网络协议网络层

叁歲伎倆 2022-12-30 10:40 157阅读 0赞

# 前言 #

上篇文章：  
[网络协议 数据链路层][Link 1]

交换机解决了局域网数据的交换，但是无法把世界各地各地计算机连接在一起，否则会出现如下问题：

1.  交换机没有多网卡
2.  大量的计算机引起广播风暴，比如`arp`，会导致网卡忙处理

所以我们会划出另一个网络层解决这一问题:`网络层`。

`数据链路层`解决局域网数据传输  
`网络层`解决跨局域网的数据传输

# 局域网ID #

局域网有一个唯一的标识`ip`地址中的`网络号`。`ip`是一串`32`位的数字,我们以字节为单位划分四个段方便查看，如下所示：

`00000000.00000000.00000000.00000000 => 0.0.0.0`

`ip`地址包含`网络号`和`主机号`。

在互联网发展的前期我们把互联网`ip`划分为5类

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>Class</th> 
   <th>前缀位</th> 
   <th>网络地址位数</th> 
   <th>剩余的位数</th> 
   <th>网络数</th> 
   <th>每个网络的主机数</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>A类地址</td> 
   <td>0</td> 
   <td>8</td> 
   <td>24</td> 
   <td>128</td> 
   <td>16,777,214</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>B类地址</td> 
   <td>10</td> 
   <td>16</td> 
   <td>16</td> 
   <td>16,384</td> 
   <td>65,534</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>C类地址</td> 
   <td>110</td> 
   <td>24</td> 
   <td>8</td> 
   <td>2,097,152</td> 
   <td>254</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>D类地址</td> 
   <td>（群播）</td> 
   <td>1110</td> 
   <td>未定义</td> 
   <td>未定义</td> 
   <td>未定义</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>E类地址</td> 
   <td>（保留）</td> 
   <td>1111</td> 
   <td>未定义</td> 
   <td>未定义</td> 
   <td>未定义</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

前缀位是指二进制开头的几个数字，如下图所示  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
`CIDR`协议后面介绍,可以跳过这个一列。

为了快速得到某个ip的网络号和主机号，我们推出了子网掩码方便计算。

如一个C类地址:  
IP: `192.168.3.46`  
子网掩码 ：`255.255.255.0`  
上面两个数字按位与得到如下结果:

`192.168.3.0`这个就是网络地址。

其中`192.168.3.1` 到`192.168.3.254`作为主机号。也就是说这个  
其中`192.168.3.0`作为网络号，`192.168.3.255`作为广播地址。

**私有地址:**  
上面几类网络中，都有一段地址作为区域网专用的ip地址，不作为网络中存在的地址。  
如C类网络中：  
`192.168.X.X`是私有地址。也就是我们常常在命令行中`ifconfig`看到的ip。实际公网ip需要进行NAT转化。

**保留地址：**  
用于其他目的使用，比如A类网络中`127.X.X.X`作为LoopBack。比如`127.0.0.1`用于本地网络。

[保留地址和私有地址][Link 2]

为了加深局域网和跨网段的理解于是我们用`Package Tracer`作为演示：

**实验1：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

上图：我们四个`PC`计算机都没有配置网关.  
那么我们在`PC0`执行`ping 192.168.2.11`.（跨网段）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
发现全部超时

我们继续在`PC0`执行`ping 192.168.1.11`（局域网）.

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

此时我们给`PC0`和`PC1`配置路由器地址作为网关  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
我们在`PC0`在执行`ping 192.168.2.11`.（跨网段）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
可见成功了。  
上面的实验证明：  
`路由器作为网关转发跨网段数据，如果发送数据没有路由器那么数据包无法发送跨区域网的数据包`

**实验2：**

我们知道发送一个数据包需要知道对方`mac`地址，那么在跨网段的时候呢？

![假设][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
假设`192.168.1.10`发送一个`icmp`给`192.168.2.11`,由于不知道`mac`地址且是跨网段的，所以先发送一个`ARP`广播获取网关的`MAC`.  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

![在这里插入图片描述][20201227121146115.png]  
其中数据包的目的`mac`为`FFFF.FFFF.FFFF`,目的`IP`为`192.168.1.1`

然后经过交换机到路由器.  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]  
交换机返回自己的`192.168.1.0`的网卡`MAC`  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]  
最后交换机将ARP结果发回给`192.168.1.10`.  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

得到网关`MAC`继续发送`ICMP`数据包给`192.168.2.11`.

