韩立刚计算机网络——第四章：网络层
目录
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- 1、网络层提供的两种服务
- 2、国际协议 IP
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- （1）网络层协议
- （2）IP 地址
- （3）子网划分
- （4）IP 地址和 MAC 地址
- （5）ARP 和 RARP 协议
- （6） IP 数据报格式
- （4）IP转发分组流程（最重要）
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- a、静态路由
- b、动态路由协议
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- 3、网际控制报文协议 ICMP
- 4、IP 多播、组播（IGMP）
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- （1）多播IP地址
- （2）多播数据报
- （3）硬件组播
- （4）IGMP 协议
- 5、VPN 技术
- 6、NAT 技术
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- （1）NAT和PAT 的区别
- （2）NAT 端口映射
提示：这一章内容非常多。
在思科网络工程认证当中，这一章被分为四部分：
- IP地址
- 子网划分
- 静态路由、动态路由
- 网络地址转换（NAT）、VPN
指引：
网络层提供的两种服务
网际协议IP
网际控制报文协议ICMP
因特网的路由选择协议
IP多播
虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT
1、网络层提供的两种服务
思考：可靠交付交给谁来负责? 网络还是端系统？
举例：网上购物的可靠交付由谁来负责？
1、商家下单之后，交给快递之后，商家就不管了。过几天我们没有拿到，或者拿到的东西坏了。然后我们找厂家。
2、这个过程中，快递公司是不管东西好坏的，直接运输的。
3、可靠交付交给 端系统，就是用户和商家。
4、如果交给 快递公司 的话，每一站快递都得拆开看看到底有没有错误。（这样效率会很低）
同理：我们在互联网上面，我们将可靠交付 交给端系统，网络不管这个事情，网络只管发送。
虚电路服务：
- 网络管理员，需要提前配置一条线路。
- 如果当中有一个路由器坏了，那么传输就会被打断。因为网络管理员，不能提前设置另外的线路。
- 虚电路服务，理论上来说可以不写地址，因为已经固定好了2个通信端。
数据报服务：目前网络当中就是采用这种模式。
- 数据包当中要包含IP地址、MAC地址。
- 我们并不能知道数据包走哪一条路，而是交给路由器自己选择。
- 每个数据包的路线可能都不相同。
- 数据包的接收顺序，并不一定是按照发送的数据过来的。（每个数据包有编号）
虚电路与数据包服务比较：
2、国际协议 IP
网络互联的设备：
| 分层 | 设备 | 作用 |
|---|---|---|
| 物理层 | 转发器 | 以太网的范围不应该大于 100米，但是增加一个 Hub，距离就可以扩大为 200米。 |
| 数据链路层 | 网桥或交换机 | |
| 网络层 | 路由器 | |
| 网络层以上 | 网关 | 一般用本网段的第一个地址，位于路由器的某个端口 |
数据的发送过程：
电脑网卡 ——> 路由器网关 ——> 路由器转发 ——> 互联网
- 计算机想要访问其他网段地址，先将数据交给网关，再有网关进行转发。
- 如果我们没有设置网关，我们的数据就发送不出去，只能访问本网段的计算机。
网络层要解决的问题：
主机怎么找到第一个路由器、
第一个路由器怎么找到第二个路由器、
互联网与虚拟互联网：
- 互联网：当中其实非常复杂。
- 虚拟互联网：将互联网当中的细节进行屏蔽，只要有 IP 地址就够了。
（1）网络层协议
网络层有四个协议
- IP协议
- ARP、RARP协议 ：解析 MAC 地址
- ICMP协议：报告网络故障的协议。（超时？不可到达？）
- IGMP协议：
注意：可以看出 ARP 协议的地位相对低一点， IPv4 协议也要依靠 ARP 来进行实现。
（2）IP 地址
在设置 IPv4 的协议，并没有想到互联网可以发展这么快，所以将 IPv4 设置为 32位，怎么也想不到可以将这 32 位用完。
分析
- 路由器根本不用关心数据到哪个具体的地址，只需要关心到哪个网段的路由器。
IP地址的分类
由上图可以看出IP地址由两部分组成，即网络地址和主机地址，二者是主从关系。
- 网络地址表示其属于互联网的哪一个网络。
- 主机地址表示其属于该网络中的哪一台主机。
A类地址、B类地址、C类地址，都有自己固定的开头。
分析：
- A类地址：当中能用的是 1-126， 127.0.0.1 ：作为本地回环测试。
（ping 127.0.0.1 的时候，其实就是在 ping 本主机的IP）
子网掩码的作用：
- 子网掩码(subnet mask) 又叫网络掩码、地址掩码，它是一种用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网。
- 子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。
（3）子网划分
比如一个地区只有 5 台计算机，我不可能给它分一个可以包含 254 个主机的 C 类地址，太浪费了。
如何实现：将原来的主机号，分出一部分用作子网号。
例题1：某主机IP地址为 210.33. 5.68 ，子网掩码为255. 255. 255.128。求其网段地址?
