本文主要給大家分享網(wǎng)絡七層概念之網(wǎng)絡層，后續(xù)章節(jié)會跟大家講述物理層、鏈路層、傳輸層、應用層等（難得的好文，建議先收藏?。?/p>

本文主要從以下幾個方面講解網(wǎng)絡層：

網(wǎng)際協(xié)議 IP

IP 地址

與 IP 配套幾個協(xié)議

網(wǎng)絡地址翻譯器（NAT）

地址解析協(xié)議（ARP）

反向地址轉換協(xié)議（RARP）

因特網(wǎng)控制消息協(xié)議（ICMP）

IGMP

IP 數(shù)據(jù)報的格式

IP 數(shù)據(jù)報首部的固定部分中的各字段

IP 數(shù)據(jù)報首部的可變部分

IP 層轉發(fā)分組的流程

路由表

默認路由(default route)

路由表查找

網(wǎng)絡層是OSI參考模型中的第三層，介于運輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，它在數(shù)據(jù)鏈路層提供的兩個相鄰端點之間的數(shù)據(jù)幀的傳送功能上，進一步管理網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)設法從源端經(jīng)過若直干個中間節(jié)點傳送到目的端，從而向運輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務。主要內容有：虛電路分組交換和數(shù)據(jù)報分組交換、路由選擇算法、阻塞控制方法、X.25協(xié)議、綜合業(yè)務數(shù)據(jù)網(wǎng)（ISDN）、異步傳輸模式（ATM）及網(wǎng)際互連原理與實現(xiàn)。

IP是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報格式傳。IP提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務。不可靠( unreliable)的意思是它不能保證I P數(shù)據(jù)報能成功地到達目的地。I P僅提供最好的傳輸服務。任何要求的可靠性必須由上層來提供(如TCP)。

無連接(connectionless)這個術語的意思是I P并不維護任何關于后續(xù)數(shù)據(jù)報的狀態(tài)信息。每個數(shù)據(jù)報的處理是相互獨立的。這也說明， I P數(shù)據(jù)報可以不按發(fā)送順序接收。如果一信源向相同的信宿發(fā)送兩個連續(xù)的數(shù)據(jù)報(先是A，然后是B)，每個數(shù)據(jù)報都是獨立地進行路由選擇，可能選擇不同的路線，因此B可能在A到達之前先到達。

1.1 網(wǎng)際協(xié)議 IP

IP是英文Internet Protocol（網(wǎng)絡之間互連的協(xié)議）的縮寫，中文簡稱為“網(wǎng)協(xié)”，也就是為計算機網(wǎng)絡相互連接進行通信而設計的協(xié)議。在因特網(wǎng)中，它是能使連接到網(wǎng)上的所有計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)相互通信的一套規(guī)則，規(guī)定了計算機在因特網(wǎng)上進行通信時應當遵守的規(guī)則。任何廠家生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)，只要遵守 IP協(xié)議就可以與因特網(wǎng)互連互通。

各個廠家生產(chǎn)的網(wǎng)絡系統(tǒng)和設備，如以太網(wǎng)、分組交換網(wǎng)等，它們相互之間不能互通，不能互通的主要原因是因為它們所傳送數(shù)據(jù)的基本單元（技術上稱之為“幀”）的格式不同。IP協(xié)議實際上是一套由軟件程序組成的協(xié)議軟件，它把各種不同“幀”統(tǒng)一轉換成（NNT流量）或者“IP數(shù)據(jù)包”格式，這種轉換是因特網(wǎng)的一個最重要的特點，使所有各種計算機都能在因特網(wǎng)上實現(xiàn)互通，即具有“開放性”的特點。

數(shù)據(jù)包也是分組交換的一種形式，就是把所傳送的數(shù)據(jù)分段打成 “包”，再傳送出去。但是，與傳統(tǒng)的“連接型”分組交換不同，它屬于“無連接型”，是把打成的每個“包”（分組）都作為一個“獨立的報文”傳送出去，所以叫做“數(shù)據(jù)包”。這樣，在開始通信之前就不需要先連接好一條電路，各個數(shù)據(jù)包不一定都通過同一條路徑傳輸，所以叫做“無連接型”。這一特點非常重要，它大大提高了網(wǎng)絡的堅固性和安全性。

