP的类型有关。
差错报告报文有五种：终点不可达、源点抑制(Source quench)、时间超过、参数问题、改变路由（重定向）(Redirect)。
询问报文有两种：回送请求和回答报文、时间戳请求和回答报文。

ICMP数据包举例

Ping命令诊断网络故障
典型的使用ICMP协议的就是ping命令。Ping命令可以查看传输延时和生存时间TTL。TTL的值每过一个路由器就减1，当减至0时数据包在网上丢弃（避免数据包在网上陷入环路循环）。根据TTL值可以估计对方是什么系统。一般，Linux是64，Windows是128，Unix是255。
如果上不了网，可以先ping一下网关看看通不通；如果通，再ping一下网上常用DNS服务器（如8.8.8.8）看看通不通。
常用ping命令：
ping 10.7.1.53 -t 一直ping对方，ctrl+z取消
ping -l 200 10.7.1.53 或 ping 10.7.1.53 -l 200 用200字节的大数据包ping对方
跟踪数据包途径的路由器，查看沿途路由器的IP：
ping 8.8.8.8 -i 1 查看第一个路由器；
ping 8.8.8.8 -i 2 查看第二个路由器；
……
也可以用pathping命令，一条命令就能跟踪数据包。
Ping命令返回的信息以及原因
目标主机不可到达：计算机没设网关，不知道到其他网段怎么走；计算机有网关，但是沿途有一个路由器路由表缺失，不知道到达目标网段怎么走，该路由器返还给发送的计算机一个不可达的回应。
请求超时：数据包有去无回；网络拥堵。
Pathping命令与tracert命令
使用ping能够判断网络通还是不通，比如请求超时，你就不能判断什么位置出现的网络故障造成的请求超时。使用pathping命令能跟踪数据包的路径，能够查出故障点，并且能够计算路由器转发丢包率和链路丢包率以及延迟，据此能够判断出网络拥塞情况。 tracert命令只能跟踪沿途路由器，不计算丢包率。
Windows上跟踪数据包路径的命令 tracert 10.7.1.53
在路由器上跟踪数据包路径的命令 traceroute 12.0.0.3

5  IGMP协议

IP多播的概念
多播=组播。
通信的三种形式：点对点、广播、多播。
点对点：一发一收，一对一通信。
广播：一对多。一个网段中一台计算机发信息，目的地址主机位全是1。
多播：一对多。流媒体服务器用一个多播地址只需发一份文件，接收的多台计算机只要绑定同一个多播地址就能一起收到该文件。（类比收音机调频道）。
IGMP协议：

IGMP协议配置在路由器接口上，功能是频繁扫描所连接的网段里有几个计算机绑定多播地址。有几个的地址就要求上一个路由器复制几份文件，如果一个也没有，就要求上一个路由器不要再复制并传送文件了。
多播地址：
多播使用组地址：IP使用D类地址。多播地址只能用于目的地址，而不能用于源地址。
动态的组成员；使用硬件进行多播。

6  IP数据报格式

版本：标识协议是IPV4还是IPV6版本。
首部长度：标明数据包首部一共有多长，单位4B。
区分服务：标明数据包紧急情况和优先权。
总长度：标明数据包总长度，单位B。网络层允许的最大数据包的大小是65535B，而数据链路层的数据最大允许1500B。因此要对数据包分片，分片后数据包的数据最大不超过1480字节。
标识：每个完整的数据包有自己独一的标识号。分片的几个包的标识号一样，表示这几个分片是一个数据包。
标志：占3位，目前只有两位有意义。标志字段的最低位是MF。MF=1表示后面还有分片，MF=0表示最后一个分片。标志字段中间的一位是 DF。只有当 DF=0时才允许分片。
片偏移：表示本分片在原数据包中的位置，单位8B。例如：

生存时间TTL：见上文有关ping命令的部分。
协议：指出该将数据包交给上层的哪个协议。一般的，ICMP的协议号是1，IGMP协议号是2，TCP是6，UDP是17，IPv6是41，OSPF是89。
首部检验和：只检验数据报的首部，不检验数据部分。这里不采用CRC检验码而采用简单的计算方法。
下图是我随便抓的一个包：

7  IP协议

网络畅通的条件：
数据包必须能有去有回。有时网通不了，数据包也有可能已经到达对方了，只是对方没配网关，数据包只能去而回不来。保持网络畅通，在IP地址配置没问题的基础上，必须保证通信双方的网关没问题、沿途所有路由器的路由表没问题（能去又能回）。
静态路由：需要管理员告诉路由器所有没有直连的网络下一跳给谁。静态路由的缺点是适合于小规模网络，不能够自动调整路由。
动态路由：常见有RIP协议和OSPF协议。路由器自学习，自动形成路由表。当线路出现故障和新情况时能自动更新路由表。
RIP周期性广播路由表，告诉相邻路由器自己连接了哪些网段。以“跳数”为判断最佳路径的标准。30秒更新一下路由信息，最大跳数15跳。