网络层协议

网络层经常被称为IP层。但网络层协议并不只是IP协议，还包括ICMP协议。ping基于是ICMP协议。

IP协议

IP是Internet Protocol的缩写，经常被提及的IP，一般不是特指IP协议本身，而是泛指直接或间接与IP协议相关的内容。有IPv4和IPv6两个版本。

IP协议作用：

• 为网络层的设备提供逻辑地址
• 负责数据包的寻址和转发

IP报文格式：

生存时间TTL

TTL字段设置了数据包可以经过的路由器数目。

一旦经过一个路由器，TTL值就会减1，当字段为0时，数据包会被丢弃。可以用来路由器的防止环路。（二层交换机防环STP）

例：原来TTL是255，经过了一台路由器就变成了254

为什么要封装数据？

因为每层和每层的协议数据单元不一样，比如传输层的数据段发给网络层数据段的话，网络层不知道什么是数据段，因为网络层只认识数据包。

IPv4地址介绍

IP地址在网络中用于标识一个节点。IP地址用于IP报文在网络中的寻址。IP地址就像现实中的地址，可以标识网络中的一个节点，数据就是通过它来找到目的地。

掩码：网络号和主机位的界线在哪里。区分一个IP地址中的网络部分和主机部分

IP地址表示

IP地址：32bit 4个字节，用点分十进制表示。

二进制：只有1和0，方便计算机识别。

十进制：方便人去看，0-9。

最小的IP地址：0.0.0.0

最大的IP地址：255.255.255.255

IP地址范围：0.0.0.0~255.255.255.255

IP地址构成

网络部分（网络号）：是一种范围，代表一个班级存在N位同学。用来标识一个网络，代表IP地址所属网络。掩码为1是网络号，为0是主机号。

• IP地址不能反映任何有关主机位置的地理信息，只能通过网络号判断出主机属于哪个网络。
• 对于网络号相同的设备，无论实际所处的物理位置如何，它们都是属于一个。

主机部分（主机号）：代表里面存在哪些节点。用来区分一个网络内的不同主机，能唯一标识网段上的某台设备。

网络掩码：网络号和主机位的界线在哪里区分一个IP地址中的网络部分和主机部分。

• 32位
• 

192.168.1.1/24 代表什么？

1、IP地址是192.168.1.1，掩码是24；

2、是C类地址，范围是1-255；

3、该子网254个可用IP地址

该地址网络号为：192.168.1.0/24

IP地址寻址：

网络部分：用来标识一个网络，代表IP地址所属网络。

主机部分：用来区分一个网络内的不同主机，能唯一标识网段上的某台设备。

网络寻址：

• 二层网络寻址：可直接通过IP地址，找到对应的主机接口。
• 三层网络寻址：利用网关转发来自不同网段之间的数据包。

IP地址分类（有类编址和无类）

有类：

A类：0.0.0.0~127.255.255.255   （第一位是0，所以255减去128＝127）

B类：128.0.0.0~191.255.255.255  （第一位是1，所以255减去64＝191）

C类：192.0.0.0~223.255.255.255   （第一二位是11，所以255减去32＝223）

A/B/C类默认网络掩码：

A类：8bit，0.0.0.0~127.255.255.255/8

B类：16bit，128.0.0.0~191.255.255.255/16

C类：24bit，192.0.0.0~223.255.255.255/24

A类默认掩码8位，B类16位，C类24位

无类：掩码随意设置

例如：IP地址10.1.1.1，掩码可以设置8位，16位，24位

私网IP地址和特殊IP地址

公网IP地址：IP地址是由于IANA统一分配的，以保证任何一个IP地址在Internet上的唯一性。这里的IP地址是指公网IP地址。

私网IP地址：私网IP地址的使用使得网络可以得到更为自由的扩展，因为同一个私网IP地址是可以在不同的私有网络中重复使用的。

A类：10.0.0.0~10.255.255.255  8

B类：172.16.0.0~172.31.255.255   12

C类：192.168.0.0~192.168.255.255   16

NAT，网络地址转换，基本作用是实现私网IP地址与公网IP地址之间的转换。

特殊IP地址：具有特殊含义和作用

IP地址类型：

一个网络号定义的网络范围称为一个网段

网络地址：用于标识一个网络   主机全是0

广播地址：用于向该网络中的所有主机发送数据的特殊地址   主机全是1

可用地址：可分配给网络中的节点或网络设备接口的地址

二进制与十进制的转换：

二进制： 1    1    1    1 .    1   1    1     1

十进制   2^7 2^6 2^5 2^4  2^3  2^2 2^1  2^0

           128  64   32   16     8       4 2     1

例如：十进制：192

二进制：11000000

=2^7+2^6

=128+64

=192

十进制：168

二进制：10101000

=2^7+2^5+2^3

=128+32+8

=168

IP地址计算

10.1.1.1/30的网络地址和广播地址写出来

网络地址：10.1.1.0000 0001 网络地址主机全为0，前30位不动，后两位全部变成0 ——》10.1.1.0000 0000 10.1.1.0/30

广播地址：10.1.1.0000 0001 广播地址主机全为1，前30位不动，后两位全部变成1 ——》10.1.1.0000 0011 10.1.1.3/30

例题：172.16.8.30/23的网络地址和广播地址是多神少？

网络地址：172.16.8.0/23

172.16.0000 1000.0001 1110/23 网络地址主机全是0 172.16.0000 1000.0000 0000/23

广播地址：172.16.9.255/23

172.16.0000 1000.0001 1110/23 广播地址主机全是1 172.16.0000 1001.1111 1111/23

请计算10.128.20.10/8这个A类地址的网络地址、广播地址以及可用地址数

网络地址：10.0.0.0/8

10.1000 0000.0001 0100.0000 1010/8 网络地址全是0 10.0000 0000.0000 0000.0000 0000/8

广播地址：10.255.255.255/8

