TCP/IP 详解网络层
你所不知道的网络层
| 上文《TCP/IP传输层，你懂多少》 http://java-mzd.iteye.com/blog/1007577中，我们介绍了“传输层是如何为数据提供端对端的服务的”. 可是，数据包又是怎样从你的电脑出发，历经网络世界的艰辛，到达对方电脑的呢？在网络的世界当中，你的数据包又会遇到些什么问题？它们又是怎么解决的你？要回答这个问题，我们就必须研究TCP/IP协议栈中的Internet层（和数据链路层了）。 |
同以往一样，给出我自己认为会遇到的15个问题，并且列出来，如果大家能熟练的回答，请您绕道。
- 网络层的作用？
- 网络层有哪些协议？
- IP数据包的格式？
- IP数据包传输的过程？
- 为什么需要ARP协议？
- ARP协议通信过程是怎么样的？（ARP协议如何控制网络？）
- 数据包的最大值？（分片的地方？分片重组的地方？分片的原则？）
- 数据包在局域网内怎么从一台主机传送到另外一台主机？
- 数据怎么实现跨网段传输？（路由如何实现跨网段传输？）
- 什么是默认网关？
- 代理ARP的作用？
- 数据跨网段传输时在路由器中的具体情形？（所谓的穿过路由是指什么？）
- 数据包路由的过程？
- 为什么需要ICMP协议？（ICMP协议差错控制与TCP差错控制对比）
- 什么是ICMP协议？
- ICMP协议有哪些数据包？（Ping程序的实现？trancerouter程序的实现？）
一。网络层的作用：
TCP/IP协议栈的Internet层主要负责处理主机到主机的通信，决定数据包如何交付：是交给网关(路由器)还是交给本地端口。
二。网络层的协议及作用：
网际协议IP：用来路由
网际控制报文协议 ICMP：给IP层提供一定的可靠性
地址解析协议ARP：
反向地址解析协议RARP
三。IP数据包格式：
| 版本（4） |
头长度（4） |
服务类型（8） |
总长度（16） |
| 标识（16） |
标志（3） |
段位移（13） |
|
| 生存期（8） |
协议（8） |
头校验和（16） |
|
| 源IP地址（32） |
|||
| 目的IP地址（32） |
|||
| IP选项（0或者32） |
|||
| 数据 |
四。数据包传输的过程
首先，传输层将封装好的数据交给Internet层，Internet层收到数据后，将数据封装成一个IP数据包。
| 注意协议之间的底层无关性：Internet层封装上层数据包时，不关心不管上层传给他的是UDP数据包还是TCP数据包，都将上层传来的数据封装为IP数据包。同样，传输层在封装用户信息流时也是同样的不关心上层数据的内容。 |
五。为什么需要ARP协议？
IP数据包要想继续向下发送，就必须转化为在物理设备上传输的数据帧。
在物理设备上传输数据时，数据包首先是被网卡接收，如果网卡接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃，如果相符，再交由上层协议处理的。而在我们的网络通信中，源主机的应用程序知道目的程序的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址，因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起到这个作用。
六。ARP协议通信过程？
每台机器上都维护着一个ARP缓存表，保存着IP地址到MAC地址的映射
| 注意：缓存表中的记录有过期时间T，如果T时间内没有再次使用某条记录，则该记录失效，下次使用时，还要再次发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。 作用：因为我们的机器需要和大量机器通信，如果没有过期机制的话，显然将会产生巨大的记录量，降低效率。 |
主机A要和主机B（192.168.0.1）通信，则先查询主机A中的ARP缓存表，看是否有该记录，如果有，则取出对应MAC地址。
