韩立刚计算机网络——第四章：网络层

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了韩立刚计算机网络——第四章：网络层相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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提示：这一章内容非常多。
在思科网络工程认证当中，这一章被分为四部分：

  • IP地址
  • 子网划分
  • 静态路由、动态路由
  • 网络地址转换（NAT）、VPN

指引：
网络层提供的两种服务
网际协议IP
网际控制报文协议ICMP
因特网的路由选择协议
IP多播
虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

1、网络层提供的两种服务

思考：可靠交付交给谁来负责? 网络还是端系统？

举例：网上购物的可靠交付由谁来负责？
1、商家下单之后，交给快递之后，商家就不管了。过几天我们没有拿到，或者拿到的东西坏了。然后我们找厂家。
2、这个过程中，快递公司是不管东西好坏的，直接运输的。
3、可靠交付交给 端系统，就是用户和商家。
4、如果交给 快递公司 的话，每一站快递都得拆开看看到底有没有错误。（这样效率会很低）

同理：我们在互联网上面，我们将可靠交付 交给端系统，网络不管这个事情，网络只管发送。

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虚电路服务：

  • 网络管理员，需要提前配置一条线路。
  • 如果当中有一个路由器坏了，那么传输就会被打断。因为网络管理员，不能提前设置另外的线路。
  • 虚电路服务，理论上来说可以不写地址，因为已经固定好了2个通信端。

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数据报服务：目前网络当中就是采用这种模式。

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  • 数据包当中要包含IP地址、MAC地址。
  • 我们并不能知道数据包走哪一条路，而是交给路由器自己选择。
  • 每个数据包的路线可能都不相同。
  • 数据包的接收顺序，并不一定是按照发送的数据过来的。（每个数据包有编号）
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虚电路与数据包服务比较：
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2、国际协议 IP

网络互联的设备：

分层设备作用
物理层转发器以太网的范围不应该大于 100米，但是增加一个 Hub，距离就可以扩大为 200米。
数据链路层网桥或交换机
网络层路由器
网络层以上网关一般用本网段的第一个地址，位于路由器的某个端口

数据的发送过程：
电脑网卡 ——> 路由器网关 ——> 路由器转发 ——> 互联网

  • 计算机想要访问其他网段地址，先将数据交给网关，再有网关进行转发。
  • 如果我们没有设置网关，我们的数据就发送不出去，只能访问本网段的计算机。

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网络层要解决的问题：
主机怎么找到第一个路由器、
第一个路由器怎么找到第二个路由器、
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互联网与虚拟互联网：

  • 互联网：当中其实非常复杂。
  • 虚拟互联网：将互联网当中的细节进行屏蔽，只要有 IP 地址就够了。
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（1）网络层协议

网络层有四个协议

  • IP协议
  • ARP、RARP协议 ：解析 MAC 地址
  • ICMP协议：报告网络故障的协议。（超时？不可到达？）
  • IGMP协议：
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注意：可以看出 ARP 协议的地位相对低一点， IPv4 协议也要依靠 ARP 来进行实现。

（2）IP 地址

在设置 IPv4 的协议，并没有想到互联网可以发展这么快，所以将 IPv4 设置为 32位，怎么也想不到可以将这 32 位用完。

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分析

  • 路由器根本不用关心数据到哪个具体的地址，只需要关心到哪个网段的路由器。

IP地址的分类
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由上图可以看出IP地址由两部分组成，即网络地址和主机地址，二者是主从关系。

  • 网络地址表示其属于互联网的哪一个网络。
  • 主机地址表示其属于该网络中的哪一台主机。

A类地址、B类地址、C类地址，都有自己固定的开头。

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分析：

  • A类地址：当中能用的是 1-126， 127.0.0.1 ：作为本地回环测试。
    （ping 127.0.0.1 的时候，其实就是在 ping 本主机的IP）
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子网掩码的作用：

  • 子网掩码(subnet mask) 又叫网络掩码、地址掩码，它是一种用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网。
  • 子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。

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（3）子网划分

比如一个地区只有 5 台计算机，我不可能给它分一个可以包含 254 个主机的 C 类地址，太浪费了。

如何实现：将原来的主机号，分出一部分用作子网号。
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例题1：某主机IP地址为 210.33. 5.68 ，子网掩码为255. 255. 255.128。求其网段地址?