解析：将IP地址与子网掩码直接相与即可：
- 要清楚255是八个一，所以与其相与一定是它本身，也就是 210.33.5 是不变的。
- 只需要看68的二进制与128的二进制即可：
例题2：某A类网络 20. 0. 0. 0 的子网掩码为 255.224. 0. 0 ,请确定可以划分的子网个数，写出每个子网的子网号。
解析：因为是A类网络，子网掩码默认为255.0.0.0
- 所以多出来的224就是子网号，也就是11100000。
- 子网号就是占了前三个号，2的3次方，也就是八个子网个数。
- 至于每个的子网号，
000 00000
001 00000
010 00000
- 可使用的主机号：本子网当中，除去主机号全0 （子网地址），主机号全 1 （广播地址），之外都可以作为主机号。
000 00000 ：子网地址
000 11111 ：本子网的广播地址。
在这两个之间的 IP 地址都可以用。
例题3：将某C网 200. 161. 30. 0 划分成4个子网，请计算出每个子网的有效的主机IP地址范围 和对应的子网掩码。
解析：4个子网，需要2个bit 位来进行区分。
- C网的默认子网掩码为 255.255.255.0，加上四个子网之后就是：255，255，255，192（11 000000）
- 有效主机 IP 范围：排除 0 和 1 的主机地址。
例题4：某公司申请到的网络地址为 192. 3.2.0 ,现要划分5个子公司，最大的一个子公司有28台计算机，每个子公司在一个子网中，则
(1)子网掩码应为多少?
(2) 5个子公司的网络地址分别是什么?
分析：
- 子网号：要划分 5 个子公司，所以最少需要 3 位bit，用作子网号。（3bit 最多可以分 8 个子网）
- 主机号：最大的一个子公司有28台计算机， 最少需要 5个bit 用作主机号。（5bit最多放 32 个主机）
（4）IP 地址和 MAC 地址
提问：既然每个网卡的 MAC 地址是唯一的，那么我们直接使用 MAC 用来标识就好了，为什么还需要 IP 地址呢？
计算机 A 和计算机B 通信过程当中：
- IP地址是不发生变化的，MAC 地址在转发当中就会发生变化。
- 计算机 A 给计算机 B 发送数据的时候，进行与操作，发现不是自己网段的数据，所以要将数据发给路由器。
- 第一个阶段，数据帧添加的MAC 地址是下一个路由器的MAC地址，不是计算机B的MAC 地址。
（5）ARP 和 RARP 协议
ARP协议 ：负责将 IP 地址 解析成MAC地址。
解析原理：依靠广播 ，所以对于网络传输来说，广播是不可避免的。
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。
- 在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址。
- 在以太网中，一个主机和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。
- 但这个目标MAC地址是如何获得的呢？它就是通过地址解析协议获得的。
- 所谓“地址解析”就是主机在发送帧前，将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。
ARP 欺骗的应用：
所以主机1 就可以实现网速分配的效果。
总结：
1、当访问外网段IP地址的时候，我们主机这时候需要添加本网关的MAC 地址。
2、本网关的MAC 地址：就是本网段路由器，当中的一个端口的MAC地址。
3、网关的MAC地址，即可以有路由器自动返回，也可以由用户自己设定，也可以被本网段的其他计算机发送。
（6） IP 数据报格式
数据在传输过程中的一步一分封装
我们现在分析网络层前面加的东西（叫做 IP数据报）。
一个IP数据报由 首部 和 数据两部分组成。
- 首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。
- 在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。
| 位置 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|
| 0-3bit | 版本 | 区别当前IP协议是 IPv4 还是IPv6 |
| 4-7bit | 首部长度 | 因为首部有一部分是可以变化的，所以在这里要明确标注长度 |
| 8-15bit | 区分服务 | 标记数据包的优先级，哪一个先传输。（下面会补充） |
| 16-31bit | 总长度 | 总长度指首部和数据之和的长度，单位为字节。（最大长度为2^16-1=65535字节） |
| 32-47bit | 标识 | IP软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。 |
| 48-50bit | 标志 | 占3位，但只有2位有意义，告诉数据包是否需要分片？ |
| 50-63bit | 片偏移 | 表示分片之后，各个数据包的偏移值（下面会有补充） |
| 64-71bit | 生存时间 | 不同操作系统的默认 TTL值 不同 （下面会有补充） |
| 72-79bit | 协议 | 标明数据内容当中的上层协议是什么 （下面会有补充） |
| 80-95bit | 首部校验和 | 验证数据报首部是否完整 ，担心传输过程当中消失 |
| 源地址 | 发送端的IP地址 | |
| 目的地址 | 接收端的IP地址 | |
| 可变部分 | 用来支持排错、测量以及安全等措施 |
（1）怎么理解数据包的优先级？
我们在 QQ 视频的同时，对方同时给我们传递文件，此时视频的数据包就比传文件的数据包重要。
（2）数据包分片：
以太网的数据一般来说都是 1500字节以下，有的计算机发包的时候，发送了 3800 个字节。此时路由器看到这些大包就没有办法处理了，这时候这些路由器将这些大包进行分片，
- 每片小包重新添加首部
- 片偏移只有在数据包进行分片之后才会不为0。
（3）生存时间：
我们的计算机发送一个数据包之后，都会给他一个 TTL 值，数据包经过一个路由器，TTL 就会减一。如果 TTL 减到0，这个数据包就停止传输，直接丢弃。
为什么要设置生存时间呢？
如果没有生存时间，如果我们网络一直不断电，这个数据包就一直不会消失，就会一直消耗我们的带宽。
（4）协议号：（可以搜索协议号大全）
使用抓包工具来分析，抓到的数据：
- 数据链路层：目标MAC地址， 源MAC地址， 网络层协议类型
- 网络层：（上面表格当中我们有进行分析过）
版本：IPv4
首部长度：20字节
区分服务：优先级为0
数据包总长度：1054
标识计数器 22555， 下一个数据包就会是 22556.
