计算机网络03 - 网络层

目录

1. IPv4 地址
2. 全局地址和私有地址
3. IP报文分片与重组
4. IPv6
5. IPv4首部
6. IPv6首部
7. DNS
8. ARP
9. ICMP
10. DHCP
11. NAT
12. IP隧道
13. 路由控制

1. IPv4 地址

• 描述：在连接到网络的所有主机中识别出进行通信的主机的目标地址，具有32 bit，由网络地址和主机标识组成，不同网段的网络地址不允许重复，同网段内的主机标识不允许重复，由子网掩码确定标识网络地址的比特位数，如192.168.1.10 /24组成如下：

192	168	1	10	/24
11000000	10101000	00000001	00001010	255.255.255.0

• A类地址：网络地址为前8 bit，第1 bit为0，地址范围为0.---.---.--- ~ 127.---.---.---

0	7 bit	8 bit	8 bit	8 bit

• B类地址：网络地址为前16 bit，前2 bit为10，地址范围为128.0.---.--- ~ 191.255.---.---

1	0	6 bit	8 bit	8 bit	8 bit

• C类地址：网络地址为前24位，前2 bit为110，地址范围为192.0.0.--- ~ 223.255.255.---

1	1	0	5 bit	8 bit	8 bit	8 bit

• D类地址：网络地址为前32 bit，前3 bit为1110，地址范围为224.0.0.0 ~ 239.255.255.255

1	1	1	0	4 bit	8 bit	8 bit	8 bit

• 广播地址：用于在同一数据链路中相互连接的主机间发送数据，将IP地址中的主机地址全部设为1即为广播地址，广播分为本地广播和直接广播，本地广播指的是向同网段内的主机进行广播，会被路由器屏蔽，直接广播指的是向不同网段内的主机进行广播
• IP多播：用于将数据发送给特定组内的主机，使用D类地址进行多播，前四位为1110，后28位为多播的组编号

2. 全局地址和私有地址

• 私有地址：A类 10.0.0.0-10.255.255.255 网络数：1
       B类 172.16.0.0-172.31.255.255 网络数：16
       C类 192.168.0.0-192.168.255.255 网络数：255
• NAT技术：将私有IP与全局IP进行互换

3. IP报文分片与重组

• 描述：根据不同数据链路的MTU（最大数据大小）不同对IP报文进行分片，并在目标主机进行重组，路由器只进行分片而不进行重组
• IP报文分片：按照MTU大小对UDP或TCP爆粉进行分割，并在IP首部中设置片偏移字段，用于表示分片后IP报文的数据在UDP或TCP报文数据中的相对位置和该分片之后是否还有后续其他分片
• IP报文重组：根据IP首部中的片偏移字段，对数据进行重组操作
• 路径MTU：指从发送端到接收端之间不需要分片时最大的MTU大小，即路径中所有数据链路的最小MTU，这样只需要在发送端进行分片，路由器就可以不用参与分片

4. IPv6

• 描述：为了根本解决IPv4地址耗尽的问题而提出的标准化网络协议，长度为IPv4的4倍（128 bit），一般写成8个16 bit
• 全局单播地址：前64 bit为网络地址，网络地址由48 bit全局路由前缀和16 bit子网ID组成，后64 bit为接口ID，用作主机地址

48 bit	16 bit	64 bit
全局路由前缀	子网ID	接口ID（主机地址）

• 链路本地单播地址：前10位为1111 1110 10，后面54位为0，最后64为接口ID，用作主机地址

10 bit	54 bit	64 bit
1111 1110 10	0	接口ID（主机地址）

• 唯一本地地址：前8位为1111 1101，后面40位为全局ID，随即决定，

7 bit	1 bit	40 bit	16 bit	64 bit
1111 110	通常为1	随机决定	子网ID	接口ID（主机地址）

• 分片：只在发送端进行，最小MTU为1280字节

5. IPv4首部

IPv4首部

• 版本：4 bit，表示标识IP首部的版本号，IPv4的版本号为4，就位0100
• 首部长度：4 bit，标本IP首部的大小，单位为4字节，对于没有可选项的IP包，首部长度为5，即为4*5=20字节
• 区分服务：8 bit，用来进行质量控制
• 总长度：16 bit，表示IP首部与数据合起来的总字节数
• 标识：16 bit，用于分片重组，同一个包分片后的标识相同
• 标志：3 bit，表示包被分片的相关信息

