计算机网络_04 网络层
作者：互联网
计算机网络_04 网络层
网络层
IP协议
IP 协议（Internet Protocol）又称互联网协议，是支持网间互联的数据包协议。IP 协议提供一种无连接/不可靠、尽力而为的数据包传输服务，其与TCP协议（传输控制协议）一起构成了TCP/IP 协议族的核心。
作用：
寻址和路由：在IP 数据包中会携带源 IP 地址和目的 IP 地址来标识该数据包的源主机和目的主机。IP 数据报在传输过程中，每个中间节点（IP 网关、路由器）只根据网络地址进行转发，如果中间节点是路由器，则路由器会根据路由表选择合适的路径。IP 协议根据路由选择协议提供的路由信息对 IP 数据报进行转发，直至抵达目的主机。
分段与重组：IP 数据包在传输过程中可能会经过不同的网络，在不同的网络中数据包的最大长度限制是不同的，IP 协议通过给每个 IP 数据包分配一个标识符以及分段与组装的相关信息，使得数据包在不同的网络中能够传输，被分段后的 IP 数据报可以独立地在网络中进行转发，在到达目的主机后由目的主机完成重组工作，恢复出原来的 IP 数据包。
地址分配协议
IPv4
互联网上每一台主机或者路由器在连入互联网时需要被分配一个唯一的标识符，即 IP 地址，在 IPv4 协议下，这个标识符是一个 32 位无符号二进制数。
DHCP（动态主机配置协议）
动态分配 IP 地址，只给接入网络的设备分配IP地址，因此同一个 MAC 地址的设备，每次接入互联网时，得到的IP地址不一定是相同的，该协议使得空闲的 IP 地址可以得到充分利用。
CIDR（无类别域间路由）
CIDR 消除了传统的 A 类、B 类、C 类地址以及划分子网的概念，因而更加有效的分配 IPv4 的地址空间，但无法从根本上解决地址耗尽问题。
NAT（网络地址转换协议）
我们知道属于不同局域网的主机可以使用相同的 IP 地址，从而一定程度上缓解了 IP 资源枯竭的问题。然而主机在局域网中使用的 IP 地址是不能在公网中使用的，当局域网主机想要与公网进行通信时， NAT 方法可以将该主机 IP 地址转换成全球 IP 地址。该协议能够有效解决 IP 地址不足的问题。
NAT 的实现方式：
静态转换：内部私有 IP 地址和公有 IP 地址是一对一的关系，并且不会发生改变。通过静态转换，可以实现外部网络对内部网络特定设备的访问，这种方式原理简单，但当某一共有 IP 地址被占用时，跟这个 IP 绑定的内部主机将无法访问 Internet。
动态转换：采用动态转换的方式时，私有 IP 地址每次转化成的公有 IP 地址是不唯一的。当私有 IP 地址被授权访问 Internet 时会被随机转换成一个合法的公有 IP 地址。当 ISP 通过的合法 IP 地址数量略少于网络内部计算机数量时，可以采用这种方式。
端口多路复用：该方式将外出数据包的源端口进行端口转换，通过端口多路复用的方式，实现内部网络所有主机共享一个合法的外部 IP 地址进行 Internet 访问，从而最大限度地节约 IP 地址资源。同时，该方案可以隐藏内部网络中的主机，从而有效避免来自 Internet 的攻击。
IPv6
作为接替 IPv4 的下一代互联网协议，其可以实现 2 的 128 次方个地址，而这个数量级，即使是给地球上每一颗沙子都分配一个IP地址，该协议能够从根本上解决 IPv4 地址不够用的问题。
路由器
路由器：路由器通过数据包中的目的 IP 地址识别不同的网络从而确定数据转发的目的地址，网络号是唯一的。路由器根据路由选择协议和路由表信息从而确定数据的转发路径，直到到达目的网络，它工作于网络层。
交换机：交换机用于局域网，利用主机的物理地址（MAC 地址）确定数据转发的目的地址，它工作于数据链路层。
路由器分组转发流程
1.从 IP 数据包中提取出目的主机的 IP 地址，找到其所在的网络。
2.判断目的 IP 地址所在的网络是否与本路由器直接相连，如果是，则不需要经过其它路由器直接交付。
3.检查路由表中是否有目的 IP 地址的特定主机路由。如果有，则按照路由表传送到下一跳路由器中。
4.逐条检查路由表，使用每一行的子网掩码与目的IP匹配。若找到匹配路由，则按照路由表转发到下一跳路由器中。
5.若路由表中设置有默认路由，则按照默认路由转发到默认路由器中。
6.当无法找到合适路由时，路由器丢弃这个包，并通过ICMP消息告知对方。
最长匹配原则
当匹配到多条目标地址时，路由器优先选择网络号比特数最长的地址。
路由表的结构
常规的路由表包括"目标地址"、“子网掩码”、“网关”、“接口”、“跃点数”。
目标地址（Network Destination）：数据包最终希望被送达的地址；
子网掩码（Netmask）：和地址实际的子网掩码并不一定相同，它的真正意义是用来表示"在匹配网络包目标地址时需要比对的比特数"。
网关（GateWay）：它表示目标地址对应的下一跳路由的IP地址，也就是说——把包发送到"网关"所对应的路由器，它知道下一步要把包发往哪里。当"网关"中的内容为空时，表示IP头中的IP地址就是要转发的目的地址，而不需要再转发到下一个路由器。
接口（Interface）：存储着一个IP地址，当匹配到该条路由时，就会使用该IP地址对应的接口将数据包发送到"网关"对应的IP地址。
ICMP协议
ICMP（Internet Control Message Protocol）是因特网控制报文协议，主要是实现 IP 协议中未实现的部分功能，是一种网络层协议。该协议并不传输数据，只传输控制信息来辅助网络层通信。其主要的功能是验证网络是否畅通（确认接收方是否成功接收到 IP 数据包）以及辅助 IP 协议实现可靠传输（若发生 IP 丢包，ICMP 会通知发送方 IP 数据包被丢弃的原因，之后发送方会进行相应的处理）。
ICMP的应用
Ping
Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率从而推断网络是否通畅、运行是否正常等。
TraceRoute
TraceRoute主要用来跟踪一个分组从源点耗费最少 TTL 到达目的地的路径。
TTL 是指生存时间，简单来说，它表示了数据包在网络中的时间。每经过一个路由器后 TTL 就减一，这样 TTL 最终会减为 0 ，当 TTL 为 0 时，则将数据包丢弃。
ARP协议
ARP解决了同一个局域网上的主机和路由器IP和MAC地址的解析。
ARP协议解析流程
1.每台主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个ARP列表，以表示IP地址和MAC地址的对应关系。
2.当源主机需要将一个数据包要发送到目的主机时，会首先检查自己 ARP列表中是否存在该 IP地址对应的MAC地址，如果有，就直接将数据包发送到这个MAC地址；如果没有，就向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询此目的主机对应的MAC地址。此ARP请求数据包里包括源主机的IP地址、硬件地址、以及目的主机的IP地址。
3.网络中所有的主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此数据包；如果相同，该主机首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中，如果ARP表中已经存在该IP的信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个 ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找的MAC地址。
4.源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中，并利用此信息开始数据的传输。
5.如果源主机一直没有收到ARP响应数据包，表示ARP查询失败。
标签：ARP,04,IP,网络层,计算机网络,地址,主机,数据包,路由器 来源： https://blog.csdn.net/alpc17RuimeError/article/details/122869014