分片标记：没有分片
TTL ：128
协议：传输层使用TCP 协议
校验和：correct ，正确
源地址：
目的地址：
（4）IP转发分组流程（最重要）
需要了解的几个问题：
1、什么叫做 IP 转发？ （什么叫做数据路由）
答：路由器在不同网段转发数据包。 跨越网段通讯的都是路由。
2、网络畅通的条件是什么？数据包能去能回的条件是什么？
答：沿途的路由器传输的时候，必须知道到，数据包到接收端需要给哪个接口，返回发送端又需要给哪一个接口。
分析下面的案例：
1、这个图里面有几个网段？
答：有五个：192.168.0，172.16.0，172.16.1，172.16.2， 192.168.1。
2、各个路由器知道什么？
答：路由器 A ，知道 192.168.0，172.16.0 在哪两个端口，但是他不知道 192.168.0，192.168.1 在哪两个端口。
a、静态路由
解决办法：添加静态路由，即给路由器指定不同IP地址需要发送的端口。
3、那么对于 0 号路由器来说，如果遇到 192.168.1 ，到底该走哪一个接口呢？
答：人为的添加路由表，对于 A 路由器来说，我们要告诉它 172.16.1，172.16.2， 192.168.1 遇到这三个网段的 IP ，都要送给 B 这个接口。
4、同理对于 1 号路由器来说，需要分配什么样的路由表呢？
答：192.168.0 给 C 端口， 172.16.2， 192.168.1 给 E 接口。
b、动态路由协议
RIP 协议：互联网上最早的动态路由协议。它的工作特点
- 周期性将自己知道的网段信息，广播给各个路由器，告诉相邻的路由器自己连着哪些网段。
- 每隔 30 s 广播一次。
- 最多是16 跳
分析：路由器为什么要周期性的要进行广播？
假设在工作当中，当中有一个路由器坏了，如果只广播一次，那就完了，就不能通信了。
周期性的广播，如果有路由器坏掉的话，我们就可以选择其他路线来进行传输。
OSPF ：内部网关协议 0SPF (Open Shortest Path First)
1、向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法。
2、发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。
3、只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。
外部网关协议BGP：
1、BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议，BGP 较新版本是BGP -4。
2、边界网关协议BGP只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由(不能兜圈子)，而并非要寻找一条最佳路由。
3、每一个自治系统的管理员要选择至少-个路由器作为该自治系统的“BGP发言人”。
3、网际控制报文协议 ICMP
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)。
- ICMP作用：探测网络有没有故障。
- 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。
ICMP 协议的报文格式：
类型：标识生成的错误报文，它是ICMP报文中的第一个字段；
代码：进一步地限定生成ICMP报文。该字段用来查找产生错误的原因；
校验和：存储了ICMP所使用的校验和值。
| 名称 | 作用 |
|---|---|
| 类型 | 有询问报文、和差错报文 |
| 代码 | 该字段用来查找产生错误的原因； |
| 校验和 | 存储了ICMP所使用的校验和值。 |
上面这个三个字段，每种类型的 ICMP 报文都有，下面的有的类型有，有的类型没有（与第一个字段的类型有关）
（1）ICMP 报文类型：
询问报文：回送请求（ping命令）和回答报文、时间戳请求和回答报文。
差错报文：（报告错误的报文）终点不可到达、源点抑制、时间超过、参数问题、改变路由。
ping 命令的过程：
（1）A 给 B 发送的时候是，询问报文
（2）B 给 A 返回的时候是，差错报文
pathping 命令，可以检测到数据包到哪里断了。
不仅可以显示在哪里断了，还可以显示每个网段的丢包率。
看视频一卡一卡的，其实就是有数据包丢失了。 通过 pathping 可以分析出哪里丢包比较多。
