计算机网络笔记（4）2020-11-12

计算机网络笔记（4）

来自韩立刚老师的计算机网络

• 2020年11月12日
  前一篇：计算机网络笔记（3）

整理：程琪皓

• 教材使用谢希仁老师计算机网络第5版
• 平时课业繁重，计算机仅仅只是兴趣，并非主业，各种笔记更新可能不及时，见谅

Chapter4: 网络层

思科网络工程师分成四章来讲：IP地址，子网划分，静态/动态路由, 网络地址转换，VPN技术

1. 网络层提供的两种服务

网络层关注的是如何将分组从源端沿着网络路径传送到目的地，在计算机网络领域，网络层应该向运输层提供怎样的服务层引起了长期的讨论。
争论的焦点：在计算机领域当中，可靠交付应当由谁来负责？是网络还是端系统？

• 我们应该注意到，如果在数据链路层实现可靠传输的交付，那么其中的每一层都需要进行确认，这样的传输效率就会变低了，所以可靠传输应该由端系统进行实现。

服务1：虚电路

• 虚电路表示这只是一条逻辑上的连接，并不是真正建立了一条物理连接。应该注意的是，电话交换的电话通信是建立了一条真正的连接，但是这里仅仅只是逻辑上的连接，分组连接与电路交换的连接方式类似，但是并不完全一样。
• 可靠通信由网络保证
• 连接的建立必须有
• 仅仅在连接阶段使用，每一个分组使用短的虚电路信号
• 属于同一虚电路的分组均按照同一路由进行转发，按照顺序到达
• 端到端的差错处理和流量控制可以由网络和主机共同完成

服务2：数据报服务

• 网络只告诉路由器们数据想要往哪里跑（目的地），路由器自己来决定让数据去到哪里。这样一种传输的方式更加的灵活。路由器不提供网络质量的服务，只是努力做到最大程度上的交付（我学计算机网络最喜欢的就是这个词——交付）
• 可靠通信由用户主机保证
• 连接的建立必须有
• 仅仅在连接阶段使用，每一个分组使用短的虚电路信号
• 每个分组独立选择路由，先发的不一定先到，最后按照顺序进行组装
• 由用户主机完成差错处理和流量控制

2. 网络协议IP

a) 虚拟互联网

网络互联的设备

• 中间设备又称为中间系统或者中继系统（relay）
  • 物理层中继系统：转发器（repeater）
  • 数据链路层中继系统：网桥或者连接器(bridge)
  • 网络层中继系统：路由器
  • 网络层以上的中继系统：网关（gateway）
• 网关就是路由器接口的地址（理论上来说网关可以是本网段中的任意地址）

互联在一起的网络要进行通讯，会遇到许许多多的问题需要解决，例如：

• 不同的寻址方案
• 不同的最大分组长度
• 不同的网路接入机制
• 不同的超时控制
• 不同的差错恢复方法
• 不同的状态报告方法
• 不同的路由选择技术
• 不同的用户接入控制
• 不同的服务（面向连接服务和无连接服务）
• 不同的管理与控制方式
  本章当中只考虑网络层的问题，不再考虑数据链路层以及物理层的有关内容

网络层的四个协议：

• 地址解析协议ARP （Address Resolution Protocol）
  • 负责解析对面网卡的IP地址
  • 比较底层，IP协议基于它
• 逆向地址解析协议RARP（Reverse Address Resolution Protocol）
• 网际控制报文协议ICMP （Internet Control Message Protocol）
  • Ping一个地址的时候返回一些信息之类的
  • 基于IP地址协议
• 网际组管理协议IGMP (Internet Group Management Protocol)

b) IP地址

• IP地址的层次化结构：
  • IPV4：层次化的IP地址将32位的IP地址分为网络ID和主机的ID
  • 现在已经渐渐的变为IPV6了
  • IP将地址分为网段部分和主机部分可以使得路由器的转发更加简单方便
• IP地址的分类：ABCDE五类地址
  相关的一篇不错的blog

