05.计算机网络---网络层/路由器工作原理/ARP协议/ping命令

本篇文章还是针对计算机网络TCP/IP五层模型中的第三层网络层，主要包括的内容有路由器工作原理，转发数据工程，路由表的组成、ARP协议，ping命令的具体使用，tracepath命令等等，在网络排查故障方面会给予你一定的提示。

目录

一.路由/路由器/路由表

二.ping命令

三.给虚拟机添加网卡，并在系统文件中添加配置

四.广播与广播域

五.ARP协议

六.tracepath命令

七.如何判断IP地址是否和别人冲突了

---

一.路由/路由器/路由表

路由：动词，跨越从源主机到目标主机的一个互联网络来转发数据包的过程

能够将数据包转发到正确的目的地，并在转发过程中选择最佳路径的设备---路由器

路由器如何知道我们的数据从哪里来到哪里去呢？

        路由器在网络层，数据会添加IP包头，里面包含了源IP地址和目的IP地址

路由器它自己如何判断哪条路径是最佳路径呢？

        路由器里面有个路由表，会选择最佳的

路由器如何知道它自己能去哪些地方呢？

        路由器里面有个路由表，如果目的IP地址不在路由表里面，那么路由器会将数据丢弃，并且告诉目的地址不可达

路由表里有：目的网段（目标网段）、接口（从路由器自己的哪个接口发送出去）、下一跳地址（对方路由器的IP）

现在是假设IP包数据在传输的过程中没有被路由器进行修改：源IP和目的IP不修改（学了NAT之后可能会修改）

路由表是在路由器的内存里的，停电会丢失，插上电会自动生成

电脑、手机里都有路由表，只要是能配IP地址的，或者要上网的设备，都有路由表（交换机也可以有路由表），有路由表的机器也都有arp缓存表（arp -a可以查看电脑的arp缓存表）

路由的类型：

        1.直连路由：路由器的接口配置的IP地址，直接相连的网段 ---》自己直接配置的网段 ---》自动产生，不需要配置

                需要满足两个条件：需要配置IP地址，同时需要激活网卡（网卡状态要是up的）

        2.非直连路由（只要是不直连的，想要过去，都需要添加静态路由或者动态路由）

                静态路由：由管理员手工配置的，是单向的，缺乏灵活性

                默认路由：当路由器在路由表中找不到目标网络的路由条目时，路由器把请求转发到默认路由接口。默认路由是需要人添加的，属于特殊的静态路由，优先级比较低。

                        配置网关就是添加一条默认路由，末节网络中适合添加默认路由

                动态路由：路由器自己产生

静态路由是由管理员手工去配置的，不配置路由表里没有 --》适合网络规模比较小的

动态路由是路由器互相之间学习（互相告诉），需要在每个路由器上启用路由协议，配置自己能到达哪些网络 --》适合网络规模比较大，路由器比较多

常见的动态路由协议：rip、ospf、BGP

动态路由协议详解：https://blog.csdn.net/m0_59388634/article/details/122375429?spm=1001.2014.3001.5502

优先级：直连路由--》静态路由--》动态路由--》默认路由

网关：网络的关卡---》gateway

        路由器的LAN口的接口 ---》网关是一个角色，是pc成路由器相连的哪个lan口为网关，路由器自己不喊网关

添加静态路由：

Windows里：ip route 192.168.10.0（目标网段） 255.255.255.0（目标网段的子网掩码） 192.168.20.1（下一跳地址）