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]  
此时数据到底`交换机`，`交换机`要将数据包交付给`192.168.2.11`.  
但是不知道`mac地址`所以在`192.168.2.0`发一个`arp广播`。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 16]  
修改`ICMP`的数据包的`MAC`等信息地址发送  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 17]  
最终数据包，到达`192.168.2.11`.  
`192.168.2.11`发送数据包给回网关  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 18]  
到达交换机后，交换机修改`MAC`原地址后继续发送  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 19]  
最终完成回包。

我们可以得到如下的结论：

1.  区域网广播（如arp）不会直接广播另一个区域网
2.  跨网段传输时，电脑会获取网关mac，然后委托网关进行转发
3.  数据包得到路由器（网关）的时候，修改目的的`MAC地址`，和源`MAC地址`在继续转发
4.  数据到另一个区域网。

另一个区域网的电脑不会知道另一个区域网的电脑MAC地址，这些地址在经过路由器的时候会被转化。

# CIDR协议 #

上面我们知道网络IP被划分5类，然后在这五类IP中的某个网络号中分配主机号。

举个例子:  
张三开了小型公司，公司内部有`260`台电脑，`C类地址`一个售卖10万,`B类地址`售卖100万.

C类地址最高只能存放`254`台电脑（扣除保留地址等），所以张三不能买仅售价为10万的C类地址，而是买B类地址。但是张三仅仅是比`254`电脑多6台而已。

所以大佬们推出了更细腻的`IP`划分协议，`CIDR`。

我们经常看到 如下东西：  
`192.168.1.0/25`

其中斜杆后面的`25`标识网络号在32位`IP`中占多个。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 20]

`192.168.1.0/25`表示有 7位作为主机号，那么最大主机号数量为 126（27 \- 2） 。注意需要扣除0开头和全1的主机号

# 静态路由 #

当两个路由器相连接，可以使用`Serial口/串口`相连接，也可以使用`Ethernet接口`  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 21]  
两个路由器链接的串口网卡必须是同一网段。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 22]

在没有启用动态路由和静态路由配置时，`192.168.2.10`无法和`192.168.4.10`通信。  
静态路由配置命令  
`ip route IP地址 子网掩码 下一条IP`  
如:  
`ip route 192.168.4.1 255.255.255.0 192.168.5.2`。

我们现在配置静态路由规则添加到路由表。

上图`路由器8`路由表  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 23]  
上图`路由器9`路由表

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 24]  
配置好就可以自动ping通。

# 动态路由 #

静态路由由于过于繁琐，对于大型网络铺设不理，所以推出了动态路由协议，只需要插入双方路由做些简单配置即可。具体略。

# 协议报文![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 25] #

[ip数据包详解][ip]

# 扩展：思科辅助命令行 #

路由器：  
`sh ip arp`显示arp表  
清除arp表可以关闭重开端口重置。

PC:  
`arp -d` 删除arp表

交换机：  
进入特权模式(敲入`enable`)，输入  
`clear mac address-table d`

[分类网络][Link 3]  
[维基百科无类别域间路由CIDR][CIDR]  
[保留地址和私有地址][Link 2]

[Link 1]: https://fanmingyi.blog.csdn.net/article/details/111409811
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/d9ffe631a32a454d85622c0ecb002a10.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201225112458947.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[Link 2]: https://www.zhihu.com/question/302935308/answer/535819686
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227111938975.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227112751376.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227112909434.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227113138263.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227113334371.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227113439286.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227120550682.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227120716531.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[20201227121146115.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227121146115.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227122000201.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227122416835.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227122425880.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227122527505.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227122717275.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227122856818.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70
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