网络层概述

虚拟互联网络

　　之前在数据链路层概述里遗留了一个问题，就是如果主机发送的信息要跨设备传输，该如何实现呢？

　　实际上，在IP协议和网络层中提出了一个概念，即虚拟互联网络，让计算机都使用IP协议连接，这样的话就不需要关注信息传递的时候的细节，只需要把信息发送到一个虚拟的互联网络中，这个网络就可以实现信息的传递

　　简单点说，就是只需要关注逻辑层上信息的传递（A发送给B），不需要关注物理层上信息是如何传递的（A如何发送到B）

　　可以看出，在这个过程中，IP协议发挥着重要的作用，包括：

　　1.使得复杂的实际网络变为一个虚拟互联的网络

　　2.使得网络层可以屏蔽底层细节，专注网络层的数据转发（这一点类似于1，也就是把物理上的问题转换成逻辑上的）

　　3.解决了虚拟网络中的数据报传输路径

 

IP协议

IP地址

　　类似于数据链路层中的MAC地址，网络层中也有地址，即IP地址，为网络中每一个网络设备的唯一身份而且不可改变，可以用来识别不同的网络设备

　　但MAC地址是永久不变的，而如果计算机所处的网络环境发生变化（例如从家到图书馆），则IP地址会发生变化

　　IP地址一般用点分十进制表示，每一部分范围为0-255（如192.168.1.101），最多可以表示2的32次方（4294961296）个不同的IP地址

IP数据表

　　之前提及，数据链路层获得的“帧”数据来自于网络层的IP数据报

　　这里的IP数据报包括IP首部以及IP数据报的数据，而IP首部有一个固定的格式（如下，图片来自慕课网）

　　

版本

　　IP协议的版本，占4位，通信双方必须用一样的版本，目前主流为IPV4

首部位长度

　　即IP首部长度，单位为“32位字”（4个字节），一共占4位，最大长度为15

　　也就是首部最大长度为4*15=60字节

总长度

　　IP数据报总长度（IP首部+IP数据），占16位，最大数值为65535

　　由于这个数值比最大存储单元（MTU）大，所以实际传输中，数据链路层会把IP数据报分片

标志

　　主要的功能是标注IP数据报是否可以分片

片偏移

　　用来记录当前数据帧是第几个偏移的IP数据，跟分片有关

TTL

　　表示报文在网络中的寿命，8位，每经过一个设备减一，为0时必须丢弃该报文

　　解决了报文在网络中找不到终点时无限传输消耗带宽的问题

协议

　　表示IP数据携带的具体数据是什么协议的（TCP、UDP等），8位

　　不同的协议对应不同的值

首部校验和

　　校验IP首部是否有出错，16位

源IP地址/目的IP地址

　　发送IP数据报/IP数据报到达的机器的地址

 

IP协议转发流程

路由表

　　信息在网络层中传输的时候，是用“逐跳”的方式进行的，也就是从一个网络/设备“跳入”另一个网络/设备

　　路由表中就存储着目的IP地址和下一跳IP地址的对应关系表，例如目的为IP1，则下一跳到IP4这样

　　计算机和路由器中都有路由表

转发流程

　　在网络层中，转发流程如下：

　　1.发送信息的计算机会在其路由表中查询目的IP地址的下一跳IP地址，然后把数据发给下一跳IP地址的路由器/计算机

　　2.收到信息的计算机/路由器继续在其路由表中查找目的IP地址的下一跳IP地址，如果目的IP是和其直接相连的，则发送给目的计算机，否则继续“跳”

 

　　而如果是网络层和数据链路层以及物理层结合，则转发流程如下：

　　（发送）

　　1.源计算机发出IP数据报，通过路由表查找下一跳地址

　　2.IP数据报被交给数据链路层，并被告知目的地址

　　3.数据链路层通过MAC表填充源MAC地址和目的MAC地址

　　4.数据链路层通过物理层发送数据

　　（接收&下一次发送）

　　5.目的MAC地址接收数据帧，并把该数据交给网络层

　　6.目的计算机/设备查询路由表，找到下一跳地址

　　7.数据报被交给数据链路层，并通过物理层再次发送

 

　　每一跳中，IP数据报的IP地址不变，而MAC地址一直在变化

 

ARP协议

ARP缓存表

　　IP协议的转发中存在这样一个问题，IP数据报从网络层发送到数据链路层，但是传输时候是如何让数据链路层知道要传输的MAC地址呢？这里用到的就是ARP协议

　　ARP协议（Address Resolution Protocol），即地址解析协议，用来把网络层的32位IP地址解析为数据链路层的48位MAC地址

　　这一解析过程有一个重要的表，即ARP缓存表，把IP地址和MAC地址对应起来，是ARP协议和RARP协议的关键

　　1.如果缓存表中有IP地址和MAC地址信息，则直接解析，并把数据帧发送

　　2.如果没有，则ARP协议广播一个IP的信息，所有设备收到广播后会看自己的IP是不是这个目标IP，是的话，该广播的物理设备进入该IP地址以及对应的MAC地址

　　但是由于IP地址可随着设备所处的网络环境发生变化，因此ARP协议存在有效期

　　可以在命令提示符中输入arp -a查看ARP缓存表

　　

　　ARP协议数据帧包括了2字节的类型、28字节的内容以及18字节的填充信息

 

RARP协议

　　RARP(Reverse Address Resolution Protocol)，即逆地址解析协议

　　和ARP协议相反，该协议用来把数据链路层的48位MAC地址解析为网络层的32位IP地址

　　RARP协议数据帧包括了2字节的类型、28字节的内容以及18字节的填充信息

 

　　在TCP/IP协议栈里，ARP协议和RARP协议是最基础的，并且整个操作过程对程序员是透明的

 

IP地址的子网划分

　　前面我们看到，IP地址有32位，可表示上亿的不同IP地址，而为了对这上亿的IP地址进行区别和管理，我们对IP地址进行了子网划分

子网划分

　　我们把IP地址划分为网络号和主机号，并根据网络号和主机号长度，把IP地址分为：

　　A类：网络号8位（0-127，2的7次方个），主机号24位（2的24次方个），判断时取前8位，头位为0（表示没达到128）

　　B类：网络号16位（128.0-191.255,2的14次方个），主机号16位（2的16次方个），判断时取前8位，首两位为10（表示不到192）

　　C类：网络号24位（192.0.0-223.255.255，2的21次方个），主机号8位（2的8次方个），判断时取前8位，首两位为11（表示超过192）

特殊的主机号

　　全0：当前网络段，不可分配特定的主机（如1.0.0.0）

　　全1：广播地址，向当前网络段所有主机发消息（如1.255.255.255）

特殊的网络号

　　A类：全0为特殊网络，后7位全1为回环地址

　　其中127.0.0.1为本地回环地址，不属于任何一个有类别的地址类，代表本地虚拟接口，可以理解成一个永远不会掉的接口

　　这个接口一般用来检查本地网络协议、基本数据接口是否正常

　　B类：如10000000.00000000（即128.0）也不可用

　　C类：192.0.0不可用

（未完待续）