计算机网络基础（三）：网络层

髙良檳

1、前言

网络层介于传输层和数据链路层之间，其主要作用是实现两个网络系统之间的数据透明传送，具体包括路由选择，拥塞控制和网际互连等。网络层是网络与网络之间通信的最底层，在数据从数据链路层向传输层进行数据传输的通信中，起到构建一个中间通信子网的作用。不同网络有这不同的网络层协议和地址规范，如果一个网络中的用户不能识别其他网络的通信协议和地址规范，那么这两个网络之间就不能进行数据通信，就好比不同国家有着不同的交通法规，属于不同的交警系统管理，不允许他国车辆随便出入一样。不同网络也有不同的设计规范，属于不同的组织来管理，必须通过授权，并由专门的协议来负责网络间的通信。如果只是同一局域网内的各个计算机之间的通信，单靠物理层和数据链路层就可以建立通信链路完成用户间的数据通信，但要扩大应用范围，连接不同的局域子网，就需要借助网络层处理各个网络子网的协议，从而进行计算机的网络互连，所以网络层在TCP/IP协议体系中叫网际互连层。
从网络的一般概念来讲，将网络连接起来需要一些中间设备。根据中间设备所在的层次，可以有以下四种不同的中间设备：
（1）物理层使用的中间设备叫转发器（repeater）
（2）数据链路层使用的中间设备叫做网桥或者桥接器（bridge）
（3）网络层使用的中间设备叫做路由器（router）
（4）在网络层以上使用的中间设备叫做网关（gateway）。用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议转换。
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2、网络层的作用

在网络体系中每一层都是服务器对应的上下层的，网络层也不例外，服务于上层的传输层和下层的数据链路层。其主要作用表现在：
决定数据在网络中的传输路径，数据路由（决定数据在网络的路径）




A怎么把数据传输给B？

重要硬件：路由器



几种网络层协议：



版本：占4位，指的是IP协议的版本，通信双方的版本必须一致，当前主流版本是4，即IPv4，也有IPv6
首部位长度：占4位，最大数值为15，表示的是IP首部长度，单位是“32位字”（4个字节），也即是IP首部最大长度为60字节、
总长度：占16位，最大数值为65535，表示的是IP数据报总长度（IP首部+IP数据）--MTU
标识：该字段是ip软件实现的时候自动产生的，该字段的目的不是为了接受方的按序接受而设置的，而是在ip分片以后，用来标识同一片分片的。方便ip分片的重组。
标志：该字段是与ip分片有关的。其中有三位，但只有两位是有效的，分别为MF，DF，MF。MF标识后面是否还有分片，为1时，表示后面还有分片。DF标识是否能分片，为0表示可以分片。
片偏移：该字段是与ip分片后，相应的ip片在总的ip片的位置。该字段的单位是8字节。比如，一个长度为4000字节的ip报文，到达路由器。这是超过了链路层的MTU，需要进行分片，4000字节中，20字节为包头，3980字节为数据，需要分成3个ip片（链路层MTU为1500），那么第一个分片的片偏移就是0，表示该分片在3980的第0位开始，第1479位结束。第二个ip片的片偏移为185（1480/8），表示该分片开始的位置在原来ip的第1480位，结束在2959。第三片的片偏移为370（2960/8），表示开始的时候是2960位，结束的时候在3979位。
TTL：占8位，表明IP数据报文在网络中的寿命，每经过一个设备，TTL减1，当TTL=0时，网络设备必须丢弃该报文
协议：占8位，表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的（如：TCP、UDP等）
首部校验和：占16位，校验IP首部是否有出错
源地址和目的地址。标识发送ip片的源和目的ip，32位
IP协议的转发流程：


路由器通过查询路由表将报文发送到正确位置。
路由表相关的协议：ARP协议个RARP协议。
ARP协议
地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。主机发送信息时将包含目标IP地址的ARP请求广播到局域网络上的所有主机，并接收返回消息，以此确定目标的物理地址；收到返回消息后将该IP地址和物理地址存入本机ARP缓存中并保留一定时间，下次请求时直接查询ARP缓存以节约资源。地址解析协议是建立在网络中各个主机互相信任的基础上的，局域网络上的主机可以自主发送ARP应答消息，其他主机收到应答报文时不会检测该报文的真实性就会将其记入本机ARP缓存；由此攻击者就可以向某一主机发送伪ARP应答报文，使其发送的信息无法到达预期的主机或到达错误的主机，这就构成了一个ARP欺骗。ARP命令可用于查询本机ARP缓存中IP地址和MAC地址的对应关系、添加或删除静态对应关系等。相关协议有RARP、代理ARP。NDP用于在IPv6中代替地址解析协议。