下面的这张图已经非常明确了

类别	IP地址范围	私网IP地址范围	子网掩码	网络数	网段最大主机数
A	1.0.0.1 ~ 127.255.255.254	10.0.0.0-10.255.255.255	255.0.0.0	$2^7-2=126$	$2^{24}-2=16777214$
B	128.0.0.1 ~ 192.255.255.254	172.16.0.0-172.31.255.255	255.255.0.0	$2^{1}4-1=16383$	$2^{16}-2=65534$
C	192.0.0.1-223.255.255.254	192.168.0.0-192.168.255.255	255.255.255.0	$2^7-2=126$	$2^8-2=254$

• A类地址第一位为0
  • 注意一下这里的127地址被称为环回地址，相当于人称代词“我”，以下是一些测试

C:\Users\10404> ping 127.0.0.1
正在 Ping 127.0.0.1 具有 32 字节的数据:
来自 127.0.0.1 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=128
来自 127.0.0.1 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=128
来自 127.0.0.1 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=128
来自 127.0.0.1 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=128
127.0.0.1 的 Ping 统计信息:
数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
最短 = 0ms，最长 = 0ms，平均 = 0ms

上面这个代码拔了网线也能通，不然就重装吧…

• B类地址前两位为10
• C类地址前三位为110
• D类地址前四位为1110

c) 划分子网和构造超网

通过子网掩码进行网络划分，受到与运算的限制，这里简单提一句，笔记略过

d) IP地址与硬件地址

• MAC地址是转发过程当中采用的，告诉网络下一站要去到哪里

• IP地址是发送信息的时候一直跟随着数据包的，告诉网络目的地是哪里

• 一个简单例子
  第一站：数据段或者消息+源IP10.0.0.2+目标IP12.0.0.2+源MAC1+目标MAC2
  第二站：数据段或者消息+源IP10.0.0.2+目标IP12.0.0.2+源MAC3+目标MAC4
  第三站：数据段或者消息+源IP10.0.0.2+目标IP12.0.0.2+源MAC5+目标MAC6

• 注意一下数据段或者消息+源IP10.0.0.2+目标IP12.0.0.2 这个东西才叫作数据包

因此注意一下，跨网段只能够用IP地址进行控制，并且这里讲了一个IP的代理服务器的软件，这里可以控制什么电脑能够访问什么网段，属于B站上第75个视频，这里只是简单记录一下，需要的时候再考古。

e) IP转发分组的流程

网络层管理有四个协议

• IP 协议（Internet Protocol）网络互联协议
• ARP协议（Address Resolution Protocol）地址解析协议
• ICMP协议（Internet Control Message Protocol）控制报文协议
• IGMP协议（Internet Group Management Protocol）internet组管理协议

注意这里其实不应该说IP协议，因为IP当中的Protocol已经包含了协议的意思

• 下面聊一聊ARP协议：

  • 某一个计算机为了需要寻找某一个IP地址，计算机先群发一个信息，利用ARP协议获得对方的MAC地址，然后再在下一次需要发送信息的时候直接向对面相应的MAC地址（利用子网掩码之类的）通过路由器发送有关的信息。（这里的笔记记的不太好）
  • ARP欺骗是个好东西
    • 利用ARP欺骗控制某人网络的带宽：计算机询问路由器的地址时，利用黑客软件把自己电脑的MAC地址告诉对面，然后对面的无论想要上什么网，都需要经过这个黑客的电脑，从而实现对对方流量的控制与欺骗。P2P终结者
    • 可以通过ARP欺骗控制对面的上网对象：杀毒软件都没用，可以通过ARP防火墙进行防范，具体来说，第一次解析路由器地址就直接记住，其他随便是谁告诉我乱七八糟的东西我都不信了，而且直接报错，告诉你存在ARP欺骗。网络执法官
    • 下面的内容写多了怕被封号，自取吧
    • 这个老师截获了他办公室一堆老师的密码，还有一些意外的收获233，可惜QQ不行…