Linux里：ip route add 192.168.90.0/24 via 192.168.0.2 dev ens33

                                        目标网段和子网掩码 下一跳 从自己的哪个接口送出去

路由器的作用：实现跨网段的通信使用，将数据从一个网络转发到另外一个网络，根据路由表转发数据

 路由器工作过程：

        1.查看IP包的目的IP地址

        2.计算出目标网段

        3.到路由表里查看是否有到目标网段的路由

        4.如果有，就转发，如果没有，就告诉客户机不能到达

数据在传输过程中，就是一直在发arp广播包，Mac地址在一直更改，IP地址没有变

数据转发过程：

在Linux中临时添加IP地址：（重启系统就会丢失）

###临时添加IP地址命令
[root@xieshan ~]# ip address add 192.168.0.33/24 dev ens33	#address可以简写为add，添加了的IP地址跟系统里的IP地址，共享一个Mac地址
####原来的IP情况：
[root@xieshan ~]# ip add
2: ens33:  mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:7b:fb:12 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.0.43/24 brd 192.168.0.255 scope global noprefixroute dynamic ens33
       valid_lft 85526sec preferred_lft 85526sec
    inet 192.168.0.130/24 brd 192.168.0.255 scope global secondary noprefixroute ens33
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::3ecb:fb98:7235:d96d/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
####临时添加IP地址之后的IP情况：
[root@xieshan ~]# ip address add 192.168.0.33/24 dev ens33
[root@xieshan ~]# ip add
2: ens33:  mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:7b:fb:12 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.0.43/24 brd 192.168.0.255 scope global noprefixroute dynamic ens33
       valid_lft 85462sec preferred_lft 85462sec
    inet 192.168.0.130/24 brd 192.168.0.255 scope global secondary noprefixroute ens33
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet 192.168.0.33/24 scope global secondary ens33
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::3ecb:fb98:7235:d96d/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever

Linux系统查看路由表

[root@xieshan ~]# ip route		#查看路由表
default via 192.168.0.1 dev ens33 proto static metric 100 
192.168.0.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.0.130 metric 100 
192.168.0.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.0.43 metric 100 
192.168.66.0/24 dev ens37 proto kernel scope link src 192.168.66.254 metric 101 
[root@xieshan ~]# 

Linux添加静态路由

[root@xieshan ~]# ip route add 192.168.90.0/24 via 192.168.0.2 dev ens33    #添加一条静态路由
[root@xieshan ~]# ip route
default via 192.168.0.1 dev ens33 proto static metric 100 		#metric值小的优先级高
192.168.0.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.0.130 metric 100 
192.168.0.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.0.43 metric 100 
192.168.66.0/24 dev ens37 proto kernel scope link src 192.168.66.254 metric 101 
192.168.90.0/24 via 192.168.0.2 dev ens33 
[root@xieshan ~]# ip route del 192.168.90.0/24  		#删除一条路由
[root@xieshan ~]# ip route
default via 192.168.0.1 dev ens33 proto static metric 100 
192.168.0.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.0.130 metric 100 
192.168.0.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.0.43 metric 100 
192.168.66.0/24 dev ens37 proto kernel scope link src 192.168.66.254 metric 101 
####如果把默认路由删了，就会无法上网，ping自己的网关以及baidu都会不成功
[root@xieshan ~]# ip route del default  	#删除默认路由
[root@xieshan ~]# ping www.baidu.com
connect: 网络不可达
[root@xieshan ~]# ping 114.114.114.114
connect: 网络不可达
[root@xieshan ~]# ip route 
192.168.0.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.0.130 metric 100 
192.168.0.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.0.43 metric 100 
192.168.66.0/24 dev ens37 proto kernel scope link src 192.168.66.254 metric 101 
[root@xieshan ~]# ip route add default via 192.168.0.1 dev ens33		#添加默认路由
[root@xieshan ~]# ip route
default via 192.168.0.1 dev ens33 
192.168.0.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.0.130 metric 100 
192.168.0.0/24 dev ens33 proto kernel scope link src 192.168.0.43 metric 100 
192.168.66.0/24 dev ens37 proto kernel scope link src 192.168.66.254 metric 101
[root@xieshan ~]# ping www.baidu.com
PING www.baidu.com (14.215.177.38) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 14.215.177.38 (14.215.177.38): icmp_seq=1 ttl=55 time=28.5 ms
64 bytes from 14.215.177.38 (14.215.177.38): icmp_seq=2 ttl=55 time=27.9 ms

二.ping命令

ping命令：用来测试网络的连通性，测试你的电脑和别人的电脑之间的网络是否流畅

-c count 发包的数量

-i  interval 指定发送数据包之间的间隔，默认是1秒

-s size 指定发送数据的大小

-W timeout 超时的时间，也就是ping不通的时候，最多等待多久

        每个ping包有1秒时间，如果有5个ping包，就有5秒的时间

-w deadline 期限

[root@xieshan ~]# ping www.baidu.com
PING www.a.shifen.com (14.215.177.39) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 14.215.177.39 (14.215.177.39): icmp_seq=1 ttl=52 time=5.01 ms
64 bytes from 14.215.177.39 (14.215.177.39): icmp_seq=2 ttl=52 time=5.04 ms
64 bytes from 14.215.177.39 (14.215.177.39): icmp_seq=3 ttl=52 time=5.04 ms
^C
--- www.a.shifen.com ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss, time 2001ms
rtt min/avg/max/mdev = 5.011/5.032/5.043/0.059 ms

