你所不知道的网络层
上文《TCP/IP传输层,你懂多少》 http://java-mzd.iteye.com/blog/1007577中,我们介绍了“传输层是如何为数据提供端对端的服务的”.
可是,数据包又是怎样从你的电脑出发,历经网络世界的艰辛,到达对方电脑的呢?在网络的世界当中,你的数据包又会遇到些什么问题?它们又是怎么解决的你?要回答这个问题,我们就必须研究TCP/IP协议栈中的Internet层(和数据链路层了)。
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同以往一样,给出我自己认为会遇到的15个问题,并且列出来,如果大家能熟练的回答,请您绕道。
- 网络层的作用?
- 网络层有哪些协议?
- IP数据包的格式?
- IP数据包传输的过程?
- 为什么需要ARP协议?
- ARP协议通信过程是怎么样的?(ARP协议如何控制网络?)
- 数据包的最大值?(分片的地方?分片重组的地方?分片的原则?)
- 数据包在局域网内怎么从一台主机传送到另外一台主机?
- 数据怎么实现跨网段传输?(路由如何实现跨网段传输?)
- 什么是默认网关?
- 代理ARP的作用?
- 数据跨网段传输时在路由器中的具体情形?(所谓的穿过路由是指什么?)
- 数据包路由的过程?
- 为什么需要ICMP协议?(ICMP协议差错控制与TCP差错控制对比)
- 什么是ICMP协议?
- ICMP协议有哪些数据包?(Ping程序的实现?trancerouter程序的实现?)
一。网络层的作用:
TCP/IP协议栈的Internet层主要负责处理主机到主机的通信,决定数据包如何交付:是交给网关(路由器)还是交给本地端口。
二。网络层的协议及作用:
网际协议IP:用来路由
网际控制报文协议 ICMP:给IP层提供一定的可靠性
地址解析协议ARP:
反向地址解析协议RARP
三。IP数据包格式:
版本(4)
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头长度(4)
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服务类型(8)
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总长度(16)
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标识(16)
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标志(3)
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段位移(13)
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生存期(8)
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协议(8)
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头校验和(16)
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源IP地址(32)
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目的IP地址(32)
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IP选项(0或者32)
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数据
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四。数据包传输的过程
首先,传输层将封装好的数据交给Internet层,Internet层收到数据后,将数据封装成一个IP数据包。
注意协议之间的底层无关性:Internet层封装上层数据包时,不关心不管上层传给他的是UDP数据包还是TCP数据包,都将上层传来的数据封装为IP数据包。同样,传输层在封装用户信息流时也是同样的不关心上层数据的内容。 |
五。为什么需要ARP协议?
IP数据包要想继续向下发送,就必须转化为在物理设备上传输的数据帧。
在物理设备上传输数据时,数据包首先是被网卡接收,如果网卡接收到的数据包的硬件地址与本机不符,则直接丢弃,如果相符,再交由上层协议处理的。而在我们的网络通信中,源主机的应用程序知道目的程序的IP地址和端口号,却不知道目的主机的硬件地址,因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起到这个作用。
六。ARP协议通信过程?
每台机器上都维护着一个ARP缓存表,保存着IP地址到MAC地址的映射
注意:缓存表中的记录有过期时间T,如果T时间内没有再次使用某条记录,则该记录失效,下次使用时,还要再次发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。
作用:因为我们的机器需要和大量机器通信,如果没有过期机制的话,显然将会产生巨大的记录量,降低效率。
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主机A要和主机B(192.168.0.1)通信,则先查询主机A中的ARP缓存表,看是否有该记录,如果有,则取出对应MAC地址。
