网工-网络层协议详解

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一、网络层协议

• 网 络 层 经 常 被 称 为 IP 层 。 但 网 络 层 协 议 并 不 只 是 IP 协 议 ， 还 包 括 ICMP （ Internet Control Message Protocol)协议、IPX（Internet Packet Exchange）协议等。

 二、IP协议

2.1 什么是IP协议

IP地址就像现实中的地址，可以标识网络中的一个节点，数据就是通过它来找到目的地。

2.1.1 IP协议的作用

2.1.2 IP协议的版本

2.2 数据封装

2.3 IPv4报文格式（重要）

IP Packet（IP数据包），其包头主要内容如下：

Version：4 bit ，4：表示为ipv4；6：表示ipv6

Header Length：4bit，首部长度，如果不带Option字段，则为20，最长为60；

Type of Service：8 bit，服务类型。只有在QoS差分服务要求时，这个字段才起作用。（数据包的紧急程度有关，可以设置优先级转发排序）

Total Length：16 bit，总长度，整个IP数据包的长度。

Identification： 16bit，标识，分片重组时会用到该字段。（如果发送过来的多个数据包都进行分片，则需要该字段进行标识，区分分片后的数据属于哪个数据包，属于同一个包的的分片，标识相同）

Flags：3bit，标志位。（有三个二进制位，相当于三个开关，仅使用两个，

M（more）F位：=1时，代表一个大包的分片还没传完；

=0时，代表收到的这个分片是最后一个分片；

DF位=1时：代表禁止分片；

=0时，代表允许分片）

Fragment Offset：12bit，片偏移，分片重组时会用到该字段。（标识一个分片在原先数据包的位置）

Time to Live：8bit，生存时间。（数据在两个主机收发的过程中会经过多个路由器，每经过一个路由器，ttl会减1，总数为100，目的是防止网络搭建出现环路，当出现环路时，ttl会减为0，则将ttl为0的数据包丢掉，防止网络出现环路后，造成资源的浪费）

Protocol：8 bit，协议：下一层协议。指出此数据包携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据都上交给哪个进程处理。（里面可能包的ICMP、IGMP、TCP、UDP这些协议后续会学习）

 Header Checksum：16bit，首部校验和（其中有算法，校验，判断数据包传输的时候是否有损坏）

Source IP Address：32bit，源IP地址。

Destination IP Address：32bit，目的IP地址。

Option：可变，选项字段。（有无别的信息，一般情况不需要）

2.4 IP地址表示

 IP地址的长度为32位，采用点分十进制表示，四段，故一段八位，故最大为255.

2.5 IP地址的构成

2.5.1 网络掩码的作用（计算网络号与主机号）

但是一串IP地址，如：192.168.10.1 ；又没有什么符号来隔开网络部分和主机部分，我们又怎么区分呢？下面就体现了网络掩码的重要作用！

 如图所示：

当IP地址为192.168.10.1时，配备的掩码为255.255.255.0，在书写方式中可以写成：

192.168.10.1 255.255.255.0   简写成 192.168.10.1 24

我们可以看出掩码前二十四位都是1，后八位为0

IP地址：为32位的二进制数列。

我们将这两项全列出来，就得到两列一一对应的32位的二进制数列，让这两列一一对应的二进制数一一进行与运算，我们得出，IP地址在与掩码相与之后前二十四位，还是原来的二进制数列，而后八位就变成0了，所以根据与运算来区分前二十四位为网络号，后八位为主机号。

所以我们可以得出一个规律，在观察一个掩码时，掩码全1的位数有多少，那么网络号就有几位。

例如上面的题，掩码前24位为1，那么网络号就是前二十四位。其余八位为主机号。

2.5.2 IP地址寻址

注意：在这我们可能会想到，如果一户人家一个IP地址下连到了好几台机器，怎么区分呢？这就体现出在数据链路层以太网协议封装的MAC地址的厉害之处，每台机器的出场MAC地址都不一样，所以在数据通信过程中，解封装到数据链路层时，会解出MAC地址，然后区分同一IP地址下的不同机器。

