网络基础之------网络协议（网络层）

卡卡173
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简介

网络层是tcp/ip五层模型的第三层，本次文章将讲解网络层中的协议。

IP协议

在网络通讯中，mac地址是在全世界范围内唯一的网络标识，那么IP作为mac地址的衍生也是唯一的，IP协议就是通过唯一的IP地址将数据包传输给知道的网络设备。

一、IP协议简介

IP协议（Internet Protocol）是互联网的核心协议，属于网络层协议，负责将数据包从源主机路由到目标主机。它是TCP/IP协议族的基础，主要实现两大功能：

  1. 寻址：通过IP地址唯一标识网络中的设备。
  2. 路由：选择最佳路径传输数据包。
二、IP协议核心特性
特性说明
无连接发送数据前无需建立连接（如寄信不需确认对方地址有效）。
不可靠不保证数据包必达，丢失/乱序由上层协议（如TCP）处理。
分片与重组大数据包分割传输，目标设备重组（受MTU限制，如以太网MTU=1500字节）。
版本分化IPv4（32位地址）和IPv6（128位地址）为主流版本。
IP协议中必要的IP地址也有分别，分为ipv4和ipv6

像常见的192.168.1.1 这种由四位十进制数组成的网络地址就是ipv4地址，ipv4地址在广大网络设备中已经不够用，那么所致而来的就是ipv6地址，ipv6地址拥有这比ipv4地址远远大的划分范围，号称这可以给地球上的每一粒沙子都可以划分一个地址，可以看出ipv6地址的数量之多，虽然目前ipv4地址的使用还是占大多数，但是我国正在不断推进ipv6地址的使用。

特性IPv4IPv6
地址长度32位（约43亿地址）128位（3.4×10³⁸地址）
地址表示点分十进制（如192.168.1.1）冒号分隔十六进制（如2001:db8::1）
NAT依赖需NAT缓解地址枯竭原生支持端到端通信，无需NAT
安全性依赖附加协议（如IPSec）内置IPSec加密
包头开销20-60字节固定40字节
三、IP协议工作流程

  1. 路由选择：

    • 路由器根据路由表选择下一跳（route print查看本地路由表）。

  2. 分片传输：

    图表

    代码

  3. 跨网络通信：

    • 源IP和目标IP不变，MAC地址逐跳更新（ARP协议解析）。
四、IP协议应用场景
场景说明
互联网通信所有Web访问、视频流等均基于IP协议。
物联网（IoT）IPv6解决海量设备地址需求。
SDN网络通过控制层动态管理IP流量。

ICMP

一、ICMP协议简介

ICMP（互联网控制报文协议）是TCP/IP协议族的核心协议之一，工作在网络层（OSI第3层），主要用于传递网络状态信息和错误报告。它是IP协议的辅助协议，所有ICMP报文均封装在IP数据包中（协议号=1）。

二、ICMP核心功能
功能类型典型应用场景常见工具示例
网络诊断测试主机可达性、追踪路由路径ping, traceroute
错误报告通知数据包丢弃原因（如超时）系统自动触发
流量控制源站抑制（已弃用）早期网络管理
路由重定向通知更优网关路径路由器自动发送
三、ICMP报文类型（部分关键类型）
类型(Type)代码(Code)说明常见触发场景
00Echo Reply（响应应答）ping命令收到回复
30-15Destination Unreachable（目标不可达）网络不可达/端口关闭
80Echo Request（请求响应）ping命令发起请求
110Time Exceeded（超时）TTL归零/分片重组超时
50-3Redirect（重定向）路由器发现更优路径
四、ICMP报文结构

plaintext

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     Type      |     Code      |          Checksum             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Identifier          |        Sequence Number        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         Optional Data                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
  • 关键字段：
    • Type/Code：共同定义报文具体类型（如Type=3, Code=1表示“主机不可达”）。
    • Checksum：校验整个ICMP报文。
    • Echo报文特有字段：Identifier（标识进程）、Sequence Number（序列号）。
五、ICMP典型应用
1. Ping（测试连通性）

bash

# 发送ICMP Echo Request
ping 8.8.8.8
# 输出示例：
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=117 time=12.3 ms
  • 原理：目标主机收到Echo Request后返回Echo Reply。
2. Traceroute（路径追踪）

bash

# Linux/macOS
traceroute www.google.com
# Windows
tracert www.google.com
  • 原理：
    1. 发送TTL=1的UDP包，第一跳路由器返回ICMP Time Exceeded。
    2. 逐步增加TTL，直到到达目标主机。

OSPF

一、OSPF基础概念

OSPF（开放最短路径优先）是一种链路状态路由协议，属于IGP（内部网关协议），用于在单一自治系统（AS） 内动态计算最优路由。其核心特点包括：

  • 开放标准：RFC 2328定义，厂商兼容性好
  • SPF算法：基于Dijkstra算法计算最短路径树
  • 分层设计：通过区域（Area）划分减少计算开销
  • 触发更新：网络变化时立即通告（非周期性更新）
二、OSPF核心特性
特性说明
协议号89（直接承载于IP层）
度量值基于链路成本（Cost=10⁸/BW，BW为带宽）
邻居发现使用Hello包建立邻接关系（组播地址224.0.0.5）
DR/BDR选举在多路访问网络（如以太网）中指定指定路由器/备份指定路由器
认证支持明文/MD5/SHA加密认证
三、OSPF报文类型
类型名称作用
1Hello发现和维护邻居关系
2Database Description (DBD)同步LSDB摘要
3Link-State Request (LSR)请求详细LSA
4Link-State Update (LSU)发送LSA更新
5Link-State Ack (LSAck)确认LSA接收
四、OSPF区域设计
1. 区域类型
区域类型作用示例
骨干区域Area 0，所有非骨干区域必须与之相连Area 0
常规区域连接骨干区域的非0区域Area 1, Area 2
Stub区域阻断Type 5 LSA（减少路由表大小）适合末节网络
NSSA区域允许引入少量外部路由的Stub区域过渡场景使用
2. 路由器角色
角色职责
内部路由器所有接口属于同一区域
ABR区域边界路由器（连接多个区域）
ASBR自治系统边界路由器（引入外部路由）
五、OSPF工作流程

image.png 总结：OSPF适合复杂企业网络，需合理规划区域和认证机制。掌握其工作原理和排错命令是网络工程师的核心技能。

RIP

一、RIP基础概念

RIP（路由信息协议）是最早的距离矢量路由协议，属于IGP（内部网关协议），适用于小型网络。目前常用版本为RIPv2（支持CIDR和认证），最新版RIPng用于IPv6。

二、RIP核心特性
特性说明
协议类型距离矢量（基于跳数计算路径）
端口号UDP 520（RIPv1/v2），UDP 521（RIPng）
度量值跳数（最大15跳，16跳视为不可达）
更新周期每30秒广播/组播一次完整路由表
算法Bellman-Ford算法
三、RIP工作原理
  1. 初始化：路由器启动时广播请求报文，邻居返回完整路由表。
  2. 定期更新：每30秒发送路由表给邻居。
  3. 路由失效：180秒未收到更新则标记路由不可达，240秒后删除。
  4. 水平分割：禁止从接收接口回传路由（防环）。
四、RIP的局限性
  1. 规模限制：最大15跳，不适合大型网络。
  2. 收敛慢：故障检测依赖计时器（分钟级）。
  3. 带宽浪费：定期发送完整路由表。

image.png

五·RIP适用场景
  • 小型办公网络（设备少于10台）
  • 临时测试环境
  • 老旧设备兼容（不支持高级协议时）
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