每個數(shù)據(jù)包都有報頭和報文這兩個部分，報頭中有目的地址等必要內容，使每個數(shù)據(jù)包不經(jīng)過同樣的路徑都能準確地到達目的地。在目的地重新組合還原成原來發(fā)送的數(shù)據(jù)。這就要IP具有分組打包和集合組裝的功能。

在實際傳送過程中，數(shù)據(jù)包還要能根據(jù)所經(jīng)過網(wǎng)絡規(guī)定的分組大小來改變數(shù)據(jù)包的長度，IP數(shù)據(jù)包的最大長度可達 65535個字節(jié)。

 網(wǎng)絡互相連接起來要使用一些中間設備

• 中間設備又稱為中間系統(tǒng)或中繼(relay)系統(tǒng)。

• 物理層中繼系統(tǒng)：轉發(fā)器(repeater)。

• 數(shù)據(jù)鏈路層中繼系統(tǒng)：網(wǎng)橋或橋接器(bridge)。

• 網(wǎng)絡層中繼系統(tǒng)：路由器(router)

• 網(wǎng)橋和路由器的混合物：橋路器(brouter)。

• 網(wǎng)絡層以上的中繼系統(tǒng)：網(wǎng)關(gateway)。

網(wǎng)絡互連使用路由器：

• 當中繼系統(tǒng)是轉發(fā)器或網(wǎng)橋時，一般并不稱之為網(wǎng)絡互連，因為這僅僅是把一個網(wǎng)絡擴大了，而這仍然是一個網(wǎng)絡。

• 網(wǎng)關由于比較復雜，目前使用得較少。

• 互聯(lián)網(wǎng)都是指用路由器進行互連的網(wǎng)絡。

• 由于歷史的原因，許多有關 TCP/IP 的文獻將網(wǎng)絡層使用的路由器稱為網(wǎng)關。

 分組在互聯(lián)網(wǎng)中的傳送

1.2 P IP 地址

所謂IP地址就是給每個連接在Internet上的主機分配的一個32bit地址。按照TCP/IP協(xié)議規(guī)定，IP地址用二進制來表示，每個IP地址長32bit，比特換算成字節(jié)，就是4個字節(jié)。例如一個采用二進制形式的IP地址是“00001010000000000000000000000001”，這么長的地址，人們處理起來也太費勁了。為了方便人們的使用，IP地址經(jīng)常被寫成十進制的形式，中間使用符號“.”分開不同的字節(jié)。于是，上面的IP地址可以表示為“10.0.0.1”。IP地址的這種表示法叫做“點分十進制表示法”，這顯然比1和0容易記憶得多。

 IP 地址及其分類原則

IP地址是一種層次地址,通用格式為:M——類的等級號，NET——網(wǎng)絡號，HOST——主機號。按照類的等級號，IP地址分為五類：A、B、C、D、E。如下圖所示，網(wǎng)絡號和主機號隨不同等級在32位中占有的位數(shù)不同。

網(wǎng)絡地址的最高位必須是“110”。C類IP地址中網(wǎng)絡的標識長度為24位，主機標識的長度為8位，C類網(wǎng)絡地址數(shù)量較多，適用于小規(guī)模的局域網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡最多只能包含254臺計算機。

C類IP地址范圍192.0.1.1-223.255.254.254（二進制表示為: 11000000 00000000 0000000100000001 - 11011111 11111111 11111110 11111110）。

C類IP地址的子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，每個網(wǎng)絡支持的最大主機數(shù)為256-2=254臺