如果缓存中没有该记录，主机A发出ARP请求，询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个ARP请求广播到本地网段（本地网段的任何一个主机都可能是接受者，所以用广播, 广播的目的MAC地址为:FF:FF:FF:FF:FF:FF）主机B收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址（192.168.0.1）与本机相符，发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中,主机A接收ARP应答，提取MAC地址，并且将IP和MAC映射存入ARP缓存。
对于其他主机，虽然这个ARP请求可能与它无关，但ARP协议软件也会把其中的源MAC地址与源IP地址的映射记录下来，这样做能够有效的减少ARP请求在局域网的发送次数。
ARP欺骗的原理：
| 通过以上的知识，我们可以知道，主机A要和主机B通信，必须请求得到主机B的MAC地址，而MAC地址，又是通过ARP请求来得到的。又，根据ARP请求的广播机制，与非接收主机也会讲收到的ARP请求存入自己的ARP缓存。那么，我们可以自己发送一个ARP请求，将默认网关的IP作为发送IP，自己的MAC地址作为发送的MAC地址，随便请求一个IP地址的MAC地址。这样，网络中的所有计算机都会更新到默认网关的ARP缓存，而将默认网关IP对于的MAC地址改为我们网卡的MAC地址。从而，发送给默认网关的IP数据帧都会发送给我们自己的主机，我们监视完IP数据包后，再将IP数据包转发出去，即可通过ARP欺骗来完成对网络的监控。同样。当我们只进行ARP欺骗，而不进行转发的时候，则整个网络(内网)都将瘫痪。 |
| 当然，这些都只是雕虫小计，装了ARP防火墙的机器，你就不能监控了，要实现监控，最好的方式，还是把你的机器，作为内网的默认网关，所有通往外网的机器都通过你的主机。这样比较合适。 |
七。数据包的最大值：
就像前面我们说的，IP数据包要想继续向下发送，就必须转化为在物理设备上传输的数据帧。对于网络硬件来说，能传输的物理帧的大小是有物理上限的。这个上限值就是最大传输单元MTU。{令牌环网4500字节，以太网1500字节}。当数据包的比MTU大的时候，数据包是无法封装成帧在网络上传输的，当数据包比MTU小的时候，显然又会浪费网络带宽。
因此，IP数据包最理想的大小应该是相连网络的MTU相符。又因为 ，不同的网络MTU可能不同，当数据包需要经过较小MTU的网络时，我们需要将大数据包划分成更小的数据包（分片），以确保他们能通过无力处理大IP数据包的网络。
| 分片发生的位置：相连MTU网络间的路由 分片重组的位置：目标主机 分片发生在IP层，通过IP数据报报头中的“标志”和“段位移”来标识 (标识由) 分片后，形成的还是IP数据包，在路由中的处理方式与其他IP数据包一样 |
分片示意图：
原始数据包：
| IP报头 |
数据1480字节 |
分片以后数据包
| IP报头 |
数据600字节 |
段位移0
| IP报头 |
数据600字节 |
段位移600
| IP报头 |
数据280字节 |
分片的优点：可以让数据包穿过MTU多变的网络。
缺点：分片后形成的多个IP数据包，每个都单独路由，又因为重组发送在目标主机，且又一个分片丢失，则整个原始IP数据包丢失，增大丢包风险。
| 说了这么多，我们还是只是不知道，数据怎么从一台主机到另外一台主机，接下来，我们一一分解，先从局域网开始。 |
八。数据在局域网中是如何传播的？
我们知道，在局域网中，无论是按何种拓扑结构组网，还是按何种方式来处理介质访问权限，任何两个节点之间都存在实际的线路链接。
因此，我们通过ARP协议，得到目标主机的MAC地址后，在数据链路层将IP数据包封装为数据帧，将数据帧发送到本地网段上，即可将数据帧成功的交给目标主机（目标主机网卡收到数据帧后，判断MAC地址是否为本网卡MAC地址）。
