计算机网络学习：网络层IP数据报、ICMP协议 看一篇就够了！（含具体实验演示）
目录
一、前言
二、IP数据报
1、版本
2、首部长度
3、区分服务
4、总长度
5、标识
6、标志
7、片偏移
8、生存时间
9、协议
10、首部检验和
三、Cisco模拟器实验
四、ICMP协议
1、终点不可达
2、源点抑制
3、超时
4、参数问题
5、改变路由（重定向）
6、回送请求和回答
7、时间戳请求和回答
五、ICMP实践应用
一、前言
在上一篇中开始了网络层的探索，《计算机网络学习：分组转发和路由选择、ARP协议》主要记录了网络层的核心功能：分组转发和路由选择。同时也讲解了重要的ARP逆地址解析协议。网络层内容非常丰富，这次准备对TCP/IP体系中的两个重要标准进行详细记录：IP数据报和ICMP协议。
这段时间写关于计算机网络方面的知识，我的初衷是对以前学习过的内容进行一个系统的整理，梳理思路，将零散的知识碎片集成一个相对完善的知识体系，这样能够更好地去理解知识。最近我领悟了一个道理：不要急着往前走，偶尔回顾自己所学所经历，善于总结，才能走得更轻松更远！哈哈哈，尝试着文学式表达感悟，似乎与理工科格格不入，不过有时候会理工科的文学更有趣。
进入正题，看完这篇能学到什么呢？
- IP数据报格式和首部字段的功能；
- Cisco实验验证实际通信过程中IP数据报具体内容；
- ICMP协议以及报文内容；
- ICMP在实际中的应用。
值得一提，我觉得 学习IP数据报和ICMP协议的基本内容 看完这篇就够了！
二、IP数据报
学习一个知识，我们往往倾向于能够直观地感知，而不喜欢抽象的概念，所以这里我先放上图片（来源：百度百科）。
先看看IP数据报长什么样子，我们才能更好地理解它。
这张图我觉得是最清晰直观的，一眼就可以发现IP数据报的格式和基本功能内容，下面就来瞧瞧每个区域分别负责什么。
一个IP数据报由首部和数据两个部分组成。首部的前部分属于固定部分，占20个字节；后面部分属于可变部分，长度时可变的。
首部固定部分主要字段解析：
1、版本
从图中可以看到，版本字段占4位。记录着通信双方使用的IP协议版本，比如IPv4、IPv6，目前广泛使用的是IPv4。
2、首部长度
占4位，表示的单位为4字节，比如1111（十进制的15）就代表首部长度为60字节（15*4=60）.以4字节的整数倍划分，不足则填充。最常用的首部长度为0101（20字节）。
3、区分服务
占8位，用以获得更好的服务。实际中未使用。
4、总长度
即首部长度和数据长度之和。占16位。因此，最大长度可知为16位都是1，就是65535字节。
在IP层下层数据链路层存在自己的帧格式，帧格式的数据字段最大传送单元（MTU）是1500字节。尽可能长的数据报能够提高传输效率，实际中数据报长度很少大于1500字节。所以，IP标准规定：所有主机和路由器的IP数据报长度不能小于576字节。
如果数据报长度超过MTU，则将进行分片后再传送，与后面的片偏移相关。然后总长度就成了分片后每个分片的首部和数据的长度之和。
5、标识
占16位。在实际IP中，维持了一个计数器，每产生一个数据报，计数其加1，存放到该字段。IP是无连接服务，不存在按序接收问题，该标识不是序号，而是在进行分片之后对相同的数据报进行标识，属于同一个数据报的标识相同，以便到达目的后被重新封装为原来的数据报。
6、标志
占3位。目前使用2两位有意义的。
最低位：MF（More Fragment）还有分片，MF=0时说明是最后一个分片。
中间位：DF（Don‘t Fragment）不能分片，DF=0时才能分片。
7、片偏移
占13位。用于记录较长分组中，一个分片在原数据报中的相对位置。片偏移以8字节为单位，长度是8字节的整数倍。
假设一个数据报总长度为3820字节。首部20字节和数据3800字节。现在要求长度不超过1420字节，那么它的每个分片为多少呢？
我们简单分析一下，数据部分尽可能长的可以分为1400,1400,1000三个分片，这样再加上首部满足小于1420字节。