解析：将IP地址与子网掩码直接相与即可：

  • 要清楚255是八个一，所以与其相与一定是它本身，也就是 210.33.5 是不变的。
  • 只需要看68的二进制与128的二进制即可：

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例题2：某A类网络 20. 0. 0. 0 的子网掩码为 255.224. 0. 0 ,请确定可以划分的子网个数，写出每个子网的子网号。

解析：因为是A类网络，子网掩码默认为255.0.0.0

  • 所以多出来的224就是子网号，也就是11100000。
  • 子网号就是占了前三个号，2的3次方，也就是八个子网个数。
  • 至于每个的子网号，

000 00000
001 00000
010 00000

  • 可使用的主机号：本子网当中，除去主机号全0 （子网地址），主机号全 1 （广播地址），之外都可以作为主机号。

000 00000 ：子网地址
000 11111 ：本子网的广播地址。
在这两个之间的 IP 地址都可以用。

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例题3：将某C网 200. 161. 30. 0 划分成4个子网，请计算出每个子网的有效的主机IP地址范围 和对应的子网掩码。

解析：4个子网，需要2个bit 位来进行区分。

  • C网的默认子网掩码为 255.255.255.0，加上四个子网之后就是：255，255，255，192（11 000000）
  • 有效主机 IP 范围：排除 0 和 1 的主机地址。
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例题4：某公司申请到的网络地址为 192. 3.2.0 ,现要划分5个子公司，最大的一个子公司有28台计算机，每个子公司在一个子网中，则
(1)子网掩码应为多少?
(2) 5个子公司的网络地址分别是什么?

分析：

  • 子网号：要划分 5 个子公司，所以最少需要 3 位bit，用作子网号。（3bit 最多可以分 8 个子网）
  • 主机号：最大的一个子公司有28台计算机， 最少需要 5个bit 用作主机号。（5bit最多放 32 个主机）
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（4）IP 地址和 MAC 地址

提问：既然每个网卡的 MAC 地址是唯一的，那么我们直接使用 MAC 用来标识就好了，为什么还需要 IP 地址呢？
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计算机 A 和计算机B 通信过程当中：

  • IP地址是不发生变化的，MAC 地址在转发当中就会发生变化。
  • 计算机 A 给计算机 B 发送数据的时候，进行与操作，发现不是自己网段的数据，所以要将数据发给路由器。
  • 第一个阶段，数据帧添加的MAC 地址是下一个路由器的MAC地址，不是计算机B的MAC 地址。

（5）ARP 和 RARP 协议

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ARP协议 ：负责将 IP 地址 解析成MAC地址。
解析原理：依靠广播 ，所以对于网络传输来说，广播是不可避免的。

ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。

  • 在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址。
  • 在以太网中，一个主机和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。
  • 但这个目标MAC地址是如何获得的呢？它就是通过地址解析协议获得的。
  • 所谓“地址解析”就是主机在发送帧前，将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。

ARP 欺骗的应用：
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所以主机1 就可以实现网速分配的效果。

总结：
1、当访问外网段IP地址的时候，我们主机这时候需要添加本网关的MAC 地址。
2、本网关的MAC 地址：就是本网段路由器，当中的一个端口的MAC地址。
3、网关的MAC地址，即可以有路由器自动返回，也可以由用户自己设定，也可以被本网段的其他计算机发送。

（6） IP 数据报格式

数据在传输过程中的一步一分封装
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我们现在分析网络层前面加的东西（叫做 IP数据报）。

一个IP数据报由 首部 和 数据两部分组成。

  • 首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。
  • 在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。

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位置名称作用
0-3bit版本区别当前IP协议是 IPv4 还是IPv6
4-7bit首部长度因为首部有一部分是可以变化的，所以在这里要明确标注长度
8-15bit区分服务标记数据包的优先级，哪一个先传输。（下面会补充）
16-31bit总长度总长度指首部和数据之和的长度，单位为字节。（最大长度为2^16-1=65535字节）
32-47bit标识IP软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。
48-50bit标志占3位，但只有2位有意义，告诉数据包是否需要分片？
50-63bit片偏移表示分片之后，各个数据包的偏移值（下面会有补充）
64-71bit生存时间不同操作系统的默认 TTL值 不同 （下面会有补充）
72-79bit协议标明数据内容当中的上层协议是什么 （下面会有补充）
80-95bit首部校验和验证数据报首部是否完整 ，担心传输过程当中消失
源地址发送端的IP地址
目的地址接收端的IP地址
可变部分用来支持排错、测量以及安全等措施

（1）怎么理解数据包的优先级？
我们在 QQ 视频的同时，对方同时给我们传递文件，此时视频的数据包就比传文件的数据包重要。

（2）数据包分片：
以太网的数据一般来说都是 1500字节以下，有的计算机发包的时候，发送了 3800 个字节。此时路由器看到这些大包就没有办法处理了，这时候这些路由器将这些大包进行分片，

