网络层协议与应用（IP数据包、ARP协议）

1、网络层的功能

• 定义了基于IP协议的逻辑地址，就是IP地址
• 连接不同的媒介类型
• 选择数据通过网络的最佳路径，完成逻辑地址寻址

2、IP数据包

数据封装的时候在网络层会封装ip地址的头部，形成ip数据包。

IP数据包格式（分为20字节的固定部分，表示每个ip数据包必须包含的部分，和40字节的可变长部分）

• 版本号（4bit）：指IP协议版本。并且通信双方使用的版本必须一致，目前我们使用的是IPv4，表示为0100

• 首部长度（4）：IP数据包的包头长度

• 优先级与服务类型（8）：该字段用于表示数据包的优先级和服务类型。通过在数据包中划分一定的优先级，用于实现 QoS（服务质量）的要求。

• 总长度（16）：IP数据包的总长度，最长为 65535 字节，包括包头和数据。

• 标识符（16）：该字段用于表示IP数据包的标识符。当IP对上层数据进行分片时，它将给所有的分片分配一组编号，然后将这些编号放入标识符字段中，保证分片不会被错误地重组。标识符字段用于标志一个数据包，以便接收节点可以重组被分片的数据包

• 标志（3）：和标识符一起传递，指示不可以被分片或者最后一个分片是否发出(完整)

• 段偏移量（13）：在一个分片序列中如何将各分片连接起来，按什么顺序连接起来

• TTL生命周期（8）：可以防止一个数据包在网络中无限循环的转发下去，每经过一个路由器 -1,当TTL的值为0时，该数据包将被丢弃 0-255

• 协议号（8）：封装的上层哪个协议，ICMP:1 TCP:6 UDP:17

• 首部校验和（16）：这个字段只检验数据报的首部，不包括数据部分。这是因为数据报美经过一次路由器，都要重新计算一下首部校验和（因为，一些字段如生存时间、标志、片偏移等可能发生变化）

• 源地址（32）：源ip地址，表示发送端的IP地址

• 目标地址（32）：目标ip地址，表示接收端的IP地址

• 可选项：选项字段根据实际情况可变长，可以和IP一起使用的选项有多个。例如，可以输入创建该数据包的时间等。在可选项之后，就是上层数据

  注：根据实际情况可变长，例如创建时间等上层数据。

3、ICMP协议

3.1 ICMP协议

Internet控制消息协议ICMP (Internet Control Message Protocol)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，对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。

常见的 ICMP报文格式 ：

Type	Code	描述
0	0	Echo Reply
3	0	网络不可达
3	1	主机不可达
3	2	协议不可达
3	3	端口不可达
5	0	重定向
8	0	Echo Request

3.2 ICMP的基本使用：Ping命令

在网络中，ICMP协议的使用是靠各种命令来实现的。Ping是网络设备、Windows、Unix和Linux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。

ping命令的常用选项：

    -t             Ping 指定的主机，直到停止。
                   若要查看统计信息并继续操作，请键入 Ctrl+Break；
                   若要停止，请键入 Ctrl+C。
    -a             将地址解析为主机名。
    -n count       要发送的回显请求数。
    -l size        发送缓冲区大小。
    -f             在数据包中设置“不分段”标记(仅适用于 IPv4)。
    -i TTL         生存时间。
    -v TOS         服务类型(仅适用于 IPv4。该设置已被弃用，
                   对 IP 标头中的服务类型字段没有任何
                   影响)。
    -r count       记录计数跃点的路由(仅适用于 IPv4)。
    -s count       计数跃点的时间戳(仅适用于 IPv4)。
    -j host-list   与主机列表一起使用的松散源路由(仅适用于 IPv4)。
    -k host-list    与主机列表一起使用的严格源路由(仅适用于 IPv4)。
    -w timeout     等待每次回复的超时时间(毫秒)。
    -R             同样使用路由标头测试反向路由(仅适用于 IPv6)。
                   根据 RFC 5095，已弃用此路由标头。
                   如果使用此标头，某些系统可能丢弃
                   回显请求。
    -S srcaddr     要使用的源地址。
    -c compartment 路由隔离舱标识符。
    -p             Ping Hyper-V 网络虚拟化提供程序地址。
    -4             强制使用 IPv4。
    -6             强制使用 IPv6。