0% packet loss         是丢包率，丢包越少越好

avg                             是平均时间，越短越好

time                            是响应时间，是数据包往返时间加起来的

#以上三个指标可以用来作为查看网络速度和质量的参考依据

 

ping命令的执行过程:

        1.如果是域名，先进行域名解析到具体的一个IP

        2.将要ping的IP地址和自己的子网掩码进行与运算，得出相应的网段号

        3.然后到自己的电脑里的路由表里查询是否有到这个网段的路由，如果没有就走默认路由，会有下一跳地址

        4.查看本机arp缓存表里面是否有下一跳地址的mac地址，如果有就直接封装，如果没有就发arp广播获得下一跳地址的mac地址

        5.得到了mac地址后，封装好数据，走物理层（网线）送出数据

举例说明：本机IP：192.168.0.237/24，ping 192.168.90.1的过程：

        1.拿目的IP192.168.90.1和自己的子网掩码进行与运算，得到目的网段192.168.90.0

        2.查看本机的路由表，是否有到达这个网段的路由，如果没有就走默认路由，下一跳地址为192.168.0.1

        3.查看本机arp缓存表里是否有下一跳地址192.168.0.1的Mac地址，如果有就直接封装帧，如果没有，就发arp广播获得192.168.0.1的Mac地址

        4.得到了Mac地址后，封装好数据，走物理层送出数据

如果ping一台服务器ping不通，可能有哪些原因？

        1.服务器挂了

        2.对方服务器开启了防火墙

        3.运营商问题，可能是中间线路断了，或者宽带被剪了

        4.家里路由器出问题了，可能接口送了

ping不通的检查方法：

        1.分段ping，从自己的网关一路ping出去

        2.替换，换个目标服务器ping试一下

        3.先硬件后软件：先检查网络是否联通，再检查IP地址，还有dns和网关

ping命令的使用总结：

        1.ping通

        2.ping不通

                请求超时

                        1.对方开启了防火墙，不允许icmp协议包通过

                        2.中间路由器丢弃了我们的ping包

                Destination Host Unreachable

                        1.一般是ip地址没有人使用

                        2.检查自己主机的模式

                网络不可达

                        1.没有填写默认网关

                未知的名称或服务

                        1.没有填写dns服务器地址

域名解析相关文件：

[root@xieshan ~]# ip route add default via 192.168.100.1 dev ens33
Error:Nexthop has invalid gateway.	--->下一跳地址需要使用相同网段的ip
[root@xieshan ~]# cat /etc/resolv.conf    --->存放dns服务器IP地址的，真正我们进行域名查询的时候，就到这个文件里找dhs服务器地址
Generated by NetworkManager
nameserver 114.114.114.114
nameserver 192.168.0.1
nameserver 8.8.8.8
####nameserver最多可以3个
[root@slave-mysql ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@slave-mysql network-scripts]# vim ifcfg-ens33
BOOTPROTO=none
NAME=ens33
DEVICE=ens33
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.0.27
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.0.1
DNS1=114.114.114.114
[root@slave-mysql network-scripts]#  ifup  ens33

当我们激活新的配置的时候，NetworkManager服务会读取ifcfg-ens33 里的DNS1这个配置写到/etc/resolv.conf
ifcfg-ens33 里的DNS1决定了resolv.conf 文件里的nameserver的值，但是真正有效的是resolv.conf 文件

三.给虚拟机添加网卡，并在系统文件中添加配置

1.先给虚拟机关机，添加一块网卡，然后开机

2.ip a查看系统识别网卡的名称（一般第二块网卡都叫ens37)

[root@xieshan network-scripts]# ip a
3: ens37:  mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:7b:fb:1c brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.66.254/24 brd 192.168.66.255 scope global noprefixroute ens37
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::20c:29ff:fe7b:fb1c/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

