计算机网络——网络层

一. 网络层提供的服务

1. 网络层的作用

负责在不同的网络之间(基于数据包的IP地址)尽力转发数据包，不负责丢包重传和接收顺序。

有点像送快递，一个人往另一个地方寄快递，每个快递走不同的路线，可能后发的先到了，也可能丢件了。但是网络层不管这些，只管寄快递

2. 数据包在互联网中的传送

这里的互联网特指Internet，Internet既有局域网，又有广域网，既有光纤，又有铜线，无线卫星，还有不同的协议，这是Internet复杂所在。

路由器是三层设备：因为能看到网络层的IP地址来选择路径。

3. 互联网络与虚拟互联网络

由于互连网络是全球最大的网络，里面用到的设备和介质是各种各样，对于我们使用者来说，不用关心里面实现的技术细节，所以我们可以把整个internet当做一个虚拟互连网络，只要我们输入正确的地址就可以相互通信。这样可以进行更好的分层管理。

4. 验证网络层功能

使用Cisco Packet Tracer软件验证

二. 网络设备和OSI参考模型的关系

1. 举例，PC4向PC3传输数据

PC：计算机；Hub：集线器；Switch：交换机；Router：路由器

发送端(封装)：

(1)应用层准备要传输的数据；
(2)传输层把文件进行分段并编号；(数据段)
(3)网络层把传输层的每一个数据包增加原IP地址和目标IP地址；(数据包)
(4)数据链路层把每个数据加上MAC地址；
	两种情况：(数据帧)
	使用自己的子网掩码，判断自己和目标地址分别在哪个网段，
	若在同一个网段(不过路由器)，通过ARP协议广播的方式得到目标IP地址的MAC地址，然后就能封装出一个数据帧；
	如果子网掩码不是一个网段(用与运算)，通过ARP协议广播的方式得到路由器(网关)的MAC地址，然后把数据通过交换机发送到路由器M2，因为M2和M3是点对点通信，没有别的主机，所以它们之间的MAC地址就是FF。
(5)物理层把数据帧变成数字信号(bit流)

接收端(解封)：

(1)交换机Hub0接收bit流，能对数据进行存储转发。它根据数据帧的MAC地址，确定数据是从哪来的，要去哪。
(2)路由器M2获取交换机的数据包，识别其中的IP地址，根据路由表选择出口，它无法识别数据段内容。
(3)路由器M2到M3是点对点通信，遵守PPP协议。
(4)PC3收到bit流后，数据链路层发现MAC地址是自己的，去掉MAC地址给它的网络层，网络层去掉IP地址给传输层，传输层把数据给应用层，应用层把各个数据拼接起来。

2. 路由器/交换机/集线器会不会中病毒

不会，路由器不能识别数据内容。它只负责信息的传递。但是病毒会影响网络设备。因为病毒会占用网络流量，导致其他设备忙着转发没用的数据包

三. 网络层协议

1. TCP/IP协议层次关系

ARP为IP服务，IP为ICMP/IGMP服务
IP协议：把数据包从一个网段转到另一个网段，就是用来选择路径用的。

2. ARP协议的作用

将IP地址通过广播(本网段，不通过路由器，路由器隔绝广播)，目标MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，解析目标IP地址的MAC地址。

cmd中输入arp -a查看arp的缓存

ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和MAC地址的映射关系。如果所找的主机和原主机不在同一个局域网上，那么就要通过ARP找一个位于本局域网上的某个路由器的MAC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MAC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情的。
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MAC地址。

3. 使用ARP的四种典型情况

(1)发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络的另一个主机，此时用ARP找到目标主机的MAC地址；
(2)发送方是主机，要把IP数据报发送到另一个网络的另一个主机，此时用ARP找到本网络上一个路由器的MAC地址，剩下的工作由路由器进行；
(3)发送方是路由器，要把IP数据报发送到本网络的另一个主机，此时用ARP找到目标主机的MAC地址；
(4)发送方是路由器，要把IP数据报发送到另一个网络的另一个主机，此时用ARP找到本网络上一个路由器的MAC地址，剩下的工作由路由器进行；

4. 逆地址解析协议RARP

只知道自己MAC地址就能获得其IP地址

5. ARP欺骗/网络执法官/ARP防火墙-实验课

arp绑定命令：arp -s 本机地址 MAC地址
查看arp缓存：arp -a
清楚缓存：本地连接—>修复

6. 网际控制报文协议ICMP

ICMP：在IP之上，用来测试网络层有没有故障。使用最多的命令是ping。
为了提高IP数据报交付成功的机会，在网络层使用了ICMP(Internet Control Message Protocol)。
ICMP允许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层协议；
ICMP报文件为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。

• ping(Packet Internet Grope)命令诊断网络故障
  PING是网络层命令。
  TTL是数据报的生存时间，每过一个路由器就会减1，作用是防止数据报在网络中循环。TTL默认初始值如下：
  Linux 64
  Windows 128
  Unix 256
  可以根据TTL值粗略判定对方是什么系统。