2.5.3 IP地址分类（根据网络号）

• 为了方便IP地址的管理及组网，IP地址分成五类：

2.5.3.1 ABC类地址比较

2.5.3.2 IP地址分类总结

总结：

A->0   （8位网络号  24位主机号）

B->10   （16位网络号  16位主机号）

C->110   （24位网络号  8位主机号）

D->1110  (用于组播)

E->1111   （用于实验研究）

2.5.4 IP地址类型（根据主机号）

• 广播地址（主机号全1的地址）
▫ 不能分配给具体的主机接口使用。

• 可用地址（除了上述全0，全1，之间的地址）
▫ 又称主机地址，可用分配给具体的主机接口使用。

2.5.5 IP地址计算

根据上述的知识点我们就可以进行这类题的计算

• 例：172.16.10.1/16这个B类地址的网络地址、广播地址以及可用地址数分别是？

网络地址：根据掩码为16位，则IP地址中前16位为网络号，主机号全为0就得出了：172.16.0.0 

广播地址： 由主机位全一可得， 172.16.255.255

可用地址数：2ⁿ-2，n：主机位的位数，故 224-2

可用地址范围： 172.16.0.1 ~172.16.255.254

2.5.6 私网IP地址

• 公网IP地址：IP地址是由IANA统一分配的，以保证任何一个IP地址在Internet上的唯一性。这里的IP地址是指公网IP地址。

看到这里，我们是不是不理解在一个封闭的网络下的IP，如果我们要访问外网该怎么办，这些私网地址与外网正常地址是重复的，所以这就引入了一个技术，叫NAT (Network Address Translation)，网络地址转换，其基本作用是实现私网IP地址与公网IP地址之间的转换，NAT地址转换技术实现了将私网地址转换为正常的能够与访问外网的地址，减少使用公网IP数量的压力。

2.5.7 特殊IP地址

三、子网划分

3.1 为什么要划分子网

我们可以想象一下，当我们一个网段的主机地址有24位或16位时，那么像16位主机号的B类地址，这一个地址有216=65536个IP地址，一个地址用于一个广播域，地址过于浪费，而且广播域过于庞大，一旦发生广播，内网的压力不堪重负。

所以我们想把一个B类地址运用的更加好，更加灵活，我们就引入了子网划分这个概念，这样使用子网划分，一个B类地址就可以划分多个子网，来分配给广播域，这样可以减少浪费，将一个大的有类网络像ABC类网络，划分为若干小的子网，使IP地址的使用更加科学。

 3.2 如何进行子网划分

第一步：原网段分析

第二步：向主机借位

注意：其实总IP地址数没有变化，毕竟位数就那么多，只不过划分子网，可以将一个庞大数量的网络，划分为若干子网，便于管理。

 3.2.1  计算子网网络地址（注意，容易迷）

虽然划分子网，网络位借用的主机位，但是在书写上，主机位虽说被借走了，但是它被借走的不只是他这个数字，还有它书写上，所在的地方，我们只要知道，有这个数划分了子网，在书写上，网络位就要把借来的主机位也写在主机位的地方，容易混淆，注意仔细理解。

3.2.2 计算子网广播地址

3.3 计算子网（重要）

问题：现有一个C类网络地址段192.168.1.0/24，请使用可变长子网掩码给三个子网分别分配IP地址。

 计算步骤：

步骤1：先规划主机多的子网

步骤2：借位，根据上一步所需要的主机位来借位。

计算：

步骤1：

最多的是10台；2^n-2>=10;所以n>=4,所以主机位留4位就足够。

步骤2：

一共八位，主机位4位，供子网划分的位数为4，所以向主机位借4位，为子网位；

所以可以划分16个，每个子网里可以供14台主机使用的IP地址。至此掩码就发生变化，网络位多了四位，相应掩码也就成了28位。然后给每个子网的主机配主机位，然后组合就成了每台主机的IP地址。

 四、ICMP协议

4.1 什么是ICMP协议

• Internet控制消息协议ICMP (Internet Control Message Protocol)是IP协议的辅助协议。

4.2 ICMP协议的功能

4.2.1 ICMP重定向

4.2.2 ICMP差错检测

4.2.3 ICMP错误报告