如果缓存中没有该记录,主机A发出ARP请求,询问“IP地址是192.168.0.1的主机的硬件地址是多少”,并将这个ARP请求广播到本地网段(本地网段的任何一个主机都可能是接受者,所以用广播, 广播的目的MAC地址为:FF:FF:FF:FF:FF:FF)主机B收到广播的ARP请求,发现其中的IP地址(192.168.0.1)与本机相符,发送一个ARP应答数据包给源主机,将自己的硬件地址填写在应答包中,主机A接收ARP应答,提取MAC地址,并且将IP和MAC映射存入ARP缓存。
对于其他主机,虽然这个ARP请求可能与它无关,但ARP协议软件也会把其中的源MAC地址与源IP地址的映射记录下来,这样做能够有效的减少ARP请求在局域网的发送次数。
ARP欺骗的原理:
通过以上的知识,我们可以知道,主机A要和主机B通信,必须请求得到主机B的MAC地址,而MAC地址,又是通过ARP请求来得到的。又,根据ARP请求的广播机制,与非接收主机也会讲收到的ARP请求存入自己的ARP缓存。那么,我们可以自己发送一个ARP请求,将默认网关的IP作为发送IP,自己的MAC地址作为发送的MAC地址,随便请求一个IP地址的MAC地址。这样,网络中的所有计算机都会更新到默认网关的ARP缓存,而将默认网关IP对于的MAC地址改为我们网卡的MAC地址。从而,发送给默认网关的IP数据帧都会发送给我们自己的主机,我们监视完IP数据包后,再将IP数据包转发出去,即可通过ARP欺骗来完成对网络的监控。同样。当我们只进行ARP欺骗,而不进行转发的时候,则整个网络(内网)都将瘫痪。 |
当然,这些都只是雕虫小计,装了ARP防火墙的机器,你就不能监控了,要实现监控,最好的方式,还是把你的机器,作为内网的默认网关,所有通往外网的机器都通过你的主机。这样比较合适。 |
七。数据包的最大值:
就像前面我们说的,IP数据包要想继续向下发送,就必须转化为在物理设备上传输的数据帧。对于网络硬件来说,能传输的物理帧的大小是有物理上限的。这个上限值就是最大传输单元MTU。{令牌环网4500字节,以太网1500字节}。当数据包的比MTU大的时候,数据包是无法封装成帧在网络上传输的,当数据包比MTU小的时候,显然又会浪费网络带宽。
因此,IP数据包最理想的大小应该是相连网络的MTU相符。又因为 ,不同的网络MTU可能不同,当数据包需要经过较小MTU的网络时,我们需要将大数据包划分成更小的数据包(分片),以确保他们能通过无力处理大IP数据包的网络。
分片发生的位置:相连MTU网络间的路由
分片重组的位置:目标主机
分片发生在IP层,通过IP数据报报头中的“标志”和“段位移”来标识
(标识由)
分片后,形成的还是IP数据包,在路由中的处理方式与其他IP数据包一样
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分片示意图:
原始数据包:
分片以后数据包
段位移0
段位移600
段位移1200
分片的优点:可以让数据包穿过MTU多变的网络。
缺点:分片后形成的多个IP数据包,每个都单独路由,又因为重组发送在目标主机,且又一个分片丢失,则整个原始IP数据包丢失,增大丢包风险。
说了这么多,我们还是只是不知道,数据怎么从一台主机到另外一台主机,接下来,我们一一分解,先从局域网开始。 |
八。数据在局域网中是如何传播的?
我们知道,在局域网中,无论是按何种拓扑结构组网,还是按何种方式来处理介质访问权限,任何两个节点之间都存在实际的线路链接。
因此,我们通过ARP协议,得到目标主机的MAC地址后,在数据链路层将IP数据包封装为数据帧,将数据帧发送到本地网段上,即可将数据帧成功的交给目标主机(目标主机网卡收到数据帧后,判断MAC地址是否为本网卡MAC地址)。
当你要和很多很多主机通信时,你不可能保证他们都和你在同一网段内
那么不在一个局域网的数据之间,又是如何通信的呢?
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九。数据是怎么样实现跨网段传输的?
这就需要路由器通过IP协议来完成此工作了。
下面我们通过一个实际的例子来看:主机A:192.168.1.1 需要和主机B:172.16.1.1通信。

两个主机并不在同一个局域网,并没有实际的物理线路将他们链接起来。
这个时候,我们在两个网段之间增加一个中转点(路由器),路由器上插有多个网卡,可以同时通过网卡E0接入局域网1 (192.168.1.0/24),同时通过网卡E2接入局域网2(172.168.1.0/24)。这样,局域网1中的机器A(192.168.1.1)要和局域网2中的机器B(172.16.1.1)通信。A将数据将数据包发送到本网段,路由器的E1口接收数据包,再将其通过E2口发送到网段B,主机B即可成功接收来自主机A的信息了。即可实现数据的跨网段传输。
大家发现问题了嘛?
没错,我们前面说了“网卡接收数据包后,首先判断MAC地址是不是本机地址,如果不是,则丢弃。”
而且我们说了“ARP请求是发送广播”,而大家都知道,为了防止广播风暴,路由器是不转发广播的。
那么,这个时候,即使A能有办法获得B的MAC地址,路由器的E1口上的网卡,MAC地址也不是B的MAC地址,这个时候,我们该怎么办呢?
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十。什么是默认网关?
默认网关是TCP/IP中的一个配置参数,它是处于本地网络上的某个路由器的接口的IP地址。
在有默认网关的情况下,目的地为非本网段的数据包,源主机都发送给默认网关,由默认网关将数据包正确的发送给目标主机。
在上图中,网络192.168.1.0/24的默认网关为192.168.1.254,目的地为非本地网段的数据包,都发送给这个IP对应的Router,再由该Router转发给目的主机。
十一:什么是代理ARP?