| 当你要和很多很多主机通信时，你不可能保证他们都和你在同一网段内 那么不在一个局域网的数据之间，又是如何通信的呢？ |
九。数据是怎么样实现跨网段传输的？
这就需要路由器通过IP协议来完成此工作了。
下面我们通过一个实际的例子来看：主机A：192.168.1.1 需要和主机B:172.16.1.1通信。
两个主机并不在同一个局域网，并没有实际的物理线路将他们链接起来。
这个时候，我们在两个网段之间增加一个中转点（路由器），路由器上插有多个网卡,可以同时通过网卡E0接入局域网1 （192.168.1.0/24），同时通过网卡E2接入局域网2（172.168.1.0/24）。这样，局域网1中的机器A（192.168.1.1）要和局域网2中的机器B（172.16.1.1）通信。A将数据将数据包发送到本网段，路由器的E1口接收数据包，再将其通过E2口发送到网段B，主机B即可成功接收来自主机A的信息了。即可实现数据的跨网段传输。
| 大家发现问题了嘛？ 没错，我们前面说了“网卡接收数据包后，首先判断MAC地址是不是本机地址，如果不是，则丢弃。” 而且我们说了“ARP请求是发送广播”，而大家都知道，为了防止广播风暴，路由器是不转发广播的。 那么，这个时候，即使A能有办法获得B的MAC地址，路由器的E1口上的网卡，MAC地址也不是B的MAC地址，这个时候，我们该怎么办呢？ |
十。什么是默认网关？
默认网关是TCP/IP中的一个配置参数，它是处于本地网络上的某个路由器的接口的IP地址。
在有默认网关的情况下，目的地为非本网段的数据包，源主机都发送给默认网关，由默认网关将数据包正确的发送给目标主机。
在上图中，网络192.168.1.0/24的默认网关为192.168.1.254，目的地为非本地网段的数据包，都发送给这个IP对应的Router，再由该Router转发给目的主机。
十一：什么是代理ARP?
在没有默认网关的情况下，我们也可以使用代理ARP技术来实现让路由器完成数据的跨网段传输功能。
如果我们将网络中所有主机的目的地都设为本地网络，那么当有要发送给外网IP的数据包时，源主机依然会认为目的地为本网段，而使用目的IP发出ARP请求。这个时候，对于目的IP不是本网段的ARP请求，连接在本网段的路由器使用自己的MAC地址回复这个ARP请求。于是主机A将数据发到本地网段，连在本地网络的路由器接收数据，路由器再将数据转发到正确的目的地。（其实运行代理ARP的路由器就相当于默认网关）
代理ARP的优点：简化了主机的管理（不用再每个主机都单独配置默认网关了）
缺点：因为针对每个局域网，外网IP都是很多的，所以：
1.在路由器上需要保存一个很大的ARP缓存。
2.每个外网IP都需要发送ARP请求，增大了内网的通信。
在上图中，当没有设置默认网关的时候，主机A发送给主机B的数据包，主机A发送ARP请求后，由连接E1口的Router 用自己E1口的MAC地址回复该ARP请求 。
| 路由器在E1口接到数据包后，怎么样通过E2口发到主机B所在的网段上去？ |
十二.路由器中数据跨网段传输的具体情形？
每个路由器中都存有一张路由表，记录着目标网段和对应的网卡出口的映射。
在上面的例子中，路由器的E1口收到数据包，根据数据包取出对应的目的网段的地址172.16.1.1，然后路由器查找路由表，根据IP地址，找到通过E2口可以达到目标网络。于是，路由将数据包从E1口读入，穿过路由器，从E2口写出。
| 所谓的穿过路由器，应该是指：两个网卡上都分别运行着TCP/IP协议，穿过路由，即从路由的内存中，将数据从网卡1的IP程序拷贝到网卡2的IP程序。 |
| 至此，关于路由中的部分，我们就几乎讲完了，我们再来总结下： 【路由器都有哪些功能？】 1.交换和转发功能：将数据从路由器的进入接口，穿过路由器，送到输出接口。 （将一个数据包从一个网段，发送到另外一个网段。） 2.路由功能：即寻址，通过IP数据包决定正确的下一跳路径 （通过哪个网卡写出。）
