网络层

IP报文头部

中文对照

Version (版本)：表示 IP 协议的版本，常见的有 IPV4 和 IPV6。
Header Length (首部长度)：显示 IP 报头的整个长度。
DS Field (区分服务)：提供 DSCP 服务。
Total Length (总长度)：显示 IP 报头加上 Data 数据的总长度。
Identification (标识)：用于唯一标识数据，让接收端知晓数据属于哪一组。
Flags (标志)：包含三个字段：
- 保留位：最高位必须设为 0，为以后的扩展预留空间。
- DF (不分片位)：若值为 1，代表数据不可被分片，当数据大于 MTU 时会被直接丢弃；若值为 0，则代表数据可以分片。
- MF (更多分片位)：若值为 1，代表后方还有分片；若值为 0，代表后方没有分片。
Fragment Offset (片偏移)：数据分片后，子分片会保留与原始数据相同的 IP 报头。
Time to Live (生存时间 TTL)：表示数据能经过的三层设备数量，是一种自带的防环路手段。其规定数值最大为 255，最小为 0，不同厂商及同厂商不同设备所定义的初始数值可能不同。其中，环路是指数据在网络中转发时，一直无法到达目的地，从而在网络中无休止循环，严重占用网络资源的情况。
Protocol (协议)：标识上层使用的协议，例如 1 表示 ICMP 协议，6 表示 TCP，17 表示 UDP，89 表示 OSPF 。
Header Checksum (首部校验和)：仅用于校验 IP 报文头，采用二进制补码求和校验。
Source IP Address (源地址)：发送者的 IP 地址。
Destination IP Address (目的地址)：接收者的 IP 地址。

IP地址(逻辑地址)：全局定位的作用

二进制	1	1	1	1	1	1	1	1
十进制	128	64	32	16	8	4	2	1

最大：所有可变的二进制都置为1

255.255.255.255

最小：所有可变的二进制都置为0

0.0.0.0

地址范围：0.0.0.0 —— 255.255.255.255

IANA：互联网地址分配管理机构

IPV4地址分成了五类

ABC类：单播地址(可以配置在设备接口上)

D类：组播地址(不可以配置在设备接口上只能作为逻辑地址存在)

E类：保留地址(军事科研使用)

A类：第一个8位组的第一位一定取值0

最小：0.0.0.0

最大：127.255.255.255

B类：第一个8位组的前两位一定取值10

最小：128.0.0.0

最大：191.255.255.255

C类：第一个8位组的前两位一定取值110

最小：192.0.0.0

最大：223.255.255.255

D类：第一个8位组的前两位一定取值1110

最小：224.0.0.0

最大：239.255.255.255

E类：第一个8位组的前两位一定取值1111

最小：240.0.0.0

最大：255.255.255.255

特殊地址

0.0.0.0 ：不可使用 0.0.0.0–0.255.255.255

作用1：未指定的地址

作用2：路由层面–全网所有地址

127.0.0.0 ：不可用 127.0.0.0–127.255.255.255 环回/回环地址

作用：用于设备内部的TCP/IP协议栈的测试，能ping通代表协议栈安装成功

私有网络

公网地址：唯一的，全世界范围内，付费使用

私用地址：所有网络中都能使用，重复使用，免费的

范围：

10.0.0.0~10.255.255.255

172.16.0.0~172.31.255.255

192.168.0.0~192.168.255.255

子网掩码

作用：定义网络位参数、主机位参数

IP地址+掩码=网段

同网段通信可以直接通信的，不同网段是不可以直接通信

IPV4： 192.168.1.111

子网掩码：255.255.255.0

1.转换成二进制：

1100 0000. 1010 1000. 0000 0001. 0110 1111 — IP地址

1111 1111. 1111 1111. 1111 1111. 0000 0000 — 掩码

1100 0000. 1010 1000. 0000 0001. 0000 0000 — 网络地址 – >192.168.1.0

1100 0000. 1010 1000. 0000 0001. 1111 1111 — 广播地址 – >192.168.1.255

2.子网掩码为1所对应的位数，则为网络位；子网掩码为0所对应的位数，则为主机位

3.网络位相同，则为相同网段

主机位全为0：网络地址 - 本网段最小地址 - 代表本网段所有地址 – 出现在设备的路由表里

主机位全为1：广播地址 - 本网段最大地址 - 用于本网段所有主机通信的

地址	网络位	主机位	网段范围	网段数量	每一个网段的主机数量
A	8	24	0-127	2^7=127	2^24-2=16,777,214
B	16	16	128-191	2^14=16,384	2^16-2=65,534
C	24	8	192-223	2^21=2,097,152	2^8-2=254

网段数量=2的可变的网络位次方

主机数量=2的可变的主机位次方 - 2(减去网段里一个网络地址和一个广播地址)

