网络层

网络层

网络层Network Layer)是 OSI模型 中的第三层(TCP/IP模型中的网际层),提供路由和寻址的功能,使两终端系统能够互连且决定最佳路径,并具有一定的拥塞控制和流量控制的能力。
由于TCP/IP协议体系中的网络层功能由IP协议规定和实现,故又称IP层。

网络层协议负责提供主机间的逻辑通信;传输层协议负责提供进程间的逻辑通信。

功能:

  • 路由选择与分组转发 最佳路径
  • 异构网络互联
  • 拥塞控制

网络层重要协议:

  • IP(Internet Protocol)网际互连协议

与 IP 协议配套使用的还有三个协议:

  • ARP(Address Resolution Protocol)地址解析协议
  • ICMP(Internet Control Message Protocol)网际控制报文协议
  • IGMP(Internet Group Management Protocol)网际组管理协议

参考:
力扣
王道考研

1、IP

该协议工作在网络层,主要目的就是为了提高网络的可扩展性。

和传输层 TCP 相比,IP 协议提供一种无连接/不可靠、尽力而为的数据包传输服务,其与TCP协议(传输控制协议)一起构成了TCP/IP 协议族的核心。

IP 协议主要有以下几个作用:

  • 寻址和路由:在IP 数据包中会携带源 IP 地址和目的 IP 地址来标识该数据包的源主机和目的主机。IP 数据报在传输过程中,每个中间节点(IP 网关、路由器)只根据网络地址进行转发,如果中间节点是路由器,则路由器会根据路由表选择合适的路径。IP 协议根据路由选择协议提供的路由信息对 IP 数据报进行转发,直至抵达目的主机。
  • 分段与重组:IP 数据包在传输过程中可能会经过不同的网络,在不同的网络中数据包的最大长度限制是不同的,IP 协议通过给每个 IP 数据包分配一个标识符以及分段与组装的相关信息,使得数据包在不同的网络中能够传输,被分段后的 IP 数据报可以独立地在网络中进行转发,在到达目的主机后由目的主机完成重组工作,恢复出原来的 IP 数据包。

数据报

总长度单位1B,片位移单位8B,首部单位4B

生存时间 :TTL,它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位,当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。

分片

IPV4

IP地址分类

IP地址由两部分组成,网络号和主机号,其中不同分类具有不同的网络号长度,并且是固定的。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}

以上分类还空出一些地址,这些特殊的地址包括:

另外还有私有地址(局域网):

子网划分

通过在主机号字段中拿一部分作为子网号,把两级 IP 地址划分为三级 IP 地址。

IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}

子网掩码:主机位全0,其他全1(网络位、子网位)

NAT 网络地址转换

NAT(Network Address Translation),它是一种把内部私有网络地址翻译成公有网络 IP 地址的技术。

该技术不仅能解决 IP 地址不足的问题,而且还能隐藏和保护网络内部主机,从而避免来自外部网络的攻击。

在专用网连接到因特网(公用地址)的路由器上安装NAT软件(NAT路由器),它至少有一个有效的外部全球IP地址

  • NAT路由器根据转换表替换源IP地址或者目的IP地址和端口号,所以转发数据报时需查看和转换传输层的端口号
  • 普通路由器仅工作在网络层,不改变源IP和目的IP

NAT 的实现有三种方式:

  • 静态转换,一对一,一个私有对应一个公有
  • 动态转换,一对多,一个私有每次转换的公有不唯一
  • 端口多路复用,多对一,多个私有共享一个合法的外部IP,映射到了不同的端口上

CIDR 无分类域间路由选择

CIDR(Classless Inter-Domain Routing)

无分类编址 CIDR 消除了传统 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念,使用网络前缀和主机号来对 IP 地址进行编码,网络前缀的长度可以根据需要变化。