特殊地址

除了以上三種類型的IP地址外，還有幾種特殊類型的IP地址，TCP/IP協(xié)議規(guī)定，凡IP地址中的第一個字節(jié)以“lll0”開始的地址都叫多點廣播地址。因此，任何第一個字節(jié)大于223小于240的IP地址是多點廣播地址；IP地址中的每一個字節(jié)都為0的地址（“0.0.0.0”）對應于當前主機；IP地址中的每一個字節(jié)都為1的IP地址（“255．255．255．255”）是當前子網(wǎng)的廣播地址；IP地址中凡是以“llll0”的地址都留著將來作為特殊用途使用；IP地址中不能以十進制“127”作為開頭，該類地址中數(shù)字127．0．0．1到127．1．1．1用于回路測試，如：127.0.0.1可以代表本機IP地址，用“http://127.0.0.1”就可以測試本機中配置的Web服務器。網(wǎng)絡ID的第一個6位組也不能全置為“0”，全“0”表示本地網(wǎng)絡。D類IP地址第一個字節(jié)以“1110”開始，它是一個專門保留的地址。它并不指向特定的網(wǎng)絡，目前這一類地址被用在多點廣播（Multicast）中。多點廣播地址用來一次尋址一組計算機，它標識共享同一協(xié)議的一組計算機。地址范圍224.0.0.1-239.255.255.254 。E類IP地址以“1111”開始，保留用于將來和實驗使用。

 廣播地址，主機號全部是“1”的網(wǎng)絡地址用于廣播，必須知道信宿網(wǎng)絡的網(wǎng)絡號。

 有限廣播地址，TCP/IP規(guī)定，32比特全為“1”的網(wǎng)間網(wǎng)地址用于本網(wǎng)廣播。

“0”類地址，TCP/IP規(guī)定，各位全為“0”的網(wǎng)絡號被解釋為“本”網(wǎng)絡。

 “回送地址，A類網(wǎng)絡地址127是一個保留地址，用于網(wǎng)絡軟件的測試以及本地機進程間通信，叫做回送地址。無論什么程序，一旦使用回送地址發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)議軟件立即返回之，不進行任何網(wǎng)絡傳輸。 TCP/IP協(xié)議規(guī)定：含網(wǎng)絡號127的分組不能出現(xiàn)任何網(wǎng)絡上；主機和網(wǎng)關不能為該地址廣播任何尋徑信息。

 私有網(wǎng)絡地址（保留地址）

A類地址：10.1.1.1-10.254.254.254

B類地址： 172.16.1.1-172.31.254.254

C類地址： 192.168.1.1-192.168.254.254

 IP 地址的屏蔽碼

一般地，32位的IP地址分為兩部分，即網(wǎng)絡號和主機號，分別稱為IP地址的“網(wǎng)絡部分”和“主機部分”。子網(wǎng)掩碼用于將這兩個部分區(qū)分開來。

子網(wǎng)掩碼IP協(xié)議規(guī)定：每一個使用子網(wǎng)的網(wǎng)點都選擇一個32位的位模式，若模式中的某位置1，則對應IP地址中的某位為網(wǎng)絡地址中的一位。若位模式中某位為0，則對應IP地址中的某位為主機地址中的一位。

若將IP地址主機部分的各位均置為0,則稱為網(wǎng)絡地址(network address).另外在網(wǎng)絡地址后面追加了表示網(wǎng)絡地址長度的幾位數(shù)字,即在IP地址的后面劃一個斜杠”/”,在斜杠的后面寫上表示網(wǎng)絡地址部分位數(shù)的數(shù)字。

例子

IP地址是由“網(wǎng)絡地址”與“主機地址”所構成的以IP地址為“192.168.10.68”，網(wǎng)絡地址為26位為例。

二進制數(shù) 11000000.10101000.00001010.01000000 /26

 互聯(lián)網(wǎng)中的 IP 地址

1.3 與 P IP 配套幾個協(xié)議

網(wǎng)際協(xié)議 IP 是 TCP/IP 體系中兩個最主要的協(xié)議之一。與 IP 協(xié)議配套使用的還有四個協(xié)議：

• 地址解析協(xié)議 ARP(Address Resolution Protocol)

• 逆地址解析協(xié)議 RARP(Reverse Address Resolution