计算机网络教程之网络层 (1) 基础知识网络层是否要提供像电信网那样，提前分配出一切传送资源的模式，让网路层提供可

网络层任务

网络层向上只提供简单灵活的，无连接的，尽最大努力交付的数据报服务

网络层是否要提供像电信网那样，提前分配出一切传送资源的模式，让网路层提供可靠的交付，这在设计时是一个很大的争论，是由端系统负责还是网络负责。类似电话传输，先分配出传送的资源，并且不用告诉目的地址，就可以连续的无差错的到达终点。但是网络层没有这么设计，因为电话的端系统很简单，但是电脑的功能却很强大，又很强的差错处理能力。所以网络层不提供传送质量的保证。这样做的好处有很多，这样使路由器的设计很简单，网络造价的成本大大降低了，功能少了更加灵活了。

使用IP地址，这种面向抽象的方式实现了虚拟互联网络

全球的硬件地址也是唯一的，为什么不使用硬件地址当作地址，而要使用另外的IP地址呢，这也是一种二次封装，因为硬件地址虽然是唯一的，但是有很多种类，如果使用的话，就要做很多转换工作，也不好扩展。但是使用虚拟的IP地址，就可以不用管这些差异了，全球所有的地址都依赖这套地址。可以屏蔽掉各种物理网络的差异。

传输格式

IP数据报，也叫分组

主要协议

ARP 地址解析协议
IP 网际协议
ICMP 网际控制协议
IGMP 网际组管理协议

IP地址

分类的IP地址

每个IP地址占32位(IPV4)，由两部分组成，网络号+主机号，网络号标记连接的网络，而主机好标记这个网络下的各个主机。根据主机的多少，又分为5类地址，ABCDE，他们的网络号分别占8，16，24位，D类地址是多播地址，E为保留地址。可以看出A类地址的网络主机是最多的，有16777214个之多。为什么要这么分配，是因为网络的差异很大，有的小单位只需要很少的一部分IP的地址，所以申请一个C类地址就够了，而有的很大的单位，需要很多就可以酌情申请合适的地址类型了。拿到这个网络号时，它所属的主机号，这个单位就自己分配了。也可以看作是一个地址快。这样地址管理中心只需要分配网络号即可，而且路由器的转发，就可以只判断网络号。因为同一局域网下的主机或者路由器的主机号必须是一样的。

特殊不分配的地址

全0的地址，表示这个，即本网络，全1表示所有的，表示这个网络号上的所有主机。
网络号为127（0111111）的作为环回地址，本主机的进程间通信使用。发送这个地址，本主机的协议软件会处理。

数据报格式

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20字节，是必须有的，后一部分是可选部分，长度可变。
IP数据报首部固定数据类型：
1. 版本：4位，IPC4 IPV6等
2. 首部长度：4位，由于不是长度不是固定的，所以需要一个值记录它。最大60字节，当首部长度不是4字节的整数倍时，需要字节填充，因为IP数据部分永远在4字节的整数倍看是。
3. 数据报总长度：16，由于在数据链路层规定了数据帧数据字段的最大长度，称作最大传送单元MTU，当一个IP数据报超过这个长度时，就要做分片处理。短的话，路由器的转发效率高。
4. 标识：不是序号，因为IP时无连接的，没有序号。当分片时，相同的是一组。
5. 片偏移：分片的序号
6. 生存时间：指在路由器的跳数，为了避免兜圈子，浪费资源。
7. 协议：传送数据的类型
8. 首部检验和：为了判断首部的数据是否传输错误，只检查首部的数据正确与否，不对直接扔掉。
9. 源地址/目的地址：各占32位

IP数据报可变部分：为了给IP增加一些新的功能，有的支持排错，测量和安全措施等。

IP地址和硬件地址的关系

传输过程中，网络层之上使用的都是IP地址，而下面使用的是硬件地址，为什要使用IP地址上面说明了，但是为什么要使用硬件地址呢。因为在数据链路成和物理层必须使用硬件地址进行传送。在链路层传送的MAC帧的地址就已经是硬件地址了。这就涉及到了两者之间的转化，就要使用ARP协议了。

ARP协议

路由解析协议就是通过IP地址来找硬件地址的。他是怎么工作的呢。每一台主机上都有一个ARP的IP地址和硬件地址的映射表，里面有这个局域网的映射关系，里面的信息都是主机知道的一些地址，那么这些地址怎么来的呢。当主机A向B发送数据时，先看ARP映射表里有没有目的IP地址对应的硬件地址，如果有，那么直接写入MAC帧，发送即可。如果没有，就需要运行一下ARP，找到这个硬件地址。

先在网上广播发送一个ARP请求，内容包括本机的IP地址和硬件地址，和目的IP地址
本局域网上的所有主机都会收到这个请求，如果一台主机B发现请求里的目的IP地址和自己的一样，就发送一个回应。把自己的MAC硬件地址发送到源主机（发送请求是广播，而发送回应是单播），A和B主机都回在自己的映射中存储各自的映射，以备下次使用。
同时ARP还会设置一个生存时间，过了这个时间就要删除这个条目，以便再次发送请求更新地址。
ARP是解决局域网上IP地址和硬件地址转换的问题的。不在一个局域网上也不需要知道对方的硬件地址，因为不在一个网络号下，都会找路由器进行转发，路由器连接两个局域网，只到找到目的IP地址网路号，才会直接交付主机，期间都是找下一跳的路由器的。只是切换了路由器下不同的局域网。

ICMP协议

主要是让主机和路由器报告差错信息和提供异常情况的报告。它的数据放到IP数据报的数据部分发送出去。有3个字段是统一的，分别是类型、代码、和检验和。

类型：

差错报告报文
包括终点不可达，时间超时，参数问题，改变路由等问题。当发生这些问题时，回向源点发送参数问题报文。不发送差错报文的情况：对差错报文，不再发送差错报文/对第一个分片后的数据不发送差错报文/多播不发送/特殊地址不发送。
询问报文
包括会送请求和时间戳请求等。

应用举例：

PING：测试两台主机的连通性，它直接使用了网络层的ICMP，而没有使用TC/UDP等。原理是发送ICMP的回送请求报文，如果可以收到，就会回传回答报文。
tranceroute：跟踪一个分组到原点的路径，原理时发送一连串无法交付的UDP用户数据报，第一个的生存时间设置成1，当到达第一个路由器时，达到了生存时间，这时候就会发送一个ICMP的时间超时差错报告报文。接着发送2，3，4，5数据报。接可以知道这条路径是什么了。

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