3.修改配置文件（跟手工配置IP地址的步骤类似，但是第二块网卡不能配置默认路由，否则机器上网会出现问题）

[root@xieshan ~]# cd /etc/sysconfig/network-scripts/
[root@xieshan network-scripts]# cp ifcfg-ens33 ifcfg-ens37
[root@xieshan network-scripts]# vim ifcfg-ens37
[root@xieshan network-scripts]# cat ifcfg-ens37
BOOTPROTO="none"
NAME="ens37"
DEVICE="ens37"
ONBOOT="yes"
IPADDR=192.168.66.233
PREFIX=24
###GATEWAY=192.168.0.1        #不要配置网关，也就是默认路由
DNS1=114.114.114.114
[root@xieshan network-scripts]# systemctl restart network	#配置好文件后需要重新激活网卡,centos8中激活的命令是ifup ens37
[root@xieshan network-scripts]# service NetworkManager restart
[root@xieshan network-scripts]# ip a
3: ens37:  mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:7b:fb:1c brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.66.233/24 brd 192.168.66.255 scope global noprefixroute ens37
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::20c:29ff:fe7b:fb1c/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

添加多网卡的目的：可以链路聚合，可以冗余，可以连接多个网段，可以更加多的网段通信，还可以做路由器（后面做NAT实验时会用得着）

四.广播与广播域

广播：将广播地址做为目的地址的数据帧

广播域：网络中能接收到同一个广播所有节点的集合

路由器是隔离广播域的，默认情况下，路由器不会转发广播包，路由器一个接口就是一个广播域

五.ARP协议

ARP协议：Address Resolution Protocol 地址解析协议

ARP协议只能在局域网中使用（IP协议在整个互联网中使用）

在网络中充斥这很多arp广播，因为计算机之间需要通信

arp协议可以理解为侦查的功能，它的作用：将一个已知的IP地址解析成MAC地址

arp缓存表： 存放的是我们电脑或者路由器里的某个IP对应的Mac地址，它是存放在内存里的，会动态更新

arp报文：

        1.请求报文 request---》广播，在帧层面目的地址全是F，就是一个广播包

        2.响应报文 response---》单播，在帧层面目的地址跟源地址都是具体的，就是单播包

arp协议的二层封装和三层封装：

        二层（数据链路层）： 源mac是自己的mac 目的mac是ff:ff:ff:ff:ff:ff

        三层（网络层）：源ip是自己的ip 目的ip是对方的ip

arp协议的封装内容：---》电脑和路由器查看

        目的MAC:00:00:00:00:00:00 -->通过arp协议需要得到目的MAC地址，但是暂时不知道，所以先使用0填充

        源MAC:00:0c:29:7b:fb:12（具体的）

        目的IP:192.168.2.199

        源IP：192.168.2.43

帧的封装内容：---》交换机查看，电脑和路由器也会查看

        目的MAC：FF:FF:FF:FF:FF:FF -->表示我需要的目的MAC，广播地址

        源MAC:00:0c:29:7b:fb:12

动态arp记录和静态arp记录有什么区别？

        静态绑定：静态的arp记录优先级会更高（类似于意志会更坚定，不会受到别人的干扰）

        好处：可以防止arp病毒

arp病毒：

        让局域网里的机器找不到正确的网关对应的mac地址（欺骗，让你的arp缓存表里网关的mac地址发生变化，使用它告诉你的新的mac地址）

防范措施：

        安装防火墙，静态绑定正确的网关的mac地址

        抓包工具分析出病毒源

        静态绑定正确的网关的mac地址

IP地址不能和网关冲突，如果冲突会导致其他的电脑会得到冲突的IP的Mac地址，导致不能上网了

一个电脑不要配置两个默认网关（其实就是两条默认路由），会导致走错路，导致上不了网

0.0.0.0 0.0.0.0 代表任意IP地址，任意的子网掩码

查看arp缓存表以及删除缓存表中的记录以及静态绑定

[root@xieshan network-scripts]# arp -a		#查看arp缓存表
? (192.168.2.144) at 60:30:d4:7f:9c:92 [ether] on ens33
? (192.168.2.110) at 62:64:77:32:43:27 [ether] on ens33
? (192.168.2.134) at f8:a2:d6:04:5a:d6 [ether] on ens33
? (192.168.2.199) at  on ens33
gateway (192.168.2.1) at a4:1a:3a:38:8d:29 [ether] on ens33
? (192.168.2.123) at 16:2b:c3:5f:08:d7 [ether] on ens33
? (192.168.2.147) at 00:e0:4c:26:5b:68 [ether] on ens33
[root@xieshan network-scripts]# arp -d 192.168.2.144	#删除arp缓存表里的一条数据，（再次ping这个IP地址会再次获得）
[root@xieshan network-scripts]# arp -a
? (192.168.2.144) at 60:30:d4:7f:9c:92 [ether] on ens33
