网络层的协议与应用
一、IP数据包的格式
TCP/IP协议定义了一个在因特网上传输的包,称为IP数据报(IP Datagram).这是一个与硬件无关的虚拟包,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 字节,是所有IP数据报必须具有的.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.
网络层负责定义数据通过网络流动所经过的路径。
- 网络层的功能
1定义了基于IP协议的逻辑地址
2选择数据通过网络的最佳路径
3连接不同的媒介类型
IP 报头的最小长度为 20 字节，上图中每个字段的含义如下：
- 版本（version）
占 4 位，表示 IP 协议的版本。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（网际报头长度IHL）
占 4 位，可表示的最大十进制数值是 15。这个字段所表示数的单位是 32 位字长（1 个 32 位字长是 4 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。当 IP 分组的首部长度不是 4 字节的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充。
数据部分永远在 4 字节的整数倍开始，这样在实现 IP 协议时较为方便。首部长度限制为 60 字节的缺点是，长度有时可能不够用，之所以限制长度为 60 字节，是希望用户尽量减少开销。最常用的首部长度就是 20 字节（即首部长度为 0101），这时不使用任何选项。 3) 区分服务（tos）
也被称为服务类型，占 8 位，用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998 年 IETF 把这个字段改名为区分服务（Differentiated Services，DS）。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。 4) 总长度（totlen）
首部和数据之和，单位为字节。总长度字段为 16 位，因此数据报的最大长度为 2^16-1=65535 字节。 5) 标识（identification）
用来标识数据报，占 16 位。IP 协议在存储器中维持一个计数器。每产生一个数据报，计数器就加 1，并将此值赋给标识字段。当数据报的长度超过网络的 MTU，而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。具有相同的标识字段值的分片报文会被重组成原来的数据报。 6) 标志（flag）
占 3 位。第一位未使用，其值为 0。第二位称为 DF（不分片），表示是否允许分片。取值为 0 时，表示允许分片；取值为 1 时，表示不允许分片。第三位称为 MF（更多分片），表示是否还有分片正在传输，设置为 0 时，表示没有更多分片需要发送，或数据报没有分片。 7) 片偏移（offsetfrag）
占 13 位。当报文被分片后，该字段标记该分片在原报文中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。所以，除了最后一个分片，其他分片的偏移值都是 8 字节（64 位）的整数倍。 8) 生存时间（TTL）
表示数据报在网络中的寿命，占 8 位。该字段由发出数据报的源主机设置。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在网络中传输，从而消耗网络资源。
路由器在转发数据报之前，先把 TTL 值减 1。若 TTL 值减少到 0，则丢弃这个数据报，不再转发。因此，TTL 指明数据报在网络中最多可经过多少个路由器。TTL 的最大数值为 255。若把 TTL 的初始值设为 1，则表示这个数据报只能在本局域网中传送。 9) 协议
表示该数据报文所携带的数据所使用的协议类型，占 8 位。该字段可以方便目的主机的 IP 层知道按照什么协议来处理数据部分。不同的协议有专门不同的协议号。
例如，TCP 的协议号为 6，UDP 的协议号为 17，ICMP 的协议号为 1。 10) 首部检验和（checksum）
用于校验数据报的首部，占 16 位。数据报每经过一个路由器，首部的字段都可能发生变化（如TTL），所以需要重新校验。而数据部分不发生变化，所以不用重新生成校验值。 11) 源地址
表示数据报的源 IP 地址，占 32 位。 12) 目的地址
表示数据报的目的 IP 地址，占 32 位。该字段用于校验发送是否正确。 13) 可选字段
该字段用于一些可选的报头设置，主要用于测试、调试和安全的目的。这些选项包括严格源路由（数据报必须经过指定的路由）、网际时间戳（经过每个路由器时的时间戳记录）和安全限制。 14) 填充
由于可选字段中的长度不是固定的，使用若干个 0 填充该字段，可以保证整个报头的长度是 32 位的整数倍。 15) 数据部分
表示传输层的数据，如保存 TCP、UDP、ICMP 或 IGMP 的数据。数据部分的长度不固定。
二、ICMP协议
1、ICMP
ICMP协议是Internet控制报文协议。它是TCP/IP协议簇的一个子协议，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。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。ICMP协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息。它是一个非常重要的协议，它对于网络安全具有极其重要的意义。它属于网络层协议，主要用于在主机与路由器之间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。当遇到IP数据无法访问目标、IP路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送ICMP消息。
2、ping
在网络中ping是一个十分强大的TCP/IP工具。它的作用主要为：
（1）用来检测网络的连通情况和分析网络速度；
（2）根据域名得到服务器IP；
（3）根据ping返回的TTL值来判断对方所使用的操作系统及数据包经过路由器数量。
三、ARP协议
ARP协议
**ARP协议（Address Resolution Protocol）**中文名是地址解析协议，使用ARP协议可实现通过IP地址获得对应主机的物理地址（MAC地址）。
ARP协议的解析过程
PC1首先查看自己的ARP缓存表。(ARP缓存表是主机储存在内存中的一个IP地址和MAC地址对应表）如果查找的MAC不在表中，PC1的ARP会发一个广播（源IP地址，源MAC地址，目的IP地址和广播地址）到交换机，交换机会记录并学习PC1的IP地址及对应的端口。路由器会广播泛洪除了PC1 所有连接在交换机的主机都会收到，只有对应的目的IP主机PC2会回应，PC2收到数据后记录学并习PC1的源IP地址和源MAC地址到对应的MAC缓存表中PC2将发包《（PC2源IP地址和源MAC地址）和（PC1目的IP地址和目的MAC地址）》给交换机，交换机首先学习PC2的IP及对应的端口PC1收到信息将PC2的IP地址和MAC地址记录在ARP缓存表中。这时PC1和PC2可以实现单播通信。
ARP的协议欺骗
通过伪造ARP应答来实现的。
Windows系统中的ARP命令
arp -a [inet_addr] [-N if_addr]：显示IP地址和物理地址映射表。其中inet_addr指明只显示这个IP地址的物理地址，if_addr指明只显示这个网络接口的物理地址（一个网卡可能有多个IP地址，一个物理网络上可以有多个逻辑网络，主机可能有多个网卡）。
arp -d inet_addr [if_addr] ： 删除给定IP地址的ARP映射关系，inet_addr如果是“*”，将删除全部映射关系，if_addr指明哪个网络接口。
arp -s inet_addr eth_addr [if_addr] ： 增加一条静态的IP地址和物理地址的映射关系，inet_addr给出IP地址，eth_addr给出对应的物理地址，if_addr给出网络接口。
例如：arp -a 显示全部IP地址和物理地址的映射关系；arp -s 157.55.85.212 00-aa-00-62-c6-09 增加一条静态的IP地址和物理地址的映射关系。
华为系统中的ARP命令
[Huawei]dis mac-address 查看mac地址信息 [Huawei]arp static 绑定ARP [Huawei]undo arp static 解除绑定 < Huawei > reset arp all 清楚mac地址表