IP 地址 ::= {< 网络前缀号 >, < 主机号 >}

IPV6

从根本上解决 IPV4 地址不够的问题。

其他方法:
NAT:网络地址转换
DHCP:动态主机配置协议。动态分配 IP 地址,只给接入网络的设备分配IP地址
(DHCP是应用层协议,使用客户/服务器方式,客户端和服务端通过广播方式进行交互,基于UDP)

IPV6 将地址从32位(4B)扩大到了128位(64B)

2、ARP

ARP(Address Resolution Protocol)地址解析协议,完成IP地址到MAC地址的映射(解决下一跳走哪的问题)

使用过程

  1. 检查ARP高速缓存,有对应表项则写入MAC帧,没有则用目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的帧封装并广播ARP请求分组,同一局域网内所有主机都能受到该请求
  2. 目的主机收到请求后就会向源主机单播一个ARP响应分组,源主机收到后将此映射写入ARP缓存(10~20min更新一次)

典型情况

  • 主机A发给本网络上的主机B:用ARP找到B的硬件地址
  • 主机A发给另一网络上的主机B:用ARP找到本网络上一个路由器(网关)的硬件地址
  • 路由器发给本网络的主机B:用ARP找到B的硬件地址
  • 路由器发给另一网络的主机B:用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址

3、ICMP

ICMP(Internet Control Message Protocol)是网际控制报文协议,主要是实现 IP 协议中未实现的部分功能,是一种网络层协议。该协议并不传输数据,只传输控制信息来辅助网络层通信。

功能

  • 验证网络是否畅通(确认接收方是否成功接收到 IP 数据包)
  • 辅助 IP 协议实现可靠传输(若发生 IP 丢包,ICMP 会通知发送方 IP 数据包被丢弃的原因,之后发送方会进行相应的处理)

应用

  • Ping:测试两个主机间的连通性,使用 ICMP 会送请求和回答报文
  • TraceRoute:跟踪一个分组从源点到终点的路径,使用 ICMP 时间超过差错报告报文

ping 不通可能存在的问题:

  • 首先看网络是否连接正常,检查网卡驱动是否正确安装
  • 局域网设置问题,检查 IP 地址是否设置正确
  • 看是否被防火墙阻拦(有些设置中防火墙会对 ICMP 报文进行过滤),如果是的话,尝试关闭防火墙
  • 看是否被第三方软件拦截
  • 两台设备间的网络延迟是否过大(例如路由设置不合理),导致 ICMP 报文无法在规定的时间内收到

4、IGMP

IGMP(Internet Group Management Protocol)网际组管理协议,让路由器知道局域网上是否有主机(的进程)参加或退出某个组播组。

5、路由器

路由器是网络层设备,通过数据包中的目的 IP 地址识别不同的网络从而确定数据转发的目的地址,网络号是唯一的。

路由器根据路由选择协议和路由表信息从而确定数据的转发路径,直到到达目的网络,它工作于网络层。

交换机用于局域网,利用主机的物理地址(MAC 地址)确定数据转发的目的地址,它工作于数据链路层。

分组转发流程

  1. 从 IP 数据包中提取出目的主机的 IP 地址,找到其所在的网络
  2. 判断目的 IP 地址所在的网络是否与本路由器直接相连,如果是,则不需要经过其它路由器直接交付,否则执行 3
  3. 检查路由表中是否有目的 IP 地址的特定主机路由。如果有,则按照路由表传送到下一跳路由器中,否则执行 4
  4. 逐条检查路由表,使用每一行的子网掩码与目的IP匹配。若找到匹配路由,则按照路由表转发到下一跳路由器中,否则执行步骤 5
  5. 若路由表中设置有默认路由,则按照默认路由转发到默认路由器中,否则执行步骤 6
  6. 无法找到合适路由,向源主机报错

路由协议

  • RIP(Routing Information Protocol)路由信息协议
  • OSPF(Open Shortest Path First)开放式最短路径优先
  • BGP(Border Gateway Protocol)边界网关协议
作者

SukiEva

发布于

2021-12-22

更新于

2021-12-22

许可协议

CC BY-NC-SA 4.0

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取次花丛懒回顾,半缘修道半缘君。

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