第四章 网络层

Posted 2020-08-21 路虽远，梦还在！

　　　　　　序言

　　　　　　　　没保存，电脑没动放着去吃饭，结果win7就休眠了，启动虽然网页度还在，可以我的博文没保存啊，心痛，只能在重头来了，只能说博文应该改进改进，如果直接关了，应该帮用户自动保存草稿的。重新写的。反正今天下午的任务在这里摆着。加油

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　----WZY

 

一、回顾

　　　　　　TCP/IP协议栈：物理层、链路层、网络层、传输层、应用层（会话层+表示层+应用层）

　　　　　　物理层：通过比特流在线路中传输来完成我们传输数据的目的，传输的方式很多种，传输的介质也很多中，光纤等

　　　　　　链路层：数据帧，在数据包(报)上加mac地址形成数据帧，其中的CRC检测原理用来检测数据的完整性，这一层用到的协议有PPP（点到点协议）、例如家中的拨号上网， CSMA/CD协议(广播协议)，在局域网中用的很多。其中会发生一系列的问题，和解决问题的办法。

　　　　　　网络层：数据包(报)，加上源ip地址和目标ip地址了。这一层的协议有四种，ARP（地址解析协议）、RARP(逆地址解析协议)、ICMP(网际控制报文协议)、IGMP(网际组管理协议)。这四种协议只是和IP协议配套使用，。在一章还能学到的是数据包的结构是怎么样的。什么是ip地址，为什么需要ip地址，怎么分配和区分ip地址的，这这一节我们度会讲解到。

　　　　　　传输层：这里会讲解到端口。常见的80端口，我们学习javaWeb时，使用Tomcat中，看到的是8080端口，浏览器使用的是80端口，这一节就会讲到端口是干嘛用的。

　　　　　　应用层：待续。

 

 

二、网络层

　　　1、基础知识

　　　　　　什么是ip地址？

　　　　　　　　不就是一连串数组加.组成的吗，比如我们常常设置路由器时登录192.168.1.1。这个就是ip地址。那到底是什么样的呢？

　　　　　　　　　　ip地址就是32位，也就是4个字节组成，因为32位太长了，我们不好识别，所以每次将其分为8位一组，分成4组，然后在根据每组换算成10进制数组，组与组之间用.分隔开来，举个例子，11111111，11111111，11111111，11111111就可以用255，255，255，255来表示了，所以每一组都是从0到255之间。现在在来看192.168.1.1这个ip地址，也能将其换成2进制来表示，只不过那样太麻烦，让人不易于看懂，所以就将其用10进制来表示。

　　　　　　　　ip地址的意义在哪里呢？要上网就需要一个ip地址，这个ip地址不能和别人一样，独一无二，因为在网络上通信就是通过ip地址来找到你这台主机的，但是这个ip地址不是固定的，比如你在家拨号上网，是A这个ip地址，下一次拨号，可能就不是A，变成B了，这要看你所在的网络给你分配了什么ip地址。如何通过ip查找到你，这个问题后面来讨论。

　　　　　　ip地址的分类？

　　　　　　　　 既然每个人的ip地址度不一样，那一台主机怎么通过ip地址找到另一台主机的呢，茫茫人海，不可能一个个查找把，所以就有专门的人来管理和分配这个ip地址，

　　　　　　看看以前怎么分的地址(了解)

　　　　　　分类编址　　= <网络号>+<主机号>

　　　　

　　　　　　　　网络号由你所连的网决定，学校的局域网，公司的局域网，城市的广域网等，就是相当于先市、在区、在到村这样的。跟快递一样，你ip地址肯定也得这样分，先找到大的，然后慢慢一层层找下去。

　　　　　　A类地址：网络号有8位，第一位固定为0，127种，主机号有24位，那么就能给该类地址划分16777215个ip地址把，也就1千多万个地址，意思就是比如你需要组建一个有1千多万台主机的网络，那么你就要去分配一个A类地址，要求给你一个网络号，然后其中1千多万的ip地址就由你自己分配了，最多也就只能分配127个这样的网络