在没有默认网关的情况下,我们也可以使用代理ARP技术来实现让路由器完成数据的跨网段传输功能。
如果我们将网络中所有主机的目的地都设为本地网络,那么当有要发送给外网IP的数据包时,源主机依然会认为目的地为本网段,而使用目的IP发出ARP请求。这个时候,对于目的IP不是本网段的ARP请求,连接在本网段的路由器使用自己的MAC地址回复这个ARP请求。于是主机A将数据发到本地网段,连在本地网络的路由器接收数据,路由器再将数据转发到正确的目的地。(其实运行代理ARP的路由器就相当于默认网关)
代理ARP的优点:简化了主机的管理(不用再每个主机都单独配置默认网关了)
缺点:因为针对每个局域网,外网IP都是很多的,所以:
1.在路由器上需要保存一个很大的ARP缓存。
2.每个外网IP都需要发送ARP请求,增大了内网的通信。
在上图中,当没有设置默认网关的时候,主机A发送给主机B的数据包,主机A发送ARP请求后,由连接E1口的Router 用自己E1口的MAC地址回复该ARP请求 。
路由器在E1口接到数据包后,怎么样通过E2口发到主机B所在的网段上去? |
十二.路由器中数据跨网段传输的具体情形?
每个路由器中都存有一张路由表,记录着目标网段和对应的网卡出口的映射。
在上面的例子中,路由器的E1口收到数据包,根据数据包取出对应的目的网段的地址172.16.1.1,然后路由器查找路由表,根据IP地址,找到通过E2口可以达到目标网络。于是,路由将数据包从E1口读入,穿过路由器,从E2口写出。
所谓的穿过路由器,应该是指:两个网卡上都分别运行着TCP/IP协议,穿过路由,即从路由的内存中,将数据从网卡1的IP程序拷贝到网卡2的IP程序。 |
至此,关于路由中的部分,我们就几乎讲完了,我们再来总结下:
【路由器都有哪些功能?】
1.交换和转发功能:将数据从路由器的进入接口,穿过路由器,送到输出接口。
(将一个数据包从一个网段,发送到另外一个网段。)
2.路由功能:即寻址,通过IP数据包决定正确的下一跳路径
(通过哪个网卡写出。)
【路由器实现跨网段传输的基础?】
1.硬件基础:有多个网卡,同时在多个网段上,同时属于多个局域网。
2.软件基础:代理ARP(主机将目的地址都配置为本网段,路由器代理回应ARP请求)
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在实际中的很多情况下,两个局域网之间可能不仅仅隔了一个网段,同理,我们可以在多个网段之间,通过多个路由器而使彼此连接起来。其实路由器就是将世界各地的各个局域网都连接起来,得到了我们现在的互联网。
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十三:路由过程:
1.主机A的传输层将数据交给网络层,网络层加上双方IP地址,TTL等IP报头信息,成为IP数据包,网络层将IP数据报交给数据链路层。
2.数据链路层根据IP地址,通过ARP得到MAC,封装为物理帧,通过网卡发出。
3.主机B接收物理帧,根据MAC地址判断:如果目的MAC地址不是本网卡MAC地址,则丢弃;如果是发给自己的,则交给网络层处理。
4.网络层通过IP地址判断:如果是发给自己的,则交给上层协议处理;如果不是发给自己的,则在路由表中查找此IP合理的下一跳地址(即通过哪个网卡发送到下一个网段),并将数据通过内存,从接收数据网卡的IP程序拷贝到需要发送数据网卡的IP程序。在发送网卡中,IP程序将数据包交给链路层,链路层发送ARP请求,得到下一跳的目的MAC地址,封装为帧,发送。
如此反复,直到IP数据包到达最终正确的接收主机。
好了,关于ARP和IP都讲了挺多了,可是,为什么有ICMP协议呢?这个协议是干嘛的呢?
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预知详情,请看下篇《TCP/IP网络层谜云之ICMP》 http://java-mzd.iteye.com/blog/1019089
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第三章-局域网-思维导图
内容概要:PT300机械故障综合模拟实验台由瓦仑尼安教学设备有限公司生产,旨在帮助用户深入了解振动特征知识及复杂转子振动频谱分析,实现精密振动分析和精准故障诊断。该实验台能模拟轴承故障、不平衡、不对中、设备松动、转子摩擦等多种机械故障现象,可进行不同转速下的轴承故障频率识别、转子静动平衡模拟试验、设备启停机测试等实验。设备采用高效节能ABB三相交流电动机,配备高精度转速控制和测量模块,确保运行稳定。此外,实验台还设有透明防震安全罩和互锁开关,保障实验安全。; 适合人群:高校师生、科研人员等需要学习或研究机械故障诊断相关理论知识和实践技能的人群。; 使用场景及目标:①用于高校等教育机构的教学,辅助学生理解机械故障诊断的理论知识和实践技能;②满足科研人员进行机械故障诊断算法验证、故障特征分析等科研需求。; 其他说明:PT300机械故障综合模拟实验台的每个部件均经过高精度加工,确保在不同振动状态下稳定运行。用户可根据期望分析特定部件的故障特征。设备尺寸为735mm(长)×310mm(宽)×350mm(高),保修一年,且提供免费操作指导服务。
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