层3 网络层

一、网络层提供的服务

 

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说明：网络层负责在不同网络之间转发数据包，基于数据包的IP地址转发。至于多个数据包在接收端的顺序、是否丢包（不负责重传）这些都不是网络层的任务，而是传输层的任务了。

二、网络层如何发送数据

• 应用程序准备要传输的文件
• 传输层将文件分段并且编号
• 网络层田间目标IP地址和源IP地址
• 数据链路层一般有两种情况，一种是使用自己的子网掩码，判断自己在哪个网段和目标地址在哪个网段。如果在同一个网段，则直接使用ARP广播解析目标IP地址的MAC地址，然后直接传输。如果不是在同一个网段，则首先要询问网关的MAC地址，将数据先传递给路由器，路由器根据目标IP地址将数据发送目的主机。对于数据，在传输层叫段，在网络层叫包，在链路层叫帧。
  
   

  

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  说明：从上图中我们可以清晰的看到数据是如何传送的，同时也可以看到各类设备工作在哪一层。

三、网络层协议

3.1 ARP协议

将IP地址通过广播目标MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF来解析目标IP地址的MAC地址。只能在本网络，不能跨网络。也就是只能扫描本网络的MAC地址。使用命令arp -a可以查看某时刻的网络MAC地址。

3.1.1 ARP欺骗

比如现在同一个网络中有三台计算机P1、P2、P3，其物理地址分别是M1、M2、M3，此时P1要向P2发送数据，于是使用ARP协议广播，首先P2将自己的物理地址高速了P1，于是这个地址M2就存储在了P1上，但是此时P3通过黑客软件伪装成P2告诉P1物理地址为M3，于是之后所有数据都发送给P3，当然P3为了不被发现，可以将数据再次转发给P2。这就是ARP欺骗。我们可以使用命令arp -s 192.168.88.100 00-0c-29-53-48-c4修改某个IP地址的MAC地址，此时本计算机就缓存了这个MAC地址，而且是静态的，因为是管理员告诉的。如果要清除缓存的物理地址可以点本地连接，点击修复即可。以上我们可以知道，ARP协议是用来将IP地址解析为MAC地址，而IP地址用来将数据从一个网段转发到另一个网段。

3.2 网际控制报文协议ICMP

此协议用来检测网络是否通畅，比如我们使用ping命令测试网络就是使用的此协议。在使用此命令的时候我们可以查看延时，同时关注一个信息，就是TTL。TTL表示数据包的生存周期，一般来说Linux为64、Windows为128、Unix为255，然后数据在传输的过程中每经过一个路由器则TTL减一，通过这个值我们可以大概判断所ping计算机的系统，如果TTL减为零则数据不再传输，直接被丢弃。如果给ping命令加上-t，则表示让此命令一直进行下去。Windows中pathping命令能跟踪数据包路径，计算丢包情况。

3.3 Internet组播管理协议IGMP

• 组播（多播）
  通过一个组播地址让一组计算机来进行接收，而不是向广播那样，所有的计算机都能接收到。
• IGMP协议
  就是配置在一个组的路由器上面的，如果这个组都不需要接收数据了，那么配置了此协议的路由器就会知道发送端不需要发送数据了。

四、抓包分析数据

4.1 IP数据报结构

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，供20字节，是所有IP数据报必须有的
• 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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  说明：版本用来标识TCP/IP协议的版本。区分服务是指，在传输信息的过程中，有些信息可能要求实时性，但是有些却没有这样的要求，于是对于这两种信息我们可以对其做上标记，同时也高速路由器优先传输哪种信息，这就是区分服务。总长度即数据报或分片之后数据报的长度。而前面讲到数据链路层的数据最大是1500字节（最大传输单元MTU），而这里的数据报却最大是2^16-1个字节，这里就会产生冲突，这里使用分片将网络层数据报分成小的片，然后由链路层传输，一般情况下是不需要分片的。分片实例如下图6。
  
   

  

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  而这里的标识是指，当一个数据报分片之后如何在接收端进行组装，那时就需要使用这个标识。标志表示数据报是否进行了分片，标志站3位，目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是MF（More Fragment）。MF=1表示后面“还有分片”；MF=0表示最后一个分片。标志字段中间的一位是DF（Don't Fragment）。只有当DF=0时才允许分片。片偏移表示在分片之后， 某一个数据报在整个数据报中的分片位置的偏移是多少。生存时间（TTL） 即数据报的生存时间，可以防止路由中的环路导致数据不能送达目的地。协议是指数据使用的是什么协议，是TCP还是UDP还是其他。
  
   

  

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  其中各协议对应的协议号为，ICMP：1、IGMP：2、TCP：6、UDP：17、IPv6：41、OSPF：89。首部检验和（16位）用于检验数据报是否被修改或者出错，首部检验和字段只检验数据报的首部，不检验数据部分，这里不采用CRC检验码而采用简单的计算方法。
  
   

  

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  可选字段一般没有，用于支持排错测量等，在IPv6中已被取消了。我们可以使用抓包工具进行查看，同时还可以使用抓包工具来排查网络故障。

五、IP协议

网络层的职责就是在路由器之间转发数据，不负责数据的是否出错等问题。而路由器是如何判断数据应该从哪个口转发出去呢？是如何选择路径的？这是通过路由表来进行选择的，路由表一种是由管理员告知的这一段数据应该怎么走，这就是静态路由；另一种是好几个路由器通过某种协议（RIP等）相互学习到某个网段该怎么走，在传输的时候自己选择走哪条路径传输，这就是动态路由。这里所述的IP协议是一个统称，即所有能让路由器学习到路由表的协议统称为IP协议。

5.1 网络畅通的条件

 

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说明：网络畅通的条件就是数据报在发送的过程中有去有回，即传输路径中的每个路由器都知道其要传递的下一个路由器地址，并且也知道数据反向回来时的目的路由器地址。所以计算机和路由器必须配置网关，同一个局域网中通信是不需要网关的。

5.2 静态路由

在使用静态路由时，需要管理员高速所有路由器所有没有直连的网络下一跳（下一个传输结点）给哪个路由器。这里注意：如果是如上图那样的网络我们可以手动设置一些静态路由即可，但是如果网络较为复杂，都手动设置会特别麻烦，而且容易出错，此时就需要使用动态路由了。静态路由适合于小规模网络，不能够自动调整路由。

5.3 动态路由

 

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说明：

• RIP：周期性的广播路由表，使得网络中的其他路由器知道此路由器连接的线路。同时自己判断转发次数最少的路径为最佳路径，一般30秒更新一次路由信息。最大转发次数为15次，如果有16个及以上的路由器则仍未不可到达，不适合网络规模较大的情况。

• OSPF：此协议选择最佳路径的方式不是以转发多少次为标准，而是以带宽为标准，哪个路径的带宽大就选择哪条路径转发，这样会更快。