　　　　　　B类：网络号、主机号16位，就能有65535个网络号和65535个主机号了。

　　　　　　C类：网络号有24位，也就能够分配1000多万个网络，但是主机号只有8位，也就是只能够自己分配254台主机最多

　　　　　　D类：用于多播，多播后面讲

　　　　　　E类：留着以后用

　　　　　　这就是我们老早以前所使用的ip地址，就是这样分的，这样看起来很合理啊，你看B类中，有那么多种，肯定够分了把，但是会暴露出一个问题就是，C类地址只能分配254台主机，现在中小型网络那么多，度超过了254台电脑，如果A公司有1000台电脑，那他肯定要去分配B类地址，就造成了几万个的ip地址浪费了。这显然不是很合理。

 

　　　　　　划分子网 = <网络号>+<子网号>+<主机号>

　　　　　　这是ip地址分类的第二大步，中间加了一个子网号，这样就加大了对上面的A类和B类地址的使用率。也就减少了A类和B类地址的浪费，但是也有问题就是C类地址不管怎么划分，他所容纳的主机太小了，随着网路的扩增，人人度使用电脑，那么A类和B类迟早度会用光，所以就用到了我们现在的IP地址

 

　　　　　　无分类编址 = <网路前缀>+<主机号>   这个就是我们现在用的ip地址的算法。

　　　　　　这个一看，跟第一种分类编址一样呀，其实很大的不同就在于分类编址的网络号不能变，是固定长度，而无分类编址通过网络前缀可变化，就能根据你需要多少个主机号来自由给你分配网络前缀了。

　　　　　　网络前缀：也就是用不定长的一连串1来表示ip地址的网络号。什么意思呢？

　　　　　　　　　　网络前缀：255.0.0.0  ip地址：192.168.1.1  那么该ip地址的前8位就属于网络号。

　　　　　　　　　　网络前缀：255.224.0.0 ip地址：192.255.1.1 因为255是8个1，224是111 00000 ，所以前11位表示网络号，也就是这个ip地址是处于192.224.0.0这个网络中，在这个网络中，能包含21个1转换为10进制这么多的主机。

　　　　　　　　这个网络前缀我们也称子网掩码，所以现在知道ip地址和我们的子网掩码什么意思了吗。

　　　　　　例如：已知ip地址141.14.72.24，所在网络的子网掩码是255.255.192.0，试求其网络地址？

　　　　　　　　子网掩码：255.255.192.0      11111111，11111111，11000000，00000000

　　　　　　　　ip地址：141.14.72.24           10001101，00001110，01001000，00011000

　　　　　　　　所以根据子网掩码知道ip地址的前18位为网络号，网络地址就为：10001101.00001110.01000000.00000000 转换为10进制就是141.14.64.0， 能够存纳14位1也就是16383台主机。(别问我怎么算的，肯定拿二进制转换器啊，不可能自己手算把，哈哈，二进制转10进制这么多怎么手算呢，记住特殊的，8个1就是255)

 

　　　　　　ip地址和MAC地址的区别？

　　　　　　　　mac地址：物理地址

　　　　　　　　ip地址：网络中的地址

　　　　　　　　　　这两者的关系是什么呢？在网络中我们通过主机的ip地址，先找到他的网络地址，到达了网络地址后，然后通过该网络中的老大(路由器)来分析一下这个ip地址是你网路中的哪个主机，这时，老大(路由器)就通过该目标ip地址改到对应主机的mac地址，既然知道了mac地址，就能找到该计算机了。就好比什么呢。路由器是每次分配给你的ip地址不一样，但是你的mac地址肯定不会变，所以就根据ip地址找到你的mac地址。但是怎么找到的呢？就要通过网络层中的ARP(地址解析协议)协议了。

　　　　　　　　

　　　　　　知道了基础的知识后，现在来讲解网络层的几个协议

　　　　　　　　　　　

　　　　　　RARP:逆地址解析协议(现在度不单独讲这个了，所以我在图中画在红色圆圈内部，因为RARP已经被DHCP协议给包含了，DHCP协议在后面会讲解到)，所以我们下面讲的就4个协议。

 

二、ARP协议

 　　　　　　地址解析协议：通过ip地址来解析主机的mac地址，是怎么个过程呢，拿局域网来说，一个局域网中有很多主机，主机A想和局域网中的主机B通话，但是只知道对方的ip地址，所以他就通过发广播，给局域网中所有的主机，问这个ip地址是谁，主机B收到了这个信息，通过网络适配器(网卡)就发现自己是这个ip地址，然后就把自己的mac地址发给源主机，这样就知道了mac地址，就能够通信了。