VLSM：可变长子网掩码

子网划分技术：网络位向主机位借位，以此实现网络位增加主机位减少，实现网段的增加

示例：

193.1.1.0/24

1100 0001.0000 0001.0000 0001.0000 0000 —网络地址： 193.1.1.0

1100 0001.0000 0001.0000 0001.1111 1111 —广播地址： 193.1.1.255

1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000 – 掩码：255.255.255.0

可用地址范围：193.1.1.1 —— 193.1.1.254 2^8-2=254

193.1.1.0/25

1100 0001.0000 0001.0000 0001.0000 0000 — 网络地址 :193.1.1.0/25

1100 0001.0000 0001.0000 0001.0111 1111 — 广播地址 :193.1.1.127/25

1111 1111.1111 1111.1111 1111.1000 0000 — 掩码：255.255.255.128

可用地址范围：193.1.1.1 —— 193.1.1.126 2^7-2=126

1100 0001.0000 0001.0000 0001.1000 0000 — 网络地址：193.1.1.128/25

1100 0001.0000 0001.0000 0001.1111 1111 — 广播地址：193.1.1.255/25

1111 1111.1111 1111.1111 1111.1000 0000 — 掩码：255.255.255.128

可用地址范围：193.1.1.129 —— 193.1.1.254 2^7-2=126

CIDR：无类别域间路由

作用：将多个子网，用一个相对更大的地址范围概括以此来实现表项的优化

举例1

10.1.0.0/24

10.1.1.0/24

10.1.2.0/24

10.1.3.0/24

1.将所有的子网转换成二进制

0000 1010.0000 0001.0000 0000.0000 0000 == 10.1.0.0

0000 1010.0000 0001.0000 0001.0000 0000 == 10.1.1.0

0000 1010.0000 0001.0000 0010.0000 0000 == 10.1.2.0

0000 1010.0000 0001.0000 0011.0000 0000 == 10.1.3.0

2.自高位向低位进行比对，将相同的位数原封不动的取值下来，一旦不同，立刻停止比对行为，后方全部

取值为0，即便后方还有相同位数。

0000 1010.0000 0001.0000 0000.0000 0000 == 10.1.0.0

0000 1010.0000 0001.0000 0001.0000 0000 == 10.1.1.0

0000 1010.0000 0001.0000 0010.0000 0000 == 10.1.2.0

0000 1010.0000 0001.0000 0011.0000 0000 == 10.1.3.0

0000 1010.0000 0001.0000 0000.0000 0000

3.将相同的位数取值完毕，之后换算成十进制，将相同的位数取值为掩码前缀

0000 1010.0000 0001.0000 0000.0000 0000 = 10.1.0.0/22 – 网络地址 – 最小

0000 1010.0000 0001.0000 0011.1111 1111 = 10.1.3.255/22 – 广播地址 – 最大

表示路由表包含10.1.0.0到10.1.3.255所有地址

举例2

10.1.0.0/24

10.1.1.0/24

10.1.2.0/24

10.1.3.0/24

10.1.4.0/24

1.将所有的子网转换成二进制

0000 1010.0000 0001.0000 0000.0000 0000 == 10.1.0.0

0000 1010.0000 0001.0000 0001.0000 0000 == 10.1.1.0

0000 1010.0000 0001.0000 0010.0000 0000 == 10.1.2.0

0000 1010.0000 0001.0000 0011.0000 0000 == 10.1.3.0

0000 1010.0000 0001.0000 0100.0000 0000 == 10.1.4.0

2.自高位向低位进行比对，将相同的位数原封不动的取值下来，一旦不同，立刻停止比对行为，后方全部

取值为0，即便后方还有相同位数。

0000 1010.0000 0001.0000 0000.0000 0000 == 10.1.0.0

0000 1010.0000 0001.0000 0001.0000 0000 == 10.1.1.0

0000 1010.0000 0001.0000 0010.0000 0000 == 10.1.2.0

0000 1010.0000 0001.0000 0011.0000 0000 == 10.1.3.0

0000 1010.0000 0001.0000 0100.0000 0000 == 10.1.4.0

0000 1010.0000 0001.0000 0000.0000 0000

3.将相同的位数取值完毕，之后换算成十进制，将相同的位数取值为掩码前缀

0000 1010.0000 0001.0000 0000.0000 0000 = 10.1.0.0/21 – 网络地址 –最小

0000 1010.0000 0001.0000 0111.1111 1111 = 10.1.7.255/21 – 广播地址 –最大

地址范围：10.1.0.0 –10.1.7.255

这里会浪费三个地址段所有这个里的CIDR应该为：

10.1.0.0/22

10.1.4.0/24

网段判断方法

在实际的通信过程中，要准确判断两个 IP 地址是否处于同一网段，需要遵循以下步骤：

计算对端网络地址：当发送端主机发起通信时，它会运用自身的子网掩码，与对方的 IP 地址进行特定的逻辑运算（一般为按位与运算）。通过这一操作，能够得出对端的网络地址。这一步骤是判断的基础，为后续的比较提供了关键数据。
网段比对确认：将计算得到的对端网络地址，与发送端主机自身的网络地址进行仔细比对。若两者完全相同，那就可以确定双方处于相同网段；反之，则属于不同网段。