分片一：0-1399字节，因此片偏移=0/8=0
分片二：1400-2799字节,片偏移=1400/8=175
分片三：2800-3800字节,片偏移=2800/8=350
很容易就计算出每个分片的片偏移。
8、生存时间
TTL（Time To Live）占8位。最大值255.每个数据报都有TTL，防止被错误路由在网络中不断循环，消耗网络资源。在实际中，TTL表示的是跳数而不是时间，指明数据报在网络中最多可经过多少个路由器。
9、协议
占8位。指明数据报携带的数据是使用什么协议，方便目的主机的IP层将数据交给对应的程序处理，这里列举几个。
| 协议 | ICMP | IGMP | TCP | UDP | OSPF |
| 字段值 | 1 | 2 | 6 | 17 | 89 |
10、首部检验和
占16位。只校验数据报首部，不包括数据部分。这样可以减少计算量，同时不采用复杂的CRC检验码，而是使用简单的反码算术运算。
反码算术运算：将数据报首部划分为多个16位的序列，16位序列相加之和取反码，写入检验和。接收方再将首部16位序列（包含检验和的16位）相加之和取反码，结果为0则说明数据报正确，否则丢弃。
三、Cisco模拟器实验
现在做一个简单的实验，模拟两台主机进行通信，然后查看IP数据报的格式。
实验如图，现在PC0发送ping命令给PC1.
这就是实际中IP数据报的格式，与开始介绍的图一致：
这里使用到ping命令，自然联想到是基于ICMP协议进行通信的。接下来看看ICMP协议具体是什么。
四、ICMP协议
网际控制报文协议就是熟悉的ICMP全称。
还是先放一个直观容易理解地图片（来源：百度百科）
ICMP报文作为IP数据报的数据，加上IP数据报首部，组成IP数据报被发送出去。
前4个字节是固定格式：包括类型、代码、检验和三个字段。
ICMP报文种类有差错报告报文和询问报文，几种常用的报文类型有：
差错报告报文有5种类型：
1、终点不可达
当路由器或主机不能交付数据报时，就向发送方发送源点不可达报文。
2、源点抑制
由于拥塞而丢弃数据，就发送源点抑制报文告知发送方降低放松频率。
3、超时
当TTL减少至零时，说明目的接收方没有接收数据报，发送超时报文告知发送方。
4、参数问题
接收方收到的数据首部的一些字段不正确时，发送参数问题报文。
5、改变路由（重定向）
发送方按路由表中的默认路由发送数据给目的主机，因为每个路由器都有一个最佳路由到达每个网络。所以如果该路由不是最佳的，路由器就把新的路由信息发送给源主机，告知下次发送时有更好地路由选择。
询问报文有两种类型：
6、回送请求和回答
上面使用到的ping命令就是发送了询问报文，测试目的是否可到达。
7、时间戳请求和回答
请某个主机或路由器回答当前的日期时间，可以用来进行时钟同步和测量时间。
五、ICMP实践应用
在上面的模拟实验也可以看到ICMP报文的内容。
使用ping命令测试目的主机：
在自己电脑的命令提示符cmd测试：
ping www.csdn.net
可以看到询问报文应答的一些信息。
另外，tracert命令可以探测路由信息，也是发送ICMP回送请求报文。
tracert www.csdn.net
通过最多 30 个跃点跟踪
到 www.csdn.net [39.105.14.128] 的路由:这次详细记录了网络层IP数据报和ICMP协议的内容，直观的演示和实践可以更好地掌握这方面的知识。
这段时间写关于计算机网络方面的知识，我的初衷是对以前学习过的内容进行一个系统的整理，梳理思路，将零散的知识碎片集成一个相对完善的知识体系，这样能够更好地去理解知识。最近我领悟了一个道理：不要急着往前走，偶尔回顾自己所学所经历，善于总结，才能走得更轻松更远！哈哈哈，尝试着文学式表达感悟，似乎与理工科格格不入，不过有时候会理工科的文学更有趣。
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