　　　　　　类似的，在跨网络中就不是直接发广播了，先通过ip地址找到对应的网络地址，如何找到的对应的网络地址呢，通过路由器，每个路由器度有三层。网络层、链路层、物理层，也就是说最高能够识别网络层中的东西来，那么路由器也就有ARP协议了，每个路由器度能识别出目标ip地址在哪个路由器上，这其中涉及到了很多算法，我们这里不做更多的解释，简单来说，路由器能根据目标ip地址找到下一跳路由器的mac地址，然后一步一步跳下去，直到找到目标ip地址的网络地址的路由器，然后通过该路由器来找到目标ip地址的mac地址，这样就能够找到目标主机了。这就是ARP协议。

　　　　　　发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。
　　　　　　发送方是主机，要把 IP 数据报发送到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。
　　　　　　发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到本网络上的一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。
　　　　　　发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。　　　

 

　　　　　　

三、IP协议

 　　　　　　IP协议通过看一下IP数据包(报)的格式就知道IP协议是干嘛的了，就是来规定数据报的格式，以及定义的功能

　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　固定部分：20个字节，一行是4个字节，有5行，自己看清楚

　　　　　　　　　　版本：占4位，IP协议的版本，通信双方的IP协议版本要一致，普遍用IPv4，以后可能会用IPv6.

　　　　　　　　　　首部长度：占4位，可表示的最大十进制为15，单位是32位字(4个字节)，表示首部最长为60个字节，也就是说除去固定部分的20个字节，可选字段和填充最多能是40个字节。

　　　　　　　　　　区分服务：占8位，1个字节。有些要传输的数据要立马传达到对面，比如视频，语音这样的，不能跟邮件慢慢吞吞的达到对方一样，需要立马送达，这就是为什么需要这个区分服务了

　　　　　　　　　　总长度：占16位，2个字节。占首部+数据部分 的总长度是多少。数据帧最长不能超过1500个字节，数据包就不能一次性发太大，如果发的太大就要选择分片处理了。

 　　　　　　　　　  标识：占16位，2个字节，一个计数器，每产生一个数据包，计数器就加1，当数据包被分片时，下面将会说到分片问题，所有分片后的数据包的标识度一样。这样相同的标识的数据包片就能够重新组合到一起

　　　　　　　　　　标志：占3位，第一位暂时没意义，第二位DF：不能分片的意思，为1时，不能分片，为0就可以分片  第三位MF 还有分片的意思，为0代表这是若干数据包中的最后一片

　　　　　　　　　　片偏移：占13位，在较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置，几个例子，1111，1111，1111，1111 这16位，分成4个数据包分片来发，第一个数据包分片的片偏移为1，第二个为5，第三个为9，第四个为13，就是这个意思，片偏移以8个字节为偏移单位，也就是说，每个分片的长度一定是8字节的整数倍，上面是以位来举例说明问题，实际上单位是8个字节为单位。

　　　　　　　　　　生存时间：也就是ping命令中显示的TTL字段，跳数限制，每经过一个路由器，就减1，当跳到0后，就丢弃该数据包。window系统的起始TTL为32、Linux64、xp：128

　　　　　　　　　　协议：占8位，数据包中数据部分使用的是什么协议，方便目的主机的IP层知道讲数据部分上交给哪个处理。(也就是下一章要将的TCP还是UDP协议)

　　　　　　　　　　首部检验和：占16位。这个字段只检验数据报的首部，但不包括数据部分。这是因为数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算一下首部检验和（一些字段，如生存时间、标志、片偏移等都可能发生变化）。不检验数据部分可减少计算的工作量。

　　　　　　　　　　源地址：占32为，也就是源IP地址

　　　　　　　　　　目标地址：占32位，也是IP地址

　　　　　　　　　　可选部分：为了使整个数据包为整数个字节而设置的。

　　　　　　　　

 