ARP缓存表


RARP协议
反向地址转换协议（RARP：Reverse Address Resolution Protocol） 反向地址转换协议（RARP）允许局域网的物理机器从网关服务器的 ARP 表或者缓存上请求其 IP 地址。网络管理员在局域网网关路由器里创建一个表以映射物理地址（MAC）和与其对应的 IP 地址。当设置一台新的机器时，其 RARP 客户机程序需要向路由器上的 RARP 服务器请求相应的 IP 地址。假设在路由表中已经设置了一个记录，RARP 服务器将会返回 IP 地址给机器，此机器就会存储起来以便日后使用。 RARP 可以使用于以太网、光纤分布式数据接口及令牌环LAN。


3、IP地址的划分



IP地址类型
    最初设计互联网络时，为了便于寻址以及层次化构造网络，每个IP地址包括两个标识码（ID），即网络ID和主机ID。同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络ID，网络上的一个主机（包括网络上工作站，服务器和路由器等）有一个主机ID与其对应。IP地址根据网络ID的不同分为5种类型，A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址。
A类IP地址：一个A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，它主要为大型网络而设计的，网络地址的最高位必须是“0”， 地址范围从1.0.0.0 到127.0.0.0）。可用的A类网络有127个，每个网络能容纳16777214个主机。其中127.0.0.1是一个特殊的IP地址，表示主机本身，用于本地机器的测试。
注：A:0-127，其中0代表任何地址，127为回环测试地址，因此，A类ip地址的实际范围是1-126.默认子网掩码为255.0.0.0
B类IP地址： 一个B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255。可用的B类网络有16382个，每个网络能容纳6万多个主机 。
注：B:128-191，其中128.0.0.0和191.255.0.0为保留ip，实际范围是128.1.0.0--191.254.0.0。
C类IP地址 ：一个C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。范围从192.0.0.0到223.255.255.255。C类网络可达209万余个，每个网络能容纳254个主机。
注：C:192-223，其中192.0.0.0和223.255.255.0为保留ip，实际范围是192.0.1.0--223.255.254.0
D类地址 ：用于多点广播（Multicast）。 D类IP地址第一个字节以“lll0”开始，它是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播（Multicast）中。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。224.0.0.0到239.255.255.255用于多点广播 。
E类IP地址：以“llll0”开始，为将来使用保留。240.0.0.0到255.255.255.254，255.255.255.255用于广播地址。
全零（“0．0．0．0”）地址对应于当前主机。全“1”的IP地址（“255．255．255．255”）是当前子网的广播地址。
在IP地址3种主要类型里，各保留了3个区域作为私有地址，其地址范围如下：
    A类地址：10.0.0.0～10.255.255.255
    B类地址：172.16.0.0～172.31.255.255
    C类地址：192.168.0.0～192.168.255.255
查询电脑IP地址的方法
第一种方法：通过本地连接进行查看电脑的IP地址
　　首先打开电脑，然后使用鼠标点击本地连接图标，打开本地连接图标以后，在出现的窗口当中，我们会看到支持选项，然后使用鼠标点击支持选项，这时电脑相应的IP地址就会显示出来了。　　
第二种方法：命令行法
　　第一步：首先将电脑启动，电脑进入系统以后，将电脑左下方的开始菜单打开。
　　第二步：将开始菜单打开以后，我们会看到运行选项，然后我们使用鼠标进行选择。
　　第三步：我们选择了电脑的运行选项以后，电脑就会自动弹出一个对话框，这时需要我们在对话框当中相应的位置输入cmd，然后点击确定，之后电脑就会自动弹出一个黑色对话框，这时我们在黑色框中输入英文字符ipconfig，输入英文字符以后，按下电脑的回车按键即可查询到电脑的IP地址。

潇潇慕雨

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