? (192.168.2.110) at 62:64:77:32:43:27 [ether] on ens33
? (192.168.2.134) at f8:a2:d6:04:5a:d6 [ether] on ens33
? (192.168.2.199) at  on ens33
gateway (192.168.2.1) at a4:1a:3a:38:8d:29 [ether] on ens33
? (192.168.2.123) at 16:2b:c3:5f:08:d7 [ether] on ens33
? (192.168.2.147) at 00:e0:4c:26:5b:68 [ether] on ens33
[root@xieshan network-scripts]# arp -s 192.168.2.110 62:64:77:32:43:27		#绑定arp记录，将某个mac地址绑定到某个ip地址
[root@xieshan network-scripts]# arp -a
? (192.168.2.144) at 60:30:d4:7f:9c:92 [ether] on ens33
? (192.168.2.110) at 02:64:77:32:43:27 [ether] PERM on ens33		#从动态的记录变为静态的arp记录
? (192.168.2.134) at f8:a2:d6:04:5a:d6 [ether] on ens33
? (192.168.2.199) at  on ens33
gateway (192.168.2.1) at a4:1a:3a:38:8d:29 [ether] on ens33
? (192.168.2.123) at 16:2b:c3:5f:08:d7 [ether] on ens33
? (192.168.2.147) at 00:e0:4c:26:5b:68 [ether] on ens33

 如何获得缓存表里所有正在使用的IP地址对应的Mac地址：

[root@xieshan network-scripts]# arp -a|tr -d "()"|grep -v incomplete|awk '{print $2,$4}'
192.168.2.144 60:30:d4:7f:9c:92
192.168.2.110 62:64:77:32:43:27
192.168.2.134 f8:a2:d6:04:5a:d6
192.168.2.1 a4:1a:3a:38:8d:29
192.168.2.123 16:2b:c3:5f:08:d7
192.168.2.147 00:e0:4c:26:5b:68

六.tracepath命令

在Linux中，tracepath 是路由追踪命令，可以知道我们电脑到目的主机，经过哪些路由器，可以知道它们的下一跳地址

[root@xieshan network-scripts]# tracepath www.baidu.com
 1?: [LOCALHOST]                                         pmtu 1500
 1:  gateway                                               1.436ms 
 1:  gateway                                               1.309ms 
 2:  192.168.0.1                                           1.763ms 
 3:  192.168.0.1                                           1.740ms pmtu 1492
 3:  175.0.148.1                                           5.745ms 
 4:  222.247.27.113                                        5.289ms 
 5:  61.187.25.61                                          6.758ms 
 6:  no reply
 7:  no reply
 8:  no reply
 9:  121.14.14.138                                        33.536ms 
10:  14.215.32.106                                        18.267ms 

在Windows中，使用：E:\>tracert www.baidu.com也可以获得同样的效果

tracepath为什么能够获取到下一跳地址？

        tracepath是基于ICMP协议的（收到数据必须要回复对方），它有个TTL，转发数据给路由器。TTL从1开始，每经过一个路由器就减1，当TTL为0时，路由器就不会为它转发数据，但是会给他回一个包，回包的时候，就可以知道那个路由器的IP地址了。当TTL为0之后，下一次传输数据又会给原始TTL加1，这样数据可以比上一次多走一个路由器。tracepath默认是发30个数据包。

七.如何判断IP地址是否和别人冲突了

使用arping命令去ping别人的IP地址，如果一个ip地址对应一个Mac地址，那么这个IP地址就没有冲突，如果一个IP地址对应好几个Mac地址，就可能有冲突

[root@xieshan network-scripts]# arping -I ens33 192.168.2.1		#-I 时指定接口
ARPING 192.168.2.1 from 192.168.2.43 ens33
Unicast reply from 192.168.2.1 [A4:1A:3A:38:8D:29]  1.374ms
Unicast reply from 192.168.2.1 [A4:1A:3A:38:8D:29]  4.153ms
Unicast reply from 192.168.2.1 [A4:1A:3A:38:8D:29]  5.612ms
Unicast reply from 192.168.2.1 [A4:1A:3A:38:8D:29]  1.210ms
Unicast reply from 192.168.2.1 [A4:1A:3A:38:8D:29]  1.262ms