四、ICMP协议

　　　　　　这个比较简单，就两部分ICMP差错报告报文、ICMP询问报文   这个挺使用的，比如我们经常用来测试网络连接畅通的ping命令等

　　　　　　　　ICMP差错报告报文：检测在传送数据的过程中，发生的错误，如果发生了错误，会通过该协议返回给源主机一个带有错误原因的数据包

　　　　　　　　　　　　终点不可达：发送数据后，路由器或主机不能完成交付数据报时，就会往源主机发送终点不可达报文

　　　　　　　　　　　　源点抑制：当路由器或主机由于网络拥塞而丢弃数据报时，返回一个源点抑制报文

　　　　　　　　　　　　超时：

　　　　　　　　　　　　参数问题，在ip数据包中的首部有的字段不正确时，丢弃该报，返回参数问题报文

　　　　　　　　　　　　改变路由(重定向)：路由器把改变路由报文发送给主机，让主机下次直接经过改变后的路由器。

　　　　　　　　ICMP询问报文：

　　　　　　　　　　　　回送请求和回答：主机向特定目标发出询问，收到此报文必须返回一个ICMP回送回答报文。用于测试目的站是否可达。

　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　时间戳请求和回答：请某个路由器或主机回答当前的日期和时间，用于进行时钟的同步和测量时间。

五、IGMP协议

　　　　　　用于多播，解释一下多播是什么把。

　　　　　　　　广播：老师在台上讲课，你们能随时看到老师的电脑屏幕，因为采用的广播，每个人度能接受到老师屏幕上所有的数据包

　　　　　　　　多播：在一个局域网中，有三个多播组，A、B、C，A在放java视频，B在放C++视频，C在放娱乐视频，如果你想看Java视频，那么你就调到A这个多播组中学习java视频，学习累了，你就可以换到C这个多播组中看看娱乐节目，这就是多播的意思，相对广播来说，自己需要什么就调什么，而不是跟广播一样，被动接受，他播到哪，就只能看到哪，多播能自由控制速度。

　　　　　　　　单播：50个人想看视频，就得发送50个数据包。多播的话就发一个，然后通过路由器转发50分给不同的人，

　　　　　　

 

六、总结

 

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　注意：每个路由器度有一个路由表，并且主机也有记录ip地址和对应mac地址的功能。并不是每次通信度需要发广播询问。

　　　　　问题一： 　　　　分析从主机A找到主机B的过程？

　　　　　　　　　　1、A先在自己的网络中发送广播，通过ARP协议。问所有的主机，谁知道10.0.0.3这个ip地址的主机是谁，同时把自己的主机ip地址和mac地址一起发送，主机B发现自己是10.0.03这个ip地址，就把自己的mac地址发回去

　　　　　　　　　　2、主机A发现有人回应，就知道在自己本网络中，然后就找到了目标主机，开始通讯

 

　　　　　问题二：分析从主机A找到主机E的过程

　　　　　　　　　　1、主机A先发广播看自己本网络没有该主机，没有，然后就给ip地址为10.0.0.1这个路由器F1发信号获得路由器的mac地址，然后给他发信号叫该路由器F1帮我们查找ip地址为12.0.0.3的主机。这个路由器的ip地址就网关，所以每台计算机上度要有三个东西，ip地址，子网掩码，网关。 

　　　　　　　　　　2、路由器因为知道所有的网络在哪里，通过子网掩码和ip地址，就能够算出该ip地址在哪一个网段中，路由器就一跳一跳的经过路由器，知道找到对应网段的路由器F2

　　　　　　　　　　3、找到F2后，F2就以同样的方式通过ip地址找到对应的mac地址，就这样找到了。

　　　　　　　　省略了路由器如何找的这一步，这个可以自己看书，其中有很多中方式，很多种算法，我们就知道我们给ip地址和子网掩码给路由器，路由器就知道下一跳给谁，知道找到对应网段

 

　　　　  问题三：分析从主机A到主机E数据的形式。

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　传输层(还没讲)：讲各个数据段划分序号

　　　　　　　　网络层：加上ip地址

　　　　　　　　数据链路层：加上mac地址和CRC检测的FCS

　　　　　　　　物理层：转化为比特流传输

　　　　　　　　集线器：只认识物理层，用来转发比特流

　　　　　　　　交换机：能认识数据链路层，所以交换机有mac地址表，能够记录各种mac地址，下一次就能选择性的转发数据了

　　　　　　　　路由器，能认识网络层，有路由表，所以能够通过ip地址找到对应网段。