1 bit	1 bit	1 bit
0（固定为0）	表示是否可以分片（0-可以分片，1-不能分片）	表示是否为最后一个包（0-最后一个包，1-中间的包）

• 片偏移：13 bit，用来标识被分片的片段相对于原始数据的位置，单位为8字节
• 生存时间：8 bit，指可以中转多少个路由器，每经过一个路由器TTL减1，直到变成0丢弃
• 协议：8 bit，表示IP首部的下一个首部属于哪个协议
• 首部校验和： 16 bit，用于校验IP首部
• 源地址：32 bit，发送端IP地址
• 目的地址：32 bit，接收端IP地址
• 可选项：长度可变，用于进行实验或诊断
• 填充：在有可选项的情况下，用于将IP首都填充至32的整数倍
• 数据：保存IP上层的数据

6. IPv6首部

IPv6首部

7. DNS

• 描述：管理域名和IP地址之间对应关系的系统
• 域名服务器：管理域名的主机和相应软件
• 解析器：进行DNS查询的主机和软件，比如用户的主机

8. ARP

• 描述：以目标地址为线索，来定位下一个应该接受数据分包的网络设备对应的MAC地址，即通过IP地址查询MAC地址，用以在数据链路层进行数据传输
• ARP请求：包含目标主机的IP地址、发送端IP地址和发送端MAC地址，通过广播的形式发送给本数据链路中的所有主机
• ARP响应：包含目标主机的MAC地址
• RARP：从MAC地址定位IP地址的协议，通过RARP服务器实现

9. ICMP：

• 描述：主要功能包括确认IP包是否成功送达目标地址、通知在发送过程中IP包被丢弃的具体原因，以及改善网络设置等，ICMP消息主要分为错误消息和查询消息两类
• 目标不可达消息：IP路由器无法将IP数据包发送给目标地址时，会给发送端返回一个目标不可达的ICMP消息
• 重定向消息：路由器发现发送端主机使用了次优的路径发送数据，就会返回一个ICMP重定向消息，消息中包含了最适合的路由信息和源数据
• 超时消息：当IP包中的TTL字段变为0时，路由器会返回一个ICMP超时消息

10. DHCP：自动设置IP地址、统一管理IP地址分配

• DHCP客户端通过广播发送DHCP发现包，要求设置IP地址和子网掩码
• DHCP服务器返回一个DHCP提供包，提供可以使用的网络设置
• DHCP客户端通过广播发送DHCP请求包，通知想要使用DHCP提供包中的设置
• DHP服务器再次返回一个DHCP提供包，通知允许使用前一个DHCP提供包中的设置

11. NAT

• 描述：用于本地网络中的私有地址到连接互联网时的全局IP地址的转换技术

12. IP隧道

• 描述：在网络层的首部后面继续追加网络层的首部的通信方法，用于在不同的网络中的传送数据，比如在IPv6数据包后面追加IPv4首部，以便在IPv4网络中传送IPv6数据包

13. 路由控制

• 描述：IP数据包通过路由器的存储转发功能，从而最终到达目标地址。所有主机都维护着一张路由控制表，该表记录了IP数据包在下一步应该发往的路由器
• 路由控制表：记录网络地址与下一步应该发送到的路由器的地址
        静态路由 — 管理员设置好的并将路由信息固定的方法
        动态路由 — 由路由协议在运行过程中自动地设置路由控制信息
• 默认路由：与路由控制表中无匹配项的被转发至默认路由
• 环回地址：127.0.0.1作为环回地址，被用于本机上的程序之间进行通信的地址，数据不会流向网络