第四章 网络层

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一、网络层提供的服务、

应用层产生数据消息,传输层负责给数据分组并实现可靠传输。
而网络层负责在不同网络之间,选择路径并尽力转发数据包,基于数据包IP地址转发。(不负责丢失重传和数据包顺序)

网络层如何转发数据包

网络层

子网掩码 就是道明了 ip地址 的网络部分
不成文规定,网关一般使用网段第一个能用的地址。
广域网接口需要设定时钟频率,这个时钟频率确定了发送的速度
路由器怎么选择路径,是由路由表决定的(直接相连,静态路由配置,动态路由学习)。

二、网络设备和OSI参考模型的关系

计算机通信的过程 - 本网段、跨网段通信的过程


通信的过程

发送端:
① 应用层的程序产生数据
② 传输层将数据分段(分组)
③ 网络层添加源IP地址、目标IP地址
④ 数据链路层添加mac地址,分为两种情况,
先比对子网掩码和网络号是否在同一网段,
本网段通信:通过ARP广播得到目标ip地址的mac地址
跨网段通信:通过ARP广播获得网关的mac地址
(ip地址决定了起始地址,目的地址;而mac地址决定了下一跳谁来接收)
⑤ 物理层传送bit流

发送端封装,接收端解封。

三、网络层协议

同样是网络层协议,也存在分层,ARP给IP提供服务,IP给ICMP和IGMP提供服务。


网络层协议

ARP协议

将ip地址解析成物理地址。
计算机的ARP协议:发送数据的计算机A不知道目的计算机B的mac地址,就发送ARP广播(目标mac地址是FF,全1)。B收到后,给A返回自己的mac地址(同时ARP缓存A的mac地址),A拿到B的mac地址就可以发送数据了(也把B的mac地址放入ARP缓存)。
只能扫描本网段的mac地址。
ARP缓存表(arp -a)
ip地址 mac地址 类型

网际控制报文协议 ICMP

Internet Control Message Protocol,用来测试网络是否畅通,网络是否有故障(ping命令)。
用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。

TTL:Time To Live 生存时间,每过一个路由器就减一。TTL=0就丢弃数据包,防止数据包在网上循环。
判断ping的计算机系统
可以根据返回数据包的ttl粗略判断ping的计算机系统,linux 64 , windows 128 , unix 255(默认)

Ping不通

  • 目标主机不可到达(路由器不知道怎么继续走,去的时候TTL为0)
  • 请求超时(有可能是数据包回不来,要么是回来时没有路由,要么是回来TTL=0了)

Internet组播管理协议 IGMP

Internet Group Management Protocol

点对点、组播=多播、广播
多播是不建立会话的。

IP数据包格式

一个IP数据包由首部和数据组成。
首部的前一部分是固定长度的,共20字节。ip数据包必须有的。后面可添加可选字段。

数据包格式

ip数据包首部字段

  • Version 版本:ip协议版本,ipv4,ipv6
  • Header length首部长度:IP数据包首部长度
  • 区分服务:数据包优先级(紧急的数据包,不紧急的数据包,通过Qos - Quality of Service)
  • 总长度:数据包总的长度(2的16次方-1)。因为一个mac帧最大1500字节(所以分片后的数据包总长度最大也就1500字节),而一个数据包最大65535字节,所以如果超出了需要将数据包分片。如果不分片,数据包最大不超过1480字节(20字节为IP数据包固定头部)。
  • 标识:包的标识,如果数据包分片了,不同的片标识一样。
  • 标志:标志一个数据包是否是分片。标志位最低位Move Fragment,MF=1代表后面还有分片,MF=0代表是最后一个分片。
  • 片偏移:片在数据包的偏移量,以8字节为偏移量单位(否则不够位数表示)
  • 生存时间TTL:每经一个路由器会-1
  • 协议:表示网络层内的数据部分是什么协议。是TCP、UDP、ICMP、IGMP、OSPF?指出数据部分应该交给前面几个中哪一个进程。(协议号:ICMP-1 IGMP-2 TCP-6 UDP-17 IPv6-41 OSPF-89)
  • 首部检验和:检验首部是否有错误。
  • 源地址:源ip地址。
    目的地址:目标ip地址。

ipv6的ip数据包首部ip地址部分由32位变为128位,基本报头长度为40字节,没有可变部分(另外有扩展报头)。

IP协议

根据路由表选择路径,一种是静态路由,一种是某种协议学习。
网络畅通的条件:数据包有去,有回。

  • 静态路由
    需要网络管理员告诉路由器,没有直连的网络,下一跳应该给谁。
    缺点:适合于小的网络,不能够自动适应网络变化。

  • 动态路由
    路由器自己记录学习。

RIP

RIP(Routing Information Protocol,路由信息协议)是一种内部网关协议(IGP),是一种动态路由选择协议。
路由器定时的发广播路由表(到xx网段可以发给我,要经过几个路由器),30秒更新一次路由表。最大跳数是15跳。
最优路径:认为经过的路由器越少(跳数最少),路径越优。

OSPF

开放式最短路径优先协议

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