【计算机网络】网络层

网络层关注的是如何将分组从源端沿着网络路径到达目的端

由此引出一个争议的问题：计算机的可靠传输依靠网络还是端系统？
计算机通信的可靠传输，依靠的是端系统，而不是网络

网络层提供的服务

• 虚电路服务
• 数据报服务

虚电路

预先设定好一条逻辑上的连接（不是真正的物理连接），分组都沿着这条链路传送

数据报服务

当今互联网的主流用法
数据报服务就是把数据包写上地址；但虚电路可以不写地址，因为已经规定好走的电路了。
优点：更加灵活，自动选择路径（如果当前选的路径断了可以自动更换另一条路径）

虚电路与数据报服务比较

虚拟互连网络

中继(relay)系统：网络通信的中间设备
网络互联的设备

• 物理层中继：转发器
• 数据链路层中继：网桥或桥接器
• 网络层中继：路由器
• 网络层以上中继：网关（这是以前的说法，现在常说配IP地址的网关，其实是路由器）
  
  默认网关地址的第四位一般为1（第三位的1表示为网段1，同一个网段的计算机可以互相通信）

网络互联的问题
在设计网络的时候应该能排上用场

虚拟互连网络其实就是现在我们所说的互联网，它相当于一个黑盒子，我们只需要知道服务器的IP地址就可以直接访问，而不需要关心互联网内部是怎么连接的。

IP地址

现在主流的网络层包含四个协议

• IP协议
• 地址解析协议 ARP（包括逆地址解析协议RARP）
• 网络控制报文协议ICMP（报告网络故障）
• 网络组管理协议IGMP

四大协议的关系
IP协议离不开ARP，ARP负责解析MAC地址，ICMP在IP协议基础上报告网络故障

IP层次结构

IPv4比较成熟，但是IP地址在中国已经不够用了。
利用层次化的结构可以将32位的IP地址分为网络ID和主机ID

网络ID其实就是网段，觉得难理解的可以把它当作是电话号码的区号。
主机ID就是辨识在同一网段下不同的主机，主机部分不能全为0，也不能全为1
例如一个C类IP地址（下面会讲解什么是C类），193.7.1.1和193.7.1.255不可用

IP地址分类

A类认为前8位是网络ID，B类认为前16位为网络ID…其余如下图所示（E类基本不出现）

由此可知
A类的地址范围为0~127
B类的地址范围为128~191
C类的地址范围为192~223
D类的地址范围为224~239
E类的地址范围为240~255

但是可用地址有所不同，127是计算机本地的环回地址，相当于人称代词的“我”（可以尝试ping 127.0.0.x，发现是可以通的）

网络类别	最大网络数	第一个可用的网络号	最后一个可用的网络号	每个网络中最大的主机数
A	126(2^7-2)	1	126	16777214
B	16383(2^14-1)	128.1	191.255	65534
C	2097151(2^21-1)	192.0.1	223.255.255	254

特殊地址

127.0.0.1 本地环回地址
169.254.0.0 自动获取IP地址，没获得的情况下，分配的地址
保留的私网地址（互联网上没有的地址）
10.0.0.0
172.16.0.0 — 172.31.0.0
192.168.0.0 — 192.168.255.0

子网掩码

子网掩码的作用是在两个IP地址A和B通信的时候，识别网络号。具体是IP地址和子网掩码进行“与运算”，得到相应的网络号，再用A的子网掩码和B的IP地址进行与运算，如果是同一个网段，则直接通信，如果网段不同，则先把数据发往网关。

子网掩码是根据IP地址的类别，自动填入。网络号的部分为255，主机号的部分为0
例如
一个C类地址192.168.7.1
则子网掩码为255.255.255.0

一个A类地址123.168.7.1
则子网掩码为255.0.0.0

子网划分

作用：充分利用IP地址，精打细算

等分成两个子网
即把主机号划分为两部分
对于一个C类地址，可以根据第8位是0还是1分为A子网和B子网，此时的网络号的位数为8-32，主机号为1-7。
此时子网掩码是255.255.255.128

需要注意的是，主机号不能取全1或者全0
即A子网可以地址为192.168.0.1—192.168.0.126
B子网可以地址为192.168.0.129—192.168.0.254