• ping -t

默认情况下是 ping 4次 就停止了，使用该命令可以不间断地Ping指定计算机，直到管理员中断。

• ping -a

将地址解析为主机名。就是可以通过ping它的IP地址，可以解析出主机名。

• ping -n count

定义用来测试所发出的测试包的个数，缺省值为4。 在默认情况下，一般都只发送4个数据包， 通过这个命令可以自己定义发送的个数，对衡量网络速度很有帮助，比如我想测试发送20个数据包的返回的平均时间为多少，最快时间为多少，最慢时间为多少就可以通过执行带有这个参数的命令获知。

• ping -l size

指定数据包的大小。 在默认的情况下windows的ping发送的数据包大小为32byt，也可以自己定义，但有一个限制，就是最大只能发送65500byt，超过这个数时，对方就很有可能因接收的数据包太大而死机，所以微软公司为了解决这一安全漏洞于是限制了ping的数据包大小。

• ping -r count

在“记录路由”字段中记录传出和返回数据包的路由。一般情况下你发送的数据包是通过一个个路由才到达对方的，但到底是经过了哪些路由呢？通过此参数就可以设定你想探测经过的路由的个数，不过限制在了9个，也就是说你只能跟踪到9个路由。

4、ARP协议

4.1 ARP协议概述

在局域网中，交换机通过MAC地址进行通信，要获得目的主机的MAC地址就需要使用ARP协议将目的IP地址解析成目的MAC地址。所以，ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议)的基本功能是负责将一个已知的IP地址解析成MAC地址，以便在交换机上通过MAC地址进行通信。

4.2 ARP工作原理

（1）当PC1想发送数据给PC2，首先在自己的本地ARP缓存表中检查主机PC2的MAC地址是否存在。

（2）如果PC1缓存中没有找到响应的条目，它将询问主机PC2的MAC地址，从而将ARP请求帧广播到本地网络的所有主机，该帧中包括源主机PC1的IP、MAC地址和PC2的IP地址、广播MAC地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）。本地网络中的所有主机都接收到ARP请求，并且检查是否与自己的IP地址相匹配。如果发现请求中IP地址与自己IP不匹配，则丢弃ARP请求。

（3）主机PC2确定ARP请求中得IP地址与自己的IP地址匹配，则将主机PC1的地址和MAC地址添加到本地ARP缓存表中。

（4）主机PC2将包含其MAC地址的ARP回复消息直接发送回主机PC1（数据帧为单播）。

（5）主机PC1收到PC2发的ARP回复消息，将PC2的IP和MAC地址添加至自己ARP缓存表中，本机缓存是有生存期的，ARP缓存表默认有效时间120s。当超过该有效期后，则将重复上面过程。主机PC2的MAC地址一旦确定，主机PC1就能向主机PC2发送IP信息。

windows当中如何查看arp缓存表（静态arp和动态arp）

arp -a          ###查看arp缓存表 
arp -d [IP]     ###删除arp缓存表
arp -s IP MAC   ###删除arp静态绑定

4.3 ARP攻击与欺骗

ARP攻击原理：

• ARP攻击发送的是ARP应答，但是ARP应答中的MAC地址为虚假地址，所以在其他主机想要进行通信时，会将目的MAC地址设置成此虚假MAC地址导致无法正常通信。
• 例如，如果希望被攻击主机无法访问互联网，就需要对网关发送或被攻击主机发送虚假的ARP应答。当网关接收到虚假的ARP应答更新ARP条目后，如果网关再发生数据给PC1时，就会发送到虚假的MAC地址导致通信故障。

ARP欺骗原理：

• ARP 欺骗就是非法的宣称自己是某个 IP 的 MAC 地址，使询问者错误地更新 ARP 缓存表，这样被欺骗主机发送的数据就会发送到发起攻击的主机，而不是理想的目的 IP 主机。
• 如果攻击者将目的主机也欺骗，就可以实现对两台主机之间数据传输的控制。

ARP欺骗的原理和ARP攻击基本相同，但是效果不一样。ARP攻击最终的结果是导致网络中断，而ARP欺骗的最终结果是使得流量通过自身达到监控或控制的目的。