• 如何断定ARP欺骗：以下为个人的一些实操，一些个人的意想不到的数据如果不小心留到了网上，希望大佬们不要来黑我的电脑www（虽然用的是学校内部的私网）

• 命令ipconfig返回：

  • （怕电脑被人黑，这里的所有地址都依照实际情况随机改了几位，下同）

无线局域网适配器 WLAN:
连接特定的 DNS 后缀 . . . . . . . :
IPv6 地址 . . . . . . . . . . . . : 2201:da8:201:3040:4109:2750:2b9d:4849
临时 IPv6 地址. . . . . . . . . . : 2201:da8:201:3040:e8e0:f2aa:4d2e:1081
本地链接 IPv6 地址. . . . . . . . : fe80::4209:2723:2b1d:47549%25
IPv4 地址 . . . . . . . . . . . . : 10.0.242.65
子网掩码 . . . . . . . . . . . . : 255.255.224.0
默认网关. . . . . . . . . . . . . : fe80::72db:98ff:fe82:a000%25
10.0.192.1

在这里我们可以知道网关的地址为10.0.192.1，我们ping一下，发现能通

• 命令ping 10.0.192.1返回：

正在 Ping 10.0.192.1 具有 32 字节的数据:
来自 10.0.192.1 的回复: 字节=32 时间=3ms TTL=255
来自 10.0.192.1 的回复: 字节=32 时间=1ms TTL=255
来自 10.0.192.1 的回复: 字节=32 时间=7ms TTL=255
来自 10.0.192.1 的回复: 字节=32 时间=5ms TTL=255
10.0.192.1 的 Ping 统计信息:
数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
最短 = 1ms，最长 = 7ms，平均 = 4ms

• 命令arp -a返回

接口: 192.168.79.1 — 0xa
Internet 地址 物理地址 类型
192.168.79.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff 静态
224.0.0.22 01-00-5e-00-00-16 静态
224.0.0.251 01-00-5e-00-00-fb 静态
224.0.0.252 01-00-5e-00-00-fc 静态
239.11.20.1 01-00-5e-0b-14-01 静态
239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa 静态

接口: 192.168.188.1 — 0x10
Internet 地址 物理地址 类型
192.168.188.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff 静态
224.0.0.22 01-00-5e-00-00-16 静态
224.0.0.251 01-00-5e-00-00-fb 静态
224.0.0.252 01-00-5e-00-00-fc 静态
239.11.20.1 01-00-5e-0b-14-01 静态
239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa 静态

接口: 10.0.222.65 — 0x19
Internet 地址 物理地址 类型
10.0.192.1 70-db-98-82-a0-00 动态
10.0.223.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff 静态
10.3.224.1 70-db-98-82-a0-00 动态
224.0.0.22 01-00-5e-00-00-16 静态
224.0.0.251 01-00-5e-00-00-fb 静态
224.0.0.252 01-00-5e-00-00-fc 静态
239.11.20.1 01-00-5e-0b-14-01 静态
239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa 静态
255.255.255.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff 静态

注意一下这里的静态表示还是比较靠谱的地址，在第三个返回的部分我们找到网关的地址：
10.0.192.1 70-db-98-82-a0-00 动态
说明如果要从这里访问外网，对应的MAC地址就会变成70-db-98-82-a0-00

• 接下来我们改一下网络的arp对应的MAC地址，演示到这里，我先保存一下我的blog…
• 修改的时候需要提升一下操作啥的，具体看这篇博客
• 注意一下这里需要管理员的身份，cmd打开的时候看一下是不是管理员身份

命令arp -s 10.0.192.1 70-db-98-82-a0-01返回nothing，但是修改了对应网关的MAC地址，对自己的电脑实现了arp欺骗。

f) IP数据报格式

首部+数据部分构成了IP数据包的全部

• 下面我们来看首部的组成，上图已经比较明确了

• 前32bit

  • 版本告诉我们这个数据包是ipv4还是ipv6, 由四个bit表示
  • 首部长度告诉网络这个首部的长度是多少
  • 区分服务说明这个数据包在传输过程中是否“着急”
  • 总长度说明数据包一共有多大，也就是说首部+数据部分大概有多少

