路由交换：IP网络基础

Posted 2022-10-21

一、OSI RM模型与TCP/IP模型

1. OSI RM 模型

OSI RM（Open System Interconnect Reference Model，开放系统互连参考模型）是由国际标准组织ISO定义的，规范不同系统的互联标准，使两个不同的系统能够较容易的通信。OSI RM把网络按照层次分为七层，依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、标识层、应用层。

• 物理层
  负责把逐个的比特从一跳（节点）移动到另一跳（节点）；定义接口和媒体的物理特性；定义比特的表示、数据传输速率、信号的传输模式；定义网络物理拓扑
• 数据链路层
  在不可靠的物理链路上，提供可靠的数据传输服务，把帧从一跳（节点）移动到另一跳（节点）；组帧、物理地址、流量控制、差错控制、接入控制
• 网络层
  为网络设备提供逻辑地址；进行路由选择、维护路由表；负责将分组数据从源端传输到目的端
• 传输层
  负责建立端到端的连接，保证报文在端到端之间的传输，服务点编址、分段与重组、连接控制、流量控制、差错控制
• 会话层
  负责建立、管理和终止表示层实体之间的会话连接，在设备或节点之间提供会话控制，在系统之间协调通信过程
• 表示层
  数据的遍码和解码，数据的加密和解密，数据的压缩和解压缩
• 应用层
  为应用软件提供接口，使应用程序能够使用网络服务

2. TCP/IP模型

实际应用中通常使用TCP/IP 模型。将OSI RM 七层模型简化为TCP/IP 4层模型，即主机到网络层、网络互连层、传输层、应用层

• 主机到网络层
  对应于OSI RM 模型中的物理层和数据链路层，负责监视数据在主机和网络之间的交换
• 网络互连层
  对应于OSI RM 模型中的网络层，把分组发往目标网络或主机
• 传输层
  对应于OSI RM 模型中的传输层，使源端主机和目标端主机上的对等实体可以进行会话
• 应用层
  对应于OSI RM 模型中的会话层、表示层和应用层，为应用程序提供网络服务

二、ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protocol，Internet控制报文协议）是网络层的一个重要协议，在网络设备间传递差错、控制、查询等信息。

• ICMP 重定向
  ICMP Redirect重定向消息用于支持路由功能。报文从源端直接发送到目的端，而不是先发送到网关设备，再由网关设备发送到目的端
• ICMP差错检测
  ICMP Echo消息常用于诊断源和目的之间的网络连通性，进行差错检测。
• ICMP错误报告
  当网络设备无法访问目标时，自动发送ICMP目的不可达报文到发生端设备。
• Ping命令
  Ping命令是检测网络连通性地常用工具。ping命令中指定不同参数，如ICMP报文长度、发送的ICMP报文个数、等待回复响应的超时时间。
• Tracert命令
  Tracert基于报文头中TTL值来逐跳跟踪报文的转发路径。源端将报文的TTL值设置为1，到达第一个节点后，TTL超时，向源端发送TTL超时消息，然后源端将报文的TTL值设置为2，以此类推，直到到达目的地。

三、ARP协议

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议），用来将IP地址解析为相应的MAC地址。ARP协议应用于广播型网络，点对点链路不使用ARP协议。 数据链路层在进行数据封装时，需要目的MAC地址。ARP报文不能穿越路由器，不能被转发到其他广播域。

1. ARP 报文类型

ARP报文类型分为ARP Request和ARP Reply，报文结构如下

• 在以太网网络类型中，帧类型字段为0x0806，协议类型字段为0x0800
• op操作字段指出4种操作类型：ARP Request、ARP Reply、RARP Request、RARP Reply

2. ARP解析

如下图所示，PC1需要访问PC3，首先PC1发送ARP Request，交换机SW收到ARP Request后，广播发送改ARP Request，PC2和PC3都会收到ARP Request，PC3收到该ARP Request后，发送ARP Reply到SW上，然后SW转发
ARP Reply到PC1，PC1收到ARP Reply后，就可以和PC3正常通信。

3. ARP缓存

ARP 缓存用来存放IP地址和MAC地址的关联信息。在发送数据前。设备会查找ARP缓存表，如果缓存表中存在对方设备的MAC地址，则直接使用MAC地址封装帧；如果缓存表不存在，则发送ARP Request请求报文。

4. ARP代理

如果ARP请求是一个物理网络发往另一个另一个物理网络，那么连接这两个网络的设备可以应答该ARP请求，将这个过程称为ARP代理（Proxy ARP）。Proxy ARP分为路由式 Proxy ARP、VLAN内Proxy ARP和VLAN间Proxy ARP。

• 路由式 Proxy ARP
  应用场景：需要互通的主机（主机上没有配置缺省网关）处于相同的网段但不在同一广播域内
• VLAN内Proxy ARP
  应用场景：需要互通的主机处于相同网段，且属于相同VLAN，但是VLAN间配置了端口隔离
• VLAN间Proxy ARP
  应用场景：需要互通的主机处于相同网段，但属于不同VLAN

5. 免费ARP

免费ARP用来探测IP地址是否冲突。主机发送ARP Request广播报文，目的IP地址是源IP地址，当目的IP地址被使用时，收到响应的ARP Reply报文。

6. ARP老化时间

每台主机或设备上维护ARP高速缓存，ARP高速缓存中保存动态ARP表项。 主机或设备每次发送报文时，会先在本地高速缓存中查找目的IP地址所对应的MAC地址。如果高速缓存中有对应的MAC地址，主机或设备不会再发送ARP请求报文，而是直接将报文发至这个MAC地址；如果高速缓存中没有对应的MAC地址，主机或设备才会广播发送ARP请求报文，进行ARP地址解析。设备上动态ARP表项到达老化超时时间后，设备会发送老化探测报文（即ARP请求报文）。设备发送的老化探测报文可以是单播报文，也可以是广播报文。缺省情况下，设备只在最后一次发送ARP老化探测报文是广播模式，其余均为单播模式发送。ARP老化时间一般 20分钟。

四、传输层协议

传输层定义了主机应用程序之间端到端的连通性，常用传输控制协议TCP和用户数据包协议。

• TCP
  TCP是一种面向连接的传输层协议，提供可靠的传输服务。TCP使用端口号来区分不同网络服务。TCP通过三次握手建立可靠连接，通过四次握手关闭连接。
  
  

• UDP
  UDP是一种面向无连接的传输层协议，传输可靠性没有保证。