网关（Gateway）

地址配置层面：网关，本质上是配置在设备接口上的一个特殊地址。它就像是网络中的交通枢纽，起到连接不同网段的关键作用。
设备功能层面：从功能角度看，网关是一种特殊设备，它专门负责接收本地网段主机发送过来的报文。在对这些报文进行一系列必要的处理后，再将其转发到目标网段。可以说，网关是不同网段之间实现通信的桥梁和纽带。
网关地址确定：在网关设备上，连接本地网段的接口所对应的地址，就是该本地网段的网关地址。这个地址对于本地网段的设备而言，是访问其他网段的重要 “门户”。

网络检测工具与协议

Ping 工具：Ping 是网络管理和维护中常用的工具，主要用于检测网络链路的通断情况，以及到目的地的网络连通性。在使用时，只需在命令行中输入 “Ping + 目的地（可以是 IP 地址或域名）” 的形式即可执行检测操作。通过观察 Ping 的返回结果，我们可以快速了解网络的基本状态。
ICMP 协议：ICMP（Internet Control Message Protocol）协议基于网络层进行封装，在网络协议体系中，它使用的协议号为 1。该协议在网络中承担着传递控制信息和差错报告的重要任务，是网络正常运行不可或缺的一部分。
Tracert 工具：Tracert 主要用于路由追踪，它具备两大重要作用。
- 路径设备 IP 获取：能够检查并显示到达目的地所经过的沿途每个网络设备的 IP 地址。通过这一功能，我们可以清晰地了解网络数据在传输过程中所经过的具体路径，有助于排查网络故障。
- 多路径探测：当存在多条路径可以到达目的地时，Tracert 基于 ICMP 协议，能够检测并获取多条路径的详细信息。这对于优化网络路由策略，提高网络性能具有重要意义。

ICMP 重定向

作用：ICMP 重定向的核心作用是解决网络中存在的次优路径问题。通过对网络数据传输路径的优化，它能够有效提高网络通信的效率，确保数据能够更加快速、稳定地传输。
触发条件：当一个网络设备接收到数据并准备进行转发时，如果它发现需要再次从接收该数据的接口转发出去，这种情况下就会触发 ICMP 重定向机制。这一机制的触发，是为了及时调整数据传输路径，避免出现不合理的路由情况。
相关报文：ICMP 重定向报文具有特定的格式，其中类型（type）值为 5，代码（code）值为 0。这些参数的设定，使得 ICMP 重定向报文能够准确传达重定向的相关信息，实现网络路径的优化调整。

ARP（地址解析协议）

一、数据封装中的 IP 地址规则

在进行数据封装时，网络层的源 IP 地址通常是设备自身的地址；而目的 IP 地址一般是由上层（传输层或应用层）感知并确定的。

二、ARP 协议基本概念

（一）定义与功能

ARP（Address Resolution Protocol）即地址解析协议，作用是在已知 IP 地址的情况下，获取与之对应的 MAC 地址。

（二）协议层次

ARP 协议属于基于数据链路层的 2.5 层协议，它在网络层和数据链路层之间起到了桥梁的作用。

三、广播域相关知识

（一）定义

广播域是指广播报文能够传递到的范围。

（二）不同设备的广播域特性

路由器：路由器的每个接口都构成一个独立的广播域。这意味着从一个接口发出的广播报文不会自动穿越到其他接口。
交换机：在交换机不做任何配置的情况下，其所有接口都属于同一个广播域。即广播报文可以在交换机的各个接口之间传播，但广播报文无法穿越路由器的三层接口（能配置 IP 地址的接口）。

四、ARP 报文接收处理机制

接收端收到 ARP 报文后，会检查报文中的 target - ip 字段，将其与自身接收端口的 IP 地址进行比对：

如果两者一致，接收端会进行回复；
如果不一致，则直接丢弃该 ARP 报文。

五、ARP 缓存

（一）形成与性质

ARP 缓存是通过 ARP 报文交互形成的动态 ARP 表项，记录着 IP 地址与 MAC 地址的对应关系。

（二）老化时间与探测机制

默认机制：ARP 缓存的老化时间通常为 20 分钟。老化探测机制为进行 3 次老化探测，探测方式依次为单播、单播、广播。在探测期间，若收到对方的回应，就会刷新老化时间，重新开始计时。
华为改进机制：华为对老化探测机制进行了优化，在 10 分钟时进行单播探测，15 分钟时再次单播探测，20 分钟时进行广播探测。

六、反向 ARP（RARP）

RARP 是反向地址解析协议，功能是在已知 MAC 地址的情况下获取对应的 IP 地址，不过目前已逐渐被 DHCP（动态主机配置协议）所替代。

七、免费 ARP（无故 ARP）

（一）工作原理

当设备接口配置了一个 IP 地址之后，会发送免费 ARP 报文。

（二）作用

主要用于重复地址检测，即检测网络中是否存在与自身新配置 IP 地址相同的设备。

八、ARP 代理

ARP 代理存在多种应用场景，包括路由式 ARP 代理、VLAN 间 ARP 代理以及 VLAN 内 ARP 代理，用于在特定网络环境下协助完成 IP 地址到 MAC 地址的解析工作。