网络（四）网络层协议功能介绍

前言

网络层是OSI参考模型中的第三层，介于传输层和数据链路层之间，下面从IP数据的结构介绍，引入两个重要的协议——ICMP和ARP。

目录

前言

一、IP数据包格式

1. 图示

2. 注释

二、ICMP协议

1. 定义

2. ICMP的基本使用方法

2.1 ping

2.2 tracert

2.3 冲突域

2.4 广播域

三、ARP协议

1. 定义

2. 工作原理

四、总结

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一、IP数据包格式

1. 图示

2. 注释

·版本号（4bit）：指IP协议版本。并且通信双方使用的版本必须一致，目前我们使用的是IPv4，表示为0100十进制是4，将来或使用的IP协议——IPv4和IPv6

·首部长度(4)：IP数据包头部长度，P头部范围：20~60字节

·优先级与服务类型（8） ：区别数据包的优先处理级别

·总长度(16)：整个数据包长度，最长为 65535 字节，包括包头和数据

·标识符（16）：确定数据的分片是否来自于同一个文件

·标志（3）：代表数据过小不需要分片，代表该组最后一个数据包

·段位偏移量（13）：该数据分片离起点的位置坐标。以传输10G数据为例，如果分10个1G传输，在传输过程中，并非按照分片顺序依次组合，需要记录每片段位偏移量，最终与发送端保持一致

·TTL（8）：生命周期，最大值255，如果为0，设备会认为该包为无效包，从而丢弃；二层交换机不会减少TTL，三层交换机会减；一般情况下：ttl>=128是Windows系统，ttl<=64是Linux系统

·协议号（8）：封装的上层（传输层）的协议，ICMP:1、TCP:6、UDP:17、TCP:6。其中ICMP是特殊的测试协议号，检测网络的双向连通性

·首部校验和（16）：这个字段只检验数据报的首部，不包括数据部分。这是因为数据报每经过一次路由器，都要重新计算一下首部校验和（因为，一些字段如生存时间、标志、片偏移等可能发生变化）

·源地址（32）：源ip地址，表示发送端的IP地址

·可选项：根据字段根据实际情况可变长，可以和IP一起使用的选项有多个

二、ICMP协议

1. 定义

ICMP（Internet Control Message Protocol）Internet控制协议。它是TCP/IP协议的议簇的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。采取的是“错误侦测与回馈机制” 是通过IP数据包封装的，用来发送错误的控制信息。目的是用来掌握网络的联通状况。

2. ICMP的基本使用方法

2.1 ping

① 其实是一个小巧而实用的应用程序，该应用基于ICMP协议。ping常用于探测到达目的节点的网络可达性

② ping格式：“ping  【选项】  IP地址”，ping 用来测试网络可达性

③ 部分使用方法

ping --help：显示帮助命令，Linux是man ping

ping -t ip地址：长ping地址，也可以写成ping ip地址 -t，可以ctrl+c停止长ping

ping -l ip地址： 指定包的大小，Windows以1500字节为一个单位，最大能发送65500字节，超过需要分片

ping -w ip 地址：指定等待回复的超时时间，单位是毫秒，默认4000毫秒

ping -n ip 地址：指定ping的次数

批量ping：以检测网段192.168.1.1到192.168.1.255之间的所有的ip地址为例，同时每个IP只ping一次，超时等待回复时间1000毫秒

cmd输入：“for /l %D in (1,1,255) do ping 192.168.1.%D -n 1 -w 1000  && echo 192.168.1.%D up>>D://a.txt  ||  echo 192.168.1.%D down>>D://b.txt”

其中for循环/l表示以增量形式从开始到结束的数字序列，%d整数，初始值为1增量为1，255结束；echo是一个计算机命令，作用显示文字；&&判断是否为真，为真输入到D盘a.txt，否则输入到D盘b.txt

④ 报文重要字段：Type+Code——不同组合可以表示不同功能的ICMP报文

Type	Code	描述
0	0	Echo Reply 回复
3	0	网络不可达
3	1	主机不可达
3	2	协议不可达
3	3	端口不可达
11	0	超时重定向
8	0	Echo Request 请求

长ping百度抓包查看Type和Code值

2.2 tracert

① tracert用来显示到达目的主机的路径，用于跟踪数据包的转发路径，一般用于排障。它能够向目标主机发送 ICMP 请求数据包，不仅测试服务器是否可达，还会输出明确的路由信息。每当数据包到达一个路由跃点时，路由跟踪的生存时间（TTL）值就会减 1。当值为 0 时，路由器/网关就会响应一个 ICMP 回复数据包。

② 用法

2.3 冲突域

① 两台设备同时发送消息时，互相干扰，那他们就处于同一个冲突域。冲突会使以太网致命故障，导致信号冲突，数据损坏、丢失、数据传输慢。

② 解决方法：分割冲突域；修改设备的接口模式为全双工模式

2.4 广播域

一台机器发送广播，能收到消息的机器都是在同一广播域，交换机的所有端口默认在同一个广播域里，路由器的每一个端口都是一个独立的广播域。

三、ARP协议

1. 定义

是根据IP地址获取物理mac地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。可以输入“arp -a”命令查看当前缓存列表。当配置IP地址是，可以检测地址是否有冲突。

2. 工作原理

·以PC1和PC2为例介绍

① PC1想发送数据给PC2，会先检查自己的ARP缓存表。对方IP地址已知。

② 如果发现要查找的MAC地址不在表中，就会发送一个ARP请求广播，用于发现目的MAC地址。 ARP请求消息中包括PC1的IP地址和MAC地址以及PC2的IP地址和目的MAC地址(MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF为广播)

③ 交换机收到广播后做泛洪查询处理，除PC1外所有主机收到ARP请求消息，PC2以单播点对点方式发送ARP应答， 并记录PC1的IP地址和MAC地址的对应关系，而其他主机则丢弃这个ARP请求消息

④ PC1在自己的ARP表中添加PC2的IP地址和MAC地址的对应关系，以单播方式与PC2通信。

四、总结

ICMP 是 TCP/IP 模型中网络层的重要成员，与 IP 协议、ARP 协议、RARP 协议及 IGMP 协议共同构成 TCP/IP 模型中的网络层。ICMP协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息；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。