10.1000 0000.0001 0100.0000 1010/8 广播地址全是1 10.1111 1111.1111 1111. 1111 1111/8

可用地址数：2^24-2（24是主机位，由掩码32位减去当前掩码8所得。减2是去掉网络地址和广播地址）

可用地址范围：10.0.0.1~10.255.255.254

IPv4与IPv6：

IPv4

地址长度：32bit

地址分类：单播、广播、组播地址

特点：地址枯竭；包头设计不合理；对ARP的依赖，导致广播泛滥

IPv6

地址长度：128bit

地址分类：单播、广播、任播地址

特点：无限地址；简化的报文头部、IPv6自动部署

IPv4有效的改善不足手段：

1、NAT

2、私有IP地址

3、DHCP回收IP地址

彻底改善不足手段：推行使用IPv6地址。

IP地址规划的目标是：易管理、易扩展、利用率高。

IP报文格式

IP报文长度固定为20字节，如果带有options则是20-60字节。

每行4字节，32比特，共有5行。

Version：4比特  4表示ipv4,；6表示ipv6

IHL（IP Header Lenth）：4比特  IP首部长度

Type of Service：8比特  服务类型。

Total Length：16比特  总长度，整个IP数据报的长度，包括首部和数据之和，单位为字节，最长为65535，总长度不能超过最大传输单元MTU。

Identification           }

Flags                        } 分片使用的  

Fragment Offset      }

Time to Live：TTL  8比特  可经过的最多路由数量   用来防环

Protocol：协议：下一层协议。 指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分交给哪个进程处理。如果这里编号为1，交给ICMP处理。编号为6交给TCP处理，编号为89，交给OSPF处理。

Header Checksum：16比特  首部校验和，不检验数据部分，

Source address：32比特   源IP地址

Destination address：32比特   目的IP地址

Options： 可变  选项字段，扩充IP字节，最大扩充到60字节

Padding：可变  填充物，比如IP字节为20-60字节，不足20，则添加0在前面。

子网划分

为什么要子网划分？

缩小广播域，避免广播风暴

VLAN（可变长子网掩码）：将一个大的有类网络，划分成若干个小的子网，使得IP地址的使用更为科学。

怎么划分子网？

一个bit存在两种可能（1和0），根据需要的子网数量，借用够用的比特数

比如：192.168.1.0/24，可用地址数2^8-2=254，现在有两个部门，需要借1位，因为2^1=2.

192.168.1.0/24

192.168.1.0000 0000/24  借一位变成：

192.168.1.0000 0000/25  网络地址：192.168.1.0/25     广播地址：192.168.1.127/25

可用地址范围：192.168.1.1~192.168.1.126

192.168.1.1000 0000/25  网络地址：192.168.1.128/25   广播地址：192.168.1.255/25

可用地址范围：192.168.1.129~192.168.1.254

那如果存在4个部门呢？那就借2位，因为2^2=4。8个部门呢？借3位，因为2^3=8

问题：现有一个C类网络地址段192.168.1.0/24，请使用可变长子网掩码给三个子网分别分配IP地址。

192.168.1.0/24            

借三位，子网掩码变成27位

192.168.1.0000 0000/27     255.255.255.1110 0000

2^3=8个子网

2^5=32个主机数（5是，32位掩码减去27位掩码）

192.168.1.0~192.168.1.31

192.168.1.32~192.168.1.63

192.168.1.64~192.168.1.95

192.168.1.96~192.168.1.127

192.168.1.128~192.168.1.159

192.168.1.160~192.168.191

192.168.1.192~192.168.1.223

192.168.1.224~192.168.1.255

ICMP协议

Internet控制消息协议ICMP，是IP协议的辅助协议。

ICMP协议用来在网络设备间传递各种差错和控制信息，用于收集各种网络信息、诊断和排除各种网络故障等方面起着至关重要的作用。

ICMP消息封装在IP报文中，IP报文头部Protocol值为1时表示ICMP协议。

ping用的就是ICMP协议。

ICMP重定向

ICMP重定向报文是ICMP控制报文的一种。在特定的情况下，当路由器检测到一台机器使用非最优路由的时候，它会向该主机发送一个ICMP重定向报文，请求主机改变路由。

ICMP重定向过程：

1.主机A希望发送报文到服务器A，于是根据配置的默认网关地址向网关RTB发送报文。

2.网关RTB收到报文后，检查报文信息，发现报文应该转发到与源主机在同一网段的另一个网关设备RTA，此转发路径是更优的路径，所以RTB会向主机发送一个Redirect消息，通知主机直接向另一个网关RTA发送该报文。

3.主机收到Redirect消息后，会向RTA发送报文，然后RTA会将该报文再转发给服务器A。

ICMP差错检测

ICMP Echo消息常用于诊断和目的地之间的网络连通性，同时还可以提供其他消息，如报文往返时间等。

功能：Ping

ping是网络设备、Windows、Linux和Unix平台上的一个命令，其实是一个小巧而实用的应用程序，该应用基于ICMP协议。Ping常用于探测到达目的节点的网络可达性。

ICMP错误报告

ICMP定义了各种错误消息，用于诊断网络连接性问题；根据这些错误消息，源设备可以判断出数据传输失败的原因。如：当网络设备无法访问目标网络时，会自动发送ICMP目的不可达报文到发送端设备。

功能：Tracert

tracert基于报头中的TTL值来逐跳跟踪报文的转发路径。tracert是检测网络丢包和时延的有效手段，同时还可以发现网络中的路由环路。