  • 每片小包重新添加首部
  • 片偏移只有在数据包进行分片之后才会不为0。
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    （3）生存时间：
    我们的计算机发送一个数据包之后，都会给他一个 TTL 值，数据包经过一个路由器，TTL 就会减一。如果 TTL 减到0，这个数据包就停止传输，直接丢弃。

为什么要设置生存时间呢？
如果没有生存时间，如果我们网络一直不断电，这个数据包就一直不会消失，就会一直消耗我们的带宽。
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（4）协议号：（可以搜索协议号大全）
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使用抓包工具来分析，抓到的数据：

  • 数据链路层：目标MAC地址， 源MAC地址， 网络层协议类型

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  • 网络层：（上面表格当中我们有进行分析过）
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    版本：IPv4
    首部长度：20字节
    区分服务：优先级为0
    数据包总长度：1054
    标识计数器 22555， 下一个数据包就会是 22556.
    分片标记：没有分片
    TTL ：128
    协议：传输层使用TCP 协议
    校验和：correct ，正确
    源地址：
    目的地址：

（4）IP转发分组流程（最重要）

需要了解的几个问题：

1、什么叫做 IP 转发？ （什么叫做数据路由）
答：路由器在不同网段转发数据包。 跨越网段通讯的都是路由。

2、网络畅通的条件是什么？数据包能去能回的条件是什么？
答：沿途的路由器传输的时候，必须知道到，数据包到接收端需要给哪个接口，返回发送端又需要给哪一个接口。

分析下面的案例：
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1、这个图里面有几个网段？
答：有五个：192.168.0，172.16.0，172.16.1，172.16.2， 192.168.1。

2、各个路由器知道什么？
答：路由器 A ，知道 192.168.0，172.16.0 在哪两个端口，但是他不知道 192.168.0，192.168.1 在哪两个端口。

a、静态路由

解决办法：添加静态路由，即给路由器指定不同IP地址需要发送的端口。

3、那么对于 0 号路由器来说，如果遇到 192.168.1 ，到底该走哪一个接口呢？
答：人为的添加路由表，对于 A 路由器来说，我们要告诉它 172.16.1，172.16.2， 192.168.1 遇到这三个网段的 IP ，都要送给 B 这个接口。

4、同理对于 1 号路由器来说，需要分配什么样的路由表呢？
答：192.168.0 给 C 端口， 172.16.2， 192.168.1 给 E 接口。

b、动态路由协议

RIP 协议：互联网上最早的动态路由协议。它的工作特点

  • 周期性将自己知道的网段信息，广播给各个路由器，告诉相邻的路由器自己连着哪些网段。
  • 每隔 30 s 广播一次。
  • 最多是16 跳

分析：路由器为什么要周期性的要进行广播？
假设在工作当中，当中有一个路由器坏了，如果只广播一次，那就完了，就不能通信了。
周期性的广播，如果有路由器坏掉的话，我们就可以选择其他路线来进行传输。

OSPF ：内部网关协议 0SPF (Open Shortest Path First)

1、向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法。
2、发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。
3、只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。

外部网关协议BGP：
1、BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议，BGP 较新版本是BGP -4。
2、边界网关协议BGP只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由(不能兜圈子)，而并非要寻找一条最佳路由。
3、每一个自治系统的管理员要选择至少-个路由器作为该自治系统的“BGP发言人”。

3、网际控制报文协议 ICMP

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为了提高IP数据报交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议为了提高IP数据报交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议ICMP (Internet Control Message Protocol)。

  • ICMP作用：探测网络有没有故障。
  • ICMP不是高层协议，而是IP层的协议。
  • ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。

ICMP 协议的报文格式：
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类型：标识生成的错误报文，它是ICMP报文中的第一个字段；
代码：进一步地限定生成ICMP报文。该字段用来查找产生错误的原因；
校验和：存储了ICMP所使用的校验和值。

名称作用
类型有询问报文、和差错报文
代码该字段用来查找产生错误的原因；
校验和存储了ICMP所使用的校验和值。

上面这个三个字段，每种类型的 ICMP 报文都有，下面的有的类型有，有的类型没有（与第一个字段的类型有关）

（1）ICMP 报文类型：
询问报文：回送请求（ping命令）和回答报文、时间戳请求和回答报文。
差错报文：（报告错误的报文）终点不可到达、源点抑制、时间超过、参数问题、改变路由。
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ping 命令的过程：
（1）A 给 B 发送的时候是，询问报文
（2）B 给 A 返回的时候是，差错报文
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pathping 命令，可以检测到数据包到哪里断了。
不仅可以显示在哪里断了，还可以显示每个网段的丢包率。
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看视频一卡一卡的，其实就是有数据包丢失了。 通过 pathping 可以分析出哪里丢包比较多。
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4、IP 多播、组播（IGMP）