等分成4个子网

A子网最后8位地址范围1-00111110(1-62)
B子网最后8位地址范围01000001-01111110(65-126)
C子网最后8位地址范围10000001-10111110(129-190)
D子网最后8位地址范围11000001-11111110(193-254)
等分8个子网

点到点的子网掩码是252，因为点到点只用了两个地址，所以子网掩码往后移6位，ID号只剩下00 01 10 11（00和11不能用）

变长子网划分

也就是不是等分子网。例如需要划分四个子网，A子网10个机器，B子网20个机器，C子网50个机器，D子网100个机器

D子网范围129-254
C子网范围65-126
B子网范围33-62
A子网范围17-30

这只是其中一种分配方法，也可以把D子网范围分配在1-126，以此类推。

192.168.201.167/29中/29表示子网掩码的位数是29位，也就是C类子网掩码基础上右移5位，即 11111111 11111111 11111111 1111 1000；192.168.201.167指的是该网段下的一个IP地址

B类子网划分与C类子网划分一致

超网

与子网划分的概念相反，即网段的计算机数量大于网段承受的容量，该怎么处理？

假设有400台计算机，此时用一个C类网络已经不够用了，需要用到两个C类网络，但是如何让处于不同网段的计算机通信呢，是解决超网问题的关键

如果把192.168.0.0和192.168.1.0这两个C类网络合并，那子网掩码就不能用255.255.255.0，而是需要把子网掩码往左移动1位（子网划分是向右移动）

此时，192.168.1.0的网段变成了0网段（因为把主机位都归0，就是192.168.0.0）

合并网络规律

192.168.2.0和192.168.3.0合并为2网段。

192.168.0.0
192.168.1.0
192.168.2.0
192.168.3.0
这四个也可以合并，但子网掩码需要左移两位

那192.168.1.0和192.168.2.0合并呢？
那也只能是子网掩码左移两位，这样合并就变大了，由此可得出合并网络也是存在一定规律的

快速判断合并网络的方法

例如192.168.117.0和192.168.118.0能否合并？

可以分别将117和118除以4，取余数。原理是0 1 2 3为二进制的00 01 10 11，4个二进制数为一个循环周期，故除以4.

IP地址与MAC地址

IP地址决定数据包最终到达哪个计算机
MAC地址决定下一跳给谁（谁指代的路由或网关或计算机）
路由器是根据MAC地址转发数据

由此可知，如果是基于MAC地址的控制代理服务器，只能是控制本网段计算机能否上网，跨网段，识别不出MAC地址。跨网段只能是通过IP地址识别

ARP协议

负责把IP地址解析成MAC地址

同一个网段下，两台计算机ping，源计算机会通过路由器广播找寻目标计算机的MAC地址，目标计算机检测到消息后，会应答源计算机，源计算机会把目标计算机的MAC地址记录下来，数据传输的时候，就往该MAC地址传输。

因此，也出现了ARP欺骗

ARP欺骗的应用

P2P终结者配合ARP欺骗来实现，控制同一网段下别的计算机上网带宽。

假设互联网的MAC地址为M2，使用P2P终结者的MAC地址为M1，M1就可以欺骗其他计算机，让他们误以为互联网的地址为M1，这样其他计算机发到互联网的数据包都要经过M1。

ARP防火墙能防止这种欺骗的出现，其原理是记录下路由器第一次告诉我的互联网MAC地址，然后把功能写死，只把数据包往这个地址发送，之后谁告诉我互联网MAC地址是多少，我都不理会。

鉴别ARP欺骗
前提：

• 你的计算机上不了网
• 同网段下的计算机可以上网
• 你可以ping通同网段下的其他计算机
  用arp -a查看ping 网关的物理地址（MAC地址），是否与其他同网段下的计算机ping网关的物理地址一致

用arp -s 物理地址修改成正确的网关物理地址

逆向ARP
把物理地址转换成IP地址，即计算机请求IP地址的过程（该部分讲的比较简略）

数据包

数据包首部

版本(4bit)：指定IP协议版本 IPv4或IPv6
首部长度(4bit)：表示首部的长度（固定部分+可变部分），最大为60字节（一行为32位，4字节）
区分服务QoS(8bit)：区分数据的优先级，配置需要和路由器一致才起作用
总长度(16bit)：表示首部+数据部分的长度
标识(16bit)：计数器，每产生一个数据包，计数+1
标志(3bit)：表示包需不需要分片操作