• ping的参数
  ping www.baidu.com -t表示一直ping下去
  ping -l 200 www.baidu.com 发送200字节大小的包来ping
  ping 8.8.8.8 -i 2更改数据包TTL时间，能够跟踪数据包途径的路由器

  Windows上使用pathping 跟踪数据包路径，计算丢包情况
  pathping www.baidu.com

  windows上跟踪数据包路径的命令：tracert www.baidu.com
  在路由器上跟踪数据包路径的命令：traceroute www.baidu.com

• ping的特性
  (1)PING,因特网包探索器，用于测试网络连接量的程序。ping发送一饿ICMP回声请求消息给目的地并报告是否收到所希望的ICMP回声应答。
  (2)ping指端对端联通，通常用作可用性检测，但是某些病毒会强行大量远程执行ping命令抢占你的网络资源，导 致系统网速变慢。严禁ping入侵作为大多数防火墙的一个基本功能提供给用户进行选择。
  (3)如果打开IE浏览器访问网站失败，可以通过ping命令测试到Internet的网络连通，可以为你排除网络故障提供线索。

7. IGMP协议

点到点通信：A ，B之间通信
广播：目标MAC地址全是F，目标IP地址全是255，也就是全是1.全网广播不能跨越路由器。
组播=多播：分组广播。

7.1访问多播视频节目

使用多播一般用于直播，网络会议，能够节省带宽。
IGMP协议的作用就是周期性扫描本网段内有没有主机在访问多播数据包。

四. IP数据包的结构

首部：第一部分是固定长度，20字节，是所有IP数据包必须具有的。后一部分是可选字段，长度可变。
每一行32bit相当于1个字节，一共5行，共20字节。

(1)版本：用来表示TCP/IP是哪个版本，ipv4还是ipv6.
(2)首部长度：用来标识固定部分和可变部分的总共长度（如果没有可变部分，首部长度可以不用定义了）
(2)区分服务：确定更高的传输优先级。
(3)总长度：确定数据包的总长度。一共是16位，数据包最大有2^16-1=65535字节。

以太网V2的MAC的数据帧的数据最大是1500字节

注意，网络层，数据包最大65535字节；而数据链路层数据最大是1500字节最大传输单元MTU，是不一样的。
所以说，一旦超过数据链路层的最大要求时(网络层数据部分超过1480字节)，数据链路层将数据包分片传输。

数据包分片处理：把数据分割，分别添加IP地址，通过网络发给目标MAC地址。目标在通过网络层拼接。传送过程中可能会丢包，或者后发的先到(泪滴攻击就是利用目标机发送破坏的IP包(重叠的包货过大的包负荷)可以通过TCP/IP协议来瘫痪各种不同的操作系统)。所以需要编号。

(4)标识：如果出现数据包分片，那么标识用来确定哪些数据包是需要组合的。

(5)标志：确定该数据包是完整的还是分片中的一部分。
标志（flag）占3位，只有前两位有用，标志字段最低位是MF(More Fragment)，MF=1表示后面还有分片， MF=0表示最后一个分片。标志字段中间一位是DF(Don’t Fragment)，只有DF=0才允许分片。

(6)片偏移：偏移等于当前字节在数据部分的第几个再除以8.
IP数据报分片举例

(7)生存时间：就是TTL，time to live，每过一个路由器就减1。8位二进制。防止数据包在网络中循环。
(8)协议：用协议号标识数据部分是什么数据。
IP数据报首部的固定部分中的各字段
ICMP协议号：1； //以下都是10进制的数字
IGMP协议号：2；
TCP协议号：6；
UDP协议号：17；域名解析
IPv6协议号：41；
OSPF协议号：89；

(9)首部检验和：16位，只检验数据报的首部，不检验数据部分。这里不是采用CRC检验码而是采用简单的计算方法。每经过一个路由器就会检验一次。

(10)源地址和目的地址都是IP地址，都占32位，只符合IPv4。IPv6是128位。
(11)可变部分：一般没用，IPV6就没有了。

1. 使用抓包工具排除网络故障

五. IP协议

(1)网络畅通的条件
沿途路由器必须知道下一跳给谁，数据包有去有回。

5.1 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。
缺点：适合于小规模网络，不能自动调整路由。

5.2 动态路由

动态学习
(1)RIP协议
周期性广播(30s)路由表，选择路径的依据是最少的跳数，最大跳数是15跳，所以一般不适合大网络。
(2)OSPF协议
根据带宽选择路径。

六. 子网掩码

七. ABCDE类网络地址

网络地址(网络号)唯一指定了每个网络。同一网络中的每台计算机都共享相同的网络地址，并用它作为自己IP地址的一部分。ABC对应的子网掩码分别是255.0.0.0和255.255.0.0和255.255.255.0

特殊的几个地址

127.0.0.1 本地换回地址
169.254.0.0
10.0.0.0，172.16.0.0–172.31.0.0，192.168.0.0–192.168.255.0 保留的私网地址

八. 子网划分

注意，全为1是广播，所以63，127，191，254不选