• 32bit到64bit

  • 标识 用来标识数据包的标识，每产生一个数据包就加一
  • 标志 说明数据包是不是分片的，当数据包的数据部分大于沿途路由器最大传输单元时，需要对原来的数据包进行拆分，将大包拆分成小包
  • 片偏移 用来说明拆分之后的分片数据包分别在原来数据包的什么部分
    
  • 生存时间 TTL使得无法到达目的地的数据包从网络中自动消失，每被转发一次，TTL的数值减1
  • 协议：ICMP，IGMP之类的，用协议号代表，这里放一个ip协议号大全的链接
  • 首部校验：将该部分前面部分每16位进行求和，再取反码，存放在校验核处；接收方接收到信息之后对所有部分进行求和运算，如果结果为0，则保留该包，如果不为0，则直接丢弃，确保首部的正确；这里和数据链路层的知识就结合起来了。

• 补充：从TTL可以基本断定对面是什么操作系统，windows操作系统一般是128，linux有可能是64，我们来看一下下面一个测验

  正在 Ping 127.0.0.1 具有 32 字节的数据:
  来自 127.0.0.1 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=128
  来自 127.0.0.1 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=128
  来自 127.0.0.1 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=128
  来自 127.0.0.1 的回复: 字节=32 时间<1ms TTL=128

  • 这里ping自己一个服务器都不经过，所以TTL保持128,下面通过手动设置TTL的数值，使得我们可以统计到百度需要经过几个路由器，下面的测试给出沿途经过的路由器大概为100-49=51个

    C:\WINDOWS\system32>ping www.baidu.com -i 100
    正在 Ping www.a.shifen.com [182.61.200.7] 具有 32 字节的数据:
    来自 182.61.200.7 的回复: 字节=32 时间=6ms TTL=51
    来自 182.61.200.7 的回复: 字节=32 时间=8ms TTL=51
    来自 182.61.200.7 的回复: 字节=32 时间=8ms TTL=51
    来自 182.61.200.7 的回复: 字节=32 时间=14ms TTL=51
    182.61.200.7 的 Ping 统计信息:
    数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
    往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
    最短 = 6ms，最长 = 14ms，平均 = 9ms

• 我们甚至可以通过这个方法看一看沿途都通过了哪几个路由器

  • 第一个路由器是10.3.224.1，因为：

    C:\WINDOWS\system32>ping www.baidu.com -i 1
    正在 Ping www.a.shifen.com [182.61.200.7] 具有 32 字节的数据:
    来自 10.3.224.1 的回复: TTL 传输中过期。
    来自 10.3.224.1 的回复: TTL 传输中过期。
    来自 10.3.224.1 的回复: TTL 传输中过期。
    来自 10.3.224.1 的回复: TTL 传输中过期。

  • 第二个路由器是10.0.253.61，因为：

    C:\WINDOWS\system32>ping www.baidu.com -i 1
    正在 Ping www.a.shifen.com [182.61.200.7] 具有 32 字节的数据:
    来自 10.0.253.61 的回复: TTL 传输中过期。
    来自 10.0.253.61 的回复: TTL 传输中过期。
    来自 10.0.253.61 的回复: TTL 传输中过期。
    来自 10.0.253.61 的回复: TTL 传输中过期。

  • 以此类推

这里可以使用抓包工具wireshark进行实战，具体可以在这里下载, 有点点小激动，搓手手

各位可以在计算机cmd上尝试一下代码
route print:看一看自己的路由表
route add 0.0.0.0 mask 0.0.0.0 10.0.192.1
10.0.192.1 10.0.222.65

3. 网际控制报文协议

4. 因特网的路由选择协议

5. IP多播

6. 虚拟专用网VPN和网络地址转换 NAT

未完待续。。。