• 当包过大，超出可传输的大小，就需要分片操作，分片的包需要分别加上目的地址

片偏移(13bit)：确定某片在原分组的相对位置

生存时间(8bit)：TTL 每过一个路由器，TTL数值-1

如果是128表示为window系统，64为Linux系统，如果是127,表示两个地址中间隔了一个路由器

ping [IP地址] -i 5 // 如果该IP地址至多过5个路由器，则能ping通，ping不通返回超时

协议(8bit)：标记协议是什么（ICMP、IGMP、TCP、UDP等）
首部校验和：验证数据包首部
运算求和，取反码

可选字段的长度可变，从1个字节到40个字节不等，虽然增加了功能，但也增加路由器处理数据报的开销，实际上这些选项很少被使用

路由

数据路由：路由器在不同网段转发数据包
网络畅通的条件：数据包只有从源地址到达目的地址，再回到源地址，网络才能通（能去能回）

对于跨路由器的网络而言：

• 沿途的路由器必须知道目标网络下一跳给哪个接口
• 沿途的路由器必须知道源网络下一跳给哪个接口

举例说明网络畅通条件
PC0 ping 红框1能通，因为router0能监测出1所在网段，所以数据包能到达1，还能返回给PC0 ping 红框2不能通，虽然红框2和红框1在同一个网段，但是router1不知道PC0在哪个网段，所以数据包返回不了。

但是router1可以通过添加静态路由，使数据包能够回传到PC0

route add 192.168.0.0 mask 255.255.255.0 172.16.0.1（最后这个表示把数据返回到红框1）
route print

默认路由
Windows系统网关就是默认路由
当计算机有两个网卡的时候（一个接外网，一个接内网），不可设置两个网关。如果设置两个网关，当网址访问你的计算机的时候就会出现，数据包丢了一半的包，或者呈现出一通一断的现象，那是因为网址发包到计算机，因为计算机有两个网关，计算机返回给网址的路径就有两条（内网那条不通），所以只能接收一半的数据包。

解决办法是把内网IP地址添加到路由表上（应该是相当于去掉网关，直连地址）

ICMP协议

组播，又称为多播。IGMP是管理组播成员的
为了提高IP数据包交付成功的机会，主要功能还有探测网络是否出故障

ICMP报文类型
分为两种，差错报告报文和询问报文
差错报告报文有五种：终点不可达、源点抑制、时间超过，参数问题，改变路由（重定向）

询问报文有两种：回送请求和回答报文、时间戳请求和回答报文

pathping能够监测是哪个路由不通，可用于网络排错

RIP动态路由协议

• 最早的动态路由协议
• 周期性广播更新路由表
• 动态选择最佳路径（跳数最少），但是如果带宽不一样，跳数少的不一定是最好的。

OSPF协议

开放式最短路径协议(Open Shorttest Path First)，属于动态路由协议，适用于网络规模比较大的场景

• 根据带宽选择最短路径
• 支持多区域
• 触发式更新（路由器断掉或者添加网段后才更新路由表）
• 维护三个表，邻居表(hello 包)，链路状态表，计算路由表
• 配置反子网掩码（0变1，1变1，如果子网掩码是255.255.0.0，需要配置为0.0.255.255）
  其余特点
  

BGP协议

外部网关协议

• 不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议（比如RIP和OSPF分别管理的系统之间通信）

VPN

最简单的例子，VPN技术能让你在家能访问学校的内网

相当于在不安全的互联网，通过一些附加手段，传输专有信息

如果用VPN连接着内网，但是想访问互联网时，不要勾选红框，不然传输路线是先连接到内网再访问互联网，而不是直接访问互联网

NAT

网络地址转换技术

应用例子：学校内网利用NAT替换地址，与互联网实现互传。

端口号在传输层才会提及

虚拟机网络设置

虚拟机网络编辑器中，一个VMnet相当于一个vlan
如果虚拟机在VMnet8，那如果要访问物理机，需要访问VMnet8那个地址（从物理机的网络连接中查看该地址）

如果没出现相应的网卡，则在虚拟机网络编辑器中勾选下面红框