4、IP 多播、组播（IGMP）
IP 多播又叫做IP 组播。
目的：为了更好的支持一对多的通信，一个地方发送数据，可以有肯多地方接收数据。
回顾数据链路层学过的：
| 模式 | 作用 |
|---|---|
| 单播 | 一对一 |
| 多播 | 一对多 |
| 广播 | 一对全体 |
多播采用的背景是什么呢？
有 90 个用户，有一个视频服务器，这个视频服务器给这 90 个用户发送数据。
- 如果采用单播：这个视频服务器就得将这个视频，发送90次，带宽会很高。
- 采用多播，会有一个多播路由器 ，服务器将数据发给多播路由器，路由器再进行转发。这样带宽就降成了1分。
（1）多播IP地址
首先它是一个 D 类地址。他只能用作目的地址，不能用作源地址。
（2）多播数据报
（3）硬件组播
我们软件组播，最后都要转化为硬件组播。
（4）IGMP 协议
5、VPN 技术
VPN ：虚拟专用网络（virtual private network）
为了弥补IPV4地址日益枯竭的矛盾，在A、B、C类地址中专门划出一小块地址，作为全世界各地建设局域网使用，这些划出来专门作为局域网内网使用的IP地址称为私有网络地址(或称为私网地址，内网地址)。
一般为学校、政府单位 使用私网 IP 。
私网地址不能在公网上出现，只能用在内部网路中，所有路由器都不能发送目标地址为私网地址的数据报。
标准规定的私网地址有：
A类私网地址：10.0.0.0～10.255.255.255
B类私网地址：172.16.0.0～172.31.255.255
C类私网地址：192.168.0.0～192.168.255.255
举例情况：学校的服务器是一个私网 IP ，我们不使用校园网不可以进行访问。如果我们回家了，不能使用校园网，但是这时候想要访问学校的服务器，该怎么办？
用户想要直接访问内网服务器，这是不可能通的。 但是中间添加了一个服务器。
步骤：
（1）将目标IP地址，和伪造的源IP地址，作为数据包的一部分。
（2）在帧头当中，目的地址换为一个公网的IP地址。
（3）在经过 RAS 服务器的时候，将前一步的源IP 和 目标IP 去掉。
（4）这时候外网 IP 被伪造成一个内网IP。
的另外一种用途：
1、在中国我们有一些网址是不能访问的，（我们暂且将这些网址看作是内网），但是这些网址在美国可以进行访问。
2、我们在美国搭建一个中国可以访问的服务器， 然后我们先去访问这个服务器，然后这个服务器做 操作。
3、就相当于是美国的服务器在访问这个网址。
比如：如家酒店的账户信息需要进行交互，但是如家酒店遍布全球各地，这时候通过 VPN 技术，就可以将各个城市的局域网连起来。
6、NAT 技术
网络地址转换NAT (Network Address Translation)
C类私网地址：192.168.0.0～192.168.255.255， 我们宿舍的ip网段为 192.168.1.0 ，也是一个私网地址。
所以一开始，互联网上面是找不到我们宿舍的 私网地址的。找不到就不能上网。
有一个服务器，会将我们私网地址，替换为公网地址。
举例：比如我们在互联网上面发了一个帖子，公安局可以找到 100.81.64.1 这个公网地址，然后就可以找到是在我们学校，但是要想找到是哪个学生发的，那就不太好找了。
有个问题：我们所有在学校的电脑都被替换成了100.81.64.1，服务器给我们进行返回数据的时候，也是返回给这个 100.81.64.1 这个地址。那么这个地址如何区分到底转发给哪台计算机呢？
100.81.64.1 这个服务器，通过端口号，来进行区分是哪一台计算机发送的信息。
（1）NAT和PAT 的区别
NAT
192.168.0.2：4444 ----〉202.116.100.5：4444
192.168.0.3：5555 ----〉202.116.100.6：5555
192.168.0.10：1233 —〉202.116.100.5：1233
PAT
192.168.0.2：4444 ----〉202.116.100.5：50003
192.168.0.3：5555----〉202.116.100.5：50004
192.168.0.10：1233 —〉202.116.100.5：50005
简单来说，PAT：多对1，nat：多对多
（2）NAT 端口映射
NAT 端口映射和NAT 穿透的区别：
1、NAT：网络地址转换方法。
2、端口映射：NAT的一种，外网主机的IP地址的端口映射到内部网络中的机器上，以提供相应的服务。