【路由器实现跨网段传输的基础？】 1.硬件基础：有多个网卡，同时在多个网段上，同时属于多个局域网。 2.软件基础：代理ARP（主机将目的地址都配置为本网段，路由器代理回应ARP请求） |
| 在实际中的很多情况下，两个局域网之间可能不仅仅隔了一个网段，同理，我们可以在多个网段之间，通过多个路由器而使彼此连接起来。其实路由器就是将世界各地的各个局域网都连接起来，得到了我们现在的互联网。 |
十三：路由过程：
1.主机A的传输层将数据交给网络层，网络层加上双方IP地址，TTL等IP报头信息，成为IP数据包，网络层将IP数据报交给数据链路层。
2.数据链路层根据IP地址，通过ARP得到MAC，封装为物理帧，通过网卡发出。
3.主机B接收物理帧，根据MAC地址判断：如果目的MAC地址不是本网卡MAC地址，则丢弃；如果是发给自己的，则交给网络层处理。
4.网络层通过IP地址判断：如果是发给自己的，则交给上层协议处理；如果不是发给自己的，则在路由表中查找此IP合理的下一跳地址（即通过哪个网卡发送到下一个网段），并将数据通过内存，从接收数据网卡的IP程序拷贝到需要发送数据网卡的IP程序。在发送网卡中，IP程序将数据包交给链路层，链路层发送ARP请求，得到下一跳的目的MAC地址，封装为帧，发送。
如此反复，直到IP数据包到达最终正确的接收主机。
好了，关于ARP和IP都讲了挺多了，可是，为什么有ICMP协议呢？这个协议是干嘛的呢？
十四。为什么需要ICMP？
因为IP协议不提供可靠性且不能保证信息传递，因此发生问题时，通知发送人是很重要的。（IP协议是一种不可靠的协议，无法进行差错控制。但IP协议可以借助其他协议来实现这一功能，如ICMP）
十五。什么是ICMP？
ICMP： Internet Control Message Protocol 即Internet消息控制协议。
ICMP定义了一套差错报文和控制报文，用于用户主机与路由之间交换不可到达地址、网络拥塞、重定向到更好的路径、报文生命周期超时等信息。
ICMP协议是一种提供（有关阻止数据包传递的）网络故障问题反馈信息的机制。（针对阻止数据包传递或者网络故障。）它让TCP等上层协议能够意识到数据包没有送达目的地。
| 关于ICMP与TCP的差错控制对比？ 比如主机A到主机B的通信，中间Router r1 到Router r2 的网络连接断了。 通过ICMP，则可以快速诊断出出错原因，并且报告主机。（差错诊断） TCP的差错控制，主要是体现在，网络断了，收不到确认回复，TCP会一直再次发送数据包，直到收到确认回复。（差错处理） |
ICMP提供一组易懂的出错报告信息。发送的出错报文返回到发送原数据的设备，因为只有发送设备才是出错报文的逻辑接受者。发送设备随后可根据ICMP报文确定发生错误的类型，确定如何才能更好地重发失败的数据报。但是ICMP唯一的功能是报告问题而不是纠正错误，纠正错误的任务由发送方完成。
十六。ICMP协议有哪些数据包？
一个ICMP数据包实际上就是一个（数据部分为ICMP协议数据的）IP数据包。
| IP头 |
ICMP头
|
ICMP数据 |
如前所述，ICMP主要分为差错报文和控制报文。
差错报文包括：目标不可到达（网络、协议、主机、端口不可到达；禁止分割、目标网络不认识、目标主机不认识等等）、超时、参数问题、重定向（网络重定向、主机重定向等）等等
控制报文包括：请求回显（ping请求）、回显应答（ping应答）、地址掩码请求、地址掩码应答等等
如上，我们可以发现，同一类型的错误（不可到达）可能有不同种类（网络不可到达、主机不可到达），因此，我们使用type来code两个标志来确定一个具体的错误。
因为需要指出具体是哪个主机上的哪个程序发出的信息没有到达。
因此，每一个ICMP的错误消息，应该包含：
1.具体的错误类型（Type/code 决定）
2.引发ICMP错误消息的数据包的完全IP包头（哪个主机的数据）