IP 多播又叫做IP 组播。
目的：为了更好的支持一对多的通信，一个地方发送数据，可以有肯多地方接收数据。

回顾数据链路层学过的：

模式作用
单播一对一
多播一对多
广播一对全体

多播采用的背景是什么呢？
有 90 个用户，有一个视频服务器，这个视频服务器给这 90 个用户发送数据。

  • 如果采用单播：这个视频服务器就得将这个视频，发送90次，带宽会很高。
  • 采用多播，会有一个多播路由器 ，服务器将数据发给多播路由器，路由器再进行转发。这样带宽就降成了1分。

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（1）多播IP地址

首先它是一个 D 类地址。他只能用作目的地址，不能用作源地址。
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（2）多播数据报

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（3）硬件组播

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我们软件组播，最后都要转化为硬件组播。
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（4）IGMP 协议

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5、VPN 技术

VPN ：虚拟专用网络（virtual private network）
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为了弥补IPV4地址日益枯竭的矛盾，在A、B、C类地址中专门划出一小块地址，作为全世界各地建设局域网使用，这些划出来专门作为局域网内网使用的IP地址称为私有网络地址(或称为私网地址，内网地址)。

一般为学校、政府单位 使用私网 IP 。

私网地址不能在公网上出现，只能用在内部网路中，所有路由器都不能发送目标地址为私网地址的数据报。

标准规定的私网地址有：
A类私网地址：10.0.0.0～10.255.255.255
B类私网地址：172.16.0.0～172.31.255.255
C类私网地址：192.168.0.0～192.168.255.255

举例情况：学校的服务器是一个私网 IP ，我们不使用校园网不可以进行访问。如果我们回家了，不能使用校园网，但是这时候想要访问学校的服务器，该怎么办？
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用户想要直接访问内网服务器，这是不可能通的。 但是中间添加了一个服务器。
步骤：
（1）将目标IP地址，和伪造的源IP地址，作为数据包的一部分。
（2）在帧头当中，目的地址换为一个公网的IP地址。
（3）在经过 RAS 服务器的时候，将前一步的源IP 和 目标IP 去掉。
（4）这时候外网 IP 被伪造成一个内网IP。

vpn 的另外一种用途：
1、在中国我们有一些网址是不能访问的，（我们暂且将这些网址看作是内网），但是这些网址在美国可以进行访问。
2、我们在美国搭建一个中国可以访问的服务器， 然后我们先去访问这个服务器，然后这个服务器做 vpn 操作。
3、就相当于是美国的服务器在访问这个网址。

比如：如家酒店的账户信息需要进行交互，但是如家酒店遍布全球各地，这时候通过 VPN 技术，就可以将各个城市的局域网连起来。
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6、NAT 技术

网络地址转换NAT (Network Address Translation)

C类私网地址：192.168.0.0～192.168.255.255， 我们宿舍的ip网段为 192.168.1.0 ，也是一个私网地址。

所以一开始，互联网上面是找不到我们宿舍的 私网地址的。找不到就不能上网。
有一个服务器，会将我们私网地址，替换为公网地址。

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举例：比如我们在互联网上面发了一个帖子，公安局可以找到 100.81.64.1 这个公网地址，然后就可以找到是在我们学校，但是要想找到是哪个学生发的，那就不太好找了。

有个问题：我们所有在学校的电脑都被替换成了100.81.64.1，服务器给我们进行返回数据的时候，也是返回给这个 100.81.64.1 这个地址。那么这个地址如何区分到底转发给哪台计算机呢？

100.81.64.1 这个服务器，通过端口号，来进行区分是哪一台计算机发送的信息。

（1）NAT和PAT 的区别

NAT
　　192.168.0.2：4444 ----〉202.116.100.5：4444
　　192.168.0.3：5555 ----〉202.116.100.6：5555
　　192.168.0.10：1233 —〉202.116.100.5：1233
PAT
　　192.168.0.2：4444 ----〉202.116.100.5：50003
　　192.168.0.3：5555----〉202.116.100.5：50004
　　192.168.0.10：1233 —〉202.116.100.5：50005
　　简单来说，PAT：多对1，nat：多对多

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（2）NAT 端口映射

NAT 端口映射和NAT 穿透的区别：

1、NAT：网络地址转换方法。

2、端口映射：NAT的一种，外网主机的IP地址的端口映射到内部网络中的机器上，以提供相应的服务。

以上是关于韩立刚计算机网络——第四章：网络层的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

韩立刚计算机网络——第三章：数据链路层

韩立刚计算机网络——第八章：无线网络

韩立刚计算机网络——第五章：应用层

韩立刚计算机网络——第七章：Internet 上面的音频和视频

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