第7章 网络层协议_网络层首部

Posted 2020-09-27 浅墨浓香

1. 网络层首部

1.1 网络层协议

 

（1）TCP/IP协议栈网络层的4个协议：IP协议、ICMP协议、IGMP协议和ARP协议。

（2）IP协议：动态路上协议的统称，包括RIP和OSPF协议。

（3）TCP/IP协议分成四层：应用层定义了客户端和服务器通信规范，传输层实现可靠传输，网络层负责为数据包选择转发路径，数据链路层负责将数据包封装成帧发送到数字链路上。

1.2 查看网络层首部

 

1.3 网络层首部格式

 

（1）版本：占4位，指IP协议的版本。目前有两个版本IPv4和IPv6。

（2）首部长度：占4位，能表示的最大十进制数值为15（60个字节，即固定部分+可变部分的最大长度为60字节）（注意，该字段的单位为4个字节）。当IP分组的长度不是4字节的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充。

（3）区分服务：占8位，配置计算机给特定应用的数据包添加一个标志，然后再配置网络中的路由器优先转发这些带标志的数据包。在网络带宽比较紧张的情况下，这种区分服务能确保服务质量（Quality of Service,QoS）。只有在使用区分服务时，该字段才起作用。

（4）总长度：指IP首部和数据之和的长度，也就是数据包的长度，单位为字节。该字段能表示的最大长度为65535字节。但数据链路层以太网所能封装的数据包最大为1500字节，这就意味着一个IP数据包长度大于链路层的MTU时，需要将该数据包分片传输。网络中的标只、标志和片偏移都是和数据包分片相关的字段。

 

（5）标识：占16位。IP软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据包，计数器加1，并将此值赋给标识字段。这个计数器会达到最大值后会回零循环使用。当数据包由于长度超过网络的MTU而必须分片时，同一个数据包被分成多个片，这些片的标识都一样，这样接收端才能将这些分片重装成原来的数据包。

 

（6）标志：占3位。目前只有两位有意义。

　　①最低位记为MF（More Fragment），当MF=1表示后面“还有分片”的数据包。MF=0时表示这巳是若干数据包中的最后一个。

　　②标志字段中间的一位记为DF（Don’t Fragment）。意思是“不能分片”。只有DF=0时才允许分片。

（7）片偏移：占13位。片偏移指出较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置（单位为8字节）

 

　　①假设3个分片数据包中的数据部分长度分别为1400、1400、1000字节。

　　②原始数据包首部被复制为各数据包片的首部（但必须修改相关字段的值）

　　③片偏移是以字节为单位的，如175表示175*8=1400字节处的偏移。

（8）生存时间（Time To Live，TTL）：每过一个路由器TTL减1，当TTL为0时，就丢弃该数据包而不再转发。

（9）协议：占8位，协议字段指出此数据包（数据部分）携带的数据使用何种协议。以便使目标主机的网络层知道应将数据部分上交哪个处理过程。常用的协议和相应的协议字段如下图所示。

协议名	ICMP	IGMP	IP	TCP	EGP	IGP	UDP	IPv6	ESP	OSPF
字段值	1	2	4	6	8	9	17	41	50	89

（10）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。这是因为每经过一个路由器。路由器都要重新计算一下首部检验和（如TTL、标志和片偏移可能发生变化）

（11）源IP和目标IP。各占32位。

1.4 实战

（1）查看协议版本和首部长度

　　①为Win7虚拟机A和B设置IPv4和IPv6两种地址。如A机IPv4为192.168.80.10/24，IPv6为2001:2012:1975::6/64。B机IPv4为192.168.80.20/24，IPv6为2001:2012:1975::8/64。

　　②在A机上装Winshare抓包工具，并ping虚拟机B中IPv4和IPv6地址（如ping 2001:2012:1975::8）

　　③注意：ping计算机B的IPv4地址的数据包使用的是ICMP协议，网络层首部Version标记为4，首部长度为20字节。IPv6使用的是ICMPPv6协议，Version标记为6，IPv6网络层首部长度固定为40个字节，所以没有首部长度字段。

（2）给数据包设置区分服务字段（以给访问网站的请求流量包增加区分服务标记为例）

 

　　①打开组策略(gpedit.msc)→“计算机配置”→“Windows”→“基于策略的Qos” →“新建策略”。

　　②在“创建Qos策略”对话框中指定策略名称，选中“指定DSCP值”为8（8为区分服务的优先级，范围为0-63）。然后“下一步”，选择此Qos策略应用于“所有应用程序”、“任意源IP地址”、“任意目标IP”。

　　③再“下一步”，在指出“指定协议和端口号”对话框中选择 TCP协议，源端口选择任意，接收端口中输入80。这也是计算机访问网站发送出去的数据包目标端口。

　　④运行Wireshark。打开一个网站，捕获数据包。找到访问网站发送的请求数据包（http、tcp），可以看到该数据包添加了区分服务，值为0x08。

（3）捕获并观察数据包分片

 

　　①ping命令构造的数据包默认是32字节，可以使用-l参数指定数据包大小，-f参数指定数据包是否允许分片。如ping www.baidu.com –l 3500 (数据包大小为3500字节，而以太网MTU大小为1500字节，故会被分成三片)

　　②第1个ICMP数据包被分为3个分片，三个分片的标识都是11110，第1个分片标志为1，片偏移为0。第2个分片的分片标志为1，片偏移为1480。第3个分片的分片标志为0，意味着这是最后一个分片，片偏移为2960。

　　③禁止分片可以将Flags字段的第二位（Don’fragment）设置为1.如ping时指定了数据包大小的同时，可以添加一个参数-f来禁止分片。如ping www.baidu.com–f。然后用Wireshare抓包捕获ICMP包，查看该标志位，如果为1表示不允许分片。

（4）查看和配置链路的MTU

 

　　①查看链路的MTU：R1#show interface serial 1/0，可以找到MTU的值

　　②在R1上设置Serial 1/0接口的链路MTU为500

R1#conf t
R1(config)#interface serial 1/0
R1(config-if)#mtu 500

　　③也需要在R2上配置Serial 1/0接口的链路MTU为500

（5）数据包生存时间（TTL）

　　①操作系统发送数据包的默认TTL值

操作系统	默认TTL值	备注
WinNT4.0/2000/xp/2003	128	Win7可以在注册表中添加一个DefaultTTL来设置默认的TTL值。 HKLM\\System\\CurrentControlSet\\Services\\Tcpip\\Parameters下将DefaultTTL的值改为Dword类型的值，如，十进制的64.
Win95/98/NT3.51	32
Linux	64
MacOS/MacTCP2.0x	60

　　②ping命令中通过-i指定发送的ICMP请求数据包的TTL值。每经过一个路由器TTL减1，当TTL=0时，路由器会丢弃该数据包，然后产生一个ICMP响应数据包给发送者，说明TTL耗尽。通过这种方式，可以将TTL分别指定为1、2、3,…来查看到达目标地址经过哪些路由器）。如ping www.baidu.com -i 1查看经过的第1个路由器。

 

　　③抓包查看数据包TTL变化

 

    注意：R1的默认路由指向R2的s2/0接口地址，R2的默认路由指向R1的s2/0接口。而ping 131.107.1.2时，这个地址并不存在，会发生ICMP请求数据包在R1和R2之间往复转发，TTL不断减1，直到变为0时被丢弃。