【计算机网络】网络层-数据平面（学习笔记）
一、网络层提供的服务
1、虚电路服务
通讯前建立虚电路，发送前认为选择路径，所以分组沿着同一条虚电路。
特点：带宽固定
2、数据报服务
数据可能沿着不同路径传输
3、网络层的两个层面
数据层面：源主机到目标主机
控制层面：路由器之前传递路由信息
同一网段：直接交付
非同一网段：间接交付
路由器基本功能：不同网段数据的转发
4、互联网络与虚拟互联网络
二、IP协议
1、IP地址
1）IP地址概述
每一类地址都由两个固定长度的字段组成其中一个字段是网络号 net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络，而另个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）。
IP地址：网络号+主机号
32位（4字节）
点分十进制：每8个字节二进制转换成10进制，用.分隔
2）IP地址的分类
以ip地址第一位区分
- A类：1-126：默认255.0.0.0
- B类：128-191：默认255.255.0.0
- C类：192-223：默认255.255.255.0
- D类：224-239：多播/组播（一个地址代表一组）
- E类：240-254：科研保留
127.0.0.1：回环地址localhost
xxx.xxx.0.0：本网络（网段）
xxx.xxx.255.255：广播地址
192.0.0.0、128.0.0.0：未指派
3）IP地址的特点
IP地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口
当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机。
由于一个路由器至少应当连接到两个网络，这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络。因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址
用转发器、网桥或交换机连接起来的局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号net-id（内网转发）
所有分配到网络号net-id的网络，无论范围大小都是平等的
2、ARP地址解析协议
1）ARP概要
不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用MAC地址
每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存（ARP cache），里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表
查看arp缓存：cmd =>
arp -a
ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题
2）ARP过程
3）RARP逆地址解析协议
逆地址解析协议 RARP ：通过MAC地址获得IP地址
3、IP数据报格式
1）版本：4
区分ipv4和ipv6
0100（ipv4包头）
0110（ipv6包头）
2）首部长度：4
IP包头的长度是可变的：20~60字节，大多为20字节
首部长度存储ip包头的长度，0101（20字节）
首部长度以4字节为单位
首部长度 * 4字节 = 首部真实长度
3）区分服务：8
1-3位：优先级
4-7位：服务类型（低延迟、高通道服务类型）
8位：未被启用
4）总长度：16
表明整个IP包（三四五层）的总长度
5）标识：16
标识同一个报文的所有分片，由发送端随机生成
标识用于区分不同分片，接收方据此将收到的分片进行"拼接"
6）标志：3
第一个比特
永远为0（未被启用）
第二个比特 DF
不能分片：Donot Fragment
若为0，则表明进行了分片
若为1，则表明未进行分片
第三个比特 MF
更多分片：More Fragment
表明本分片后面是否还有分片（本分片是否为最后一个分片）
1：本分片不是最后一个分片
0：最后一个分片
7）片偏移：13
段偏移量：标志IP分片的先后顺序
片偏移以8字节为单位
片偏移 * 8字节 = 片的真实偏移
防火墙会拦截IP分片：防火墙只让标志位的010通过，则将分片任务交给应用层，应用层将其分成1480的分片
8）TTL：8
TTL（time to live）：防止一个数据包在网络上兜圈子
TTL由8个比特组成（0~255），这个数字表示通过路由器的个数，每经过一个路由器TTL值-1
通过TTL初始值可以大概判断对方是什么主机
9）协议：8
6：通向TCP协议
17：通向UDP协议
1： 通向同层的ICMP协议
41：IPv6
10）首部校验和：16
11）原ip：32
12）目标ip：32
13）可选项目
排错、测量、安全…
增加首部的可变部分是为了增加IP数据报的功能，但这同时也使得IP数据报的首部长度成为可变的，这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。
4、划分子网
1）划分子网概述
目的： 隔离网络广播，保证网络的安全，节约IP地址
特点：对内划分子网，对外表现为没有划分子网的网络
IP地址：网络号 + 子网号 + 主机号
2）子网掩码
IP地址无法判断子网号 => 用子网掩码找出IP地址中的子网部分 => 用于（交换机、路由器）判断是否在同一网段
IP地址 AND（按位与） 子网掩码 = 网络地址（网段）
子网掩码两种写法：
- 点分十进制：192.168.0.1/255.255.255.0
- 网络位长度：192.168.0.1/24
- 子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性
- 路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器
- 路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码
3）路由聚合
**路由汇聚：**是把一组路由汇聚为一个单个的路由广播。路由汇聚的最终结果和最明显的好处是缩小网络上的路由表的尺寸。
192.128.0.0/25 192.168.2.1
192.128.0.128/25 192.168.2.1
=>192.168.0.0/24 192.168.2.1
5、ICMP
1）ICMP概述
网际控制报文协议：ICMP (Internet Control Message Protocol)
ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告
ICMP是IP层的协议。但ICMP报文作位IP层数据报的数据，加上IP包头组成IP数据报发送
2）ping命令
PING (Packet Internet Grope)：因特网包探索器
用于测试网络连接量的程序。Ping发送1个ICMP回声请求消息，给目的地并报告是否收到所希望的ICMP回声应答
cmd / term =>
ping 域名/ip地址