3.数据报的前8个字节----UDP报头或者TCP中的port部分(主机上的哪个程序)
因此，ICMP错误消息的格式应该为如下：
| Type(8) |
Code(8) |
Checksum(16) |
| Unused(32) |
||
| Internet Header +64 Bits of Original Data Datagram |
| Type |
Code |
Checksum |
| Identifier |
Sequence Number |
|
| Data |
当主机A需要知道和主机B通信的状况(信息传递延时、丢包率)时，我们该怎么办呢？
| 我们可以参考声纳和雷达的原理：主机A发送一个ICMP回显请求（type=8,code=0）报文,数据域中存放当前时间T1，目的IP为主机B。主机B收到该ICMP回显请求报文后，将目的IP和源IP调换位置，其他信息都不变（Indentifier，Sequence Number）,回复一个ICMP回显应答（type=0,code=0）。主机A收到改ICMP回显应答的时间为T2。则，到主机B的通信时间为：T2-T1。 又因为，要考虑丢包，所以我们向主机B发送多个回显请求，用Sequence Number来区分各个请求，根据Sequence Number，即可知道应答对应的请求数据包。
Ping命令就是这样的一个实现，其实我们在命令行下输入ping ip命令时，就是调用Ping程序。Ping程序根据输入的IP（域名）封装ICMP请求应答，发送出去，并且接受ICMP回显应答，进行解析，输出。 |
| 关于超时：IP报头中的生存期（TTL）属性，用来控制报文段在网络中的生存期。
试想一下，当网络中的某些路由出现问题，Router A将IP a 的下一跳路由为Router B。同时在Router B中，又将IP a 的下一跳路由为 Router A。那么显然，两个路由器之将会间形成回路，通往网段a的数据包，将会一直在两个路由之间发送，导致网络流量爆炸，同时，数据包也无法正确的到达网络a。
因此，当IP数据包每经过一个路由器时，路由器将IP数据包中的TTL值减一。当TTL值为0时，路由器判断数据包超时，发送ICMP超时信息给源主机。 |
当我们想知道：从主机A发送到主机B的数据包在网络中都经过了哪些路由器的时候，我们有什么办法呢？
我们知道，当IP数据包在路由中出错时，路由器会向发送源发送一个ICMP错误报文，发送端从该ICMP错误报文中，可以得到该路由的IP。
我们可以利用此原理。要得到从主机A到目标主机B之间的所有路由的IP，那么我们必须让IP数据包在每个路由器中都出错一次。
又因此，TTL值在经过的每个路由器中都会减1。因此，我们可以利用TTL的超时信息，在每个路由中都发生一次。即可得到从从主机A到主机B之间的所有路由的IP。
PS.怎么判断数据包正确到达了目标主机B？
当IP数据包到达了目标主机，将不会再发送TTL超时错误。而且在目标主机B中，没有运行相对应的应用层程序，因此，将没有程序会回应我们发送的IP数据包。那么，我们将如何知道IP数据包已经到达了目标主机呢？
我们可以为数据包分配一个目标主机几乎不可能监听的端口，从而，当IP数据包到达目标主机后，目标主机会回复相应的”不可到达、端口不可到达”的ICMP错误信息，从而，我们可以确认IP数据包已经到达了目标主机。
综上，我们可以：源主机A发送IP数据包，IP为目标主机B，port几乎不可能监听的port，TTL从一开始一直往上增加，直道收到来自主机B的ICMP 不可到达（端口不可到达）信息。
Tracerouter 命令就是实现这样功能的一个程序。我们可以通过tracerouter ip来调用此功能。
PS.因为每次路由时的路由路径可能不一样，那么在tracerouter过程中，我们又如何解决这个问题？
而且，如果目标主机正好监听了这一我们认为不可能监听的端口呢？
针对这些问题，欢迎各位读者回答。