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网络层

网络层提供的服务​

在计算机网络领域，网络层应该向运输层提供怎样的服务（“面向连接”还是“无连接”）曾引起了长期的争论。 争论焦点的实质就是：在计算机通信中，可靠交付应当由谁来负责？是端系统还是网络层提供的两种服务？

目前的计算机网络中主要是依靠 端系统 来实现网络的可靠传输

网络层应该向运输层提供了两种服务：

  • 虚电路服务
  • 数据报服务

虚电路服务​

虚电路表示这只是一条逻辑上的连接，分组都沿着这条逻辑连接方式传送，而并不是真正建立了一条物理连接。

请注意，电路交换的电话通信是先建立了一条真正的物理连接。因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似，但并不完全一样。

数据报服务​

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。

网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即P数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。 网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序(（不按序到达终点)，当然也不保证分组传送的时限。

尽最大努力交付的好处：

由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网络中的路由器可以做得比较简单，运行方式灵活，能够适应多种应用，而且价格低廉（与电信网的交换机相比较） 如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的运输层负责（包括差错处理、流量控制等)

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网络层协议​

网关通常使用本网段的第一个地址或者最后一个地址。 在一个子网中，网络地址（如192.168.1.0）和广播地址（如192.168.1.255）是保留的，不能分配给设备。除去这两个地址，...1和...254就是最靠前和最后面的可用地址。 网络管理员可以制定一条简单的规则——“网关就是.1或.254”，这样所有人都能快速记住，不易出错。

IP 网际协议​

网际协议（Internet Protocol，简称IP），是互联网和绝大多数计算机网络的核心“交通规则”。它最核心的职责就两个：定义地址和负责路由。

简单来说，IP协议就像现实世界中的邮政系统：

  • 定义地址：它给连接到网络上的每一台设备（如电脑、手机）分配一个唯一的“门牌号”，也就是IP地址（如 192.168.1.1）。这样，数据才知道该送去哪里。
  • 负责路由：它规定了数据如何被打包成“数据包（Datagram）”，并指导网络中的路由器（就像一个个邮局），根据目标IP地址，将数据包经过一系列转发，最终送达目的地。

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IP 地址​

层次化IP地址：将32为的IP地址分为 网络ID 和 主机ID

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32位2进制，分为4个字节。固定了A（占1字节）、B（占2字节）、C（占3字节） 类型的网络地址的位长度：

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默认的子网掩码：

  • A 类地址：255.0.0.0
  • B 类地址：255.255.0.0
  • C 类地址：255.255.255.0

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IP 数据包结构​

抓包查看网络层首部：

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网络层首部格式​

IP数据包首部的格式能够说明IP协议都具有什么功能。

IP数据包由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共20个字节，是所有IP数据包必须有的。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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网络层首部固定部分各个字段

（1）版本 占4位，指IP协议的版本。IP协议目前有两个版本IPv4和IPv6。通信双方使用的IP协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为4（即IPv4）。

（2）首部长度 占4位，可表示的最大十进制数值是15。请注意，这个字段所表示数的单位是32位二进制数（即4个字节），因此，当IP的首部长度为1111时（即十进制的15），首部长度就达到60字节。

（3）区分服务　占8位，配置计算机给特定应用程序的数据包添加一个标志，然后再配置网络中的路由器优先转发这些带标志的数据包，在网络带宽比较紧张的情况下，也能确保这种应用的带宽有保障，这就是区分服务，为这种服务确保服务质量（Quality of Service，QoS）。

（4）总长度 总长度指IP首部和数据之和的长度，也就是数据包的长度，单位为字节。总长度字段为16位，因此数据包的最大长度为216-1=65535字节。实际上传输这样长的数据包在现实中是极少遇到的。

如果超过1500字节，会进行分片，每片加上网络层首部，顺序，接收端组装合并，通过标识来确认是一个包分片得到，但一般包不超过1500。

ARP 协议​

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不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。

每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。

当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。

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ARP 欺骗​

ARP协议是建立在网络中各个主机互相信任的基础上的，计算机A发送ARP广播帧解析计算机C的MAC地址，同一个网段中的计算机都能够收到这个ARP请求消息，任何一个主机都可以给计算机A发送ARP应答消息，可以告诉计算机A一个错误的MAC地址，计算机A收到ARP应答报文时并不会检测该报文的真实性，就会将其记入本机ARP缓存，这就存在一个安全隐患--ARP欺骗。

IP 协议​

ICMP 协议​

ICMP协议是TCP/IP协议栈中的网络层的一个协议，ICMP是（Internet Control Message Protocol）Internet控制报文协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。

ICMP报文是在IP数据报内部被传输的，它封装在IP数据报内。ICMP报文通常被IP层或更层协议（TCP或UDP）使用。一些ICMP报文把差错报文返回给用户进程。

pathping 命令：用于测试到目标主机需要经过多少个路由器

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IGMP 协议​

Internet 组管理协议称为IGMP协议（Internet Group Management Protocol），是因特网协议家族中的一个组播协议。该协议运行在主机和组播路由器之间，IGMP协议是网络层协议。要想搞明白IGMP协议的作用和用途，先要搞明白什么是组播通信，组播也称为多播。

  • 广播
  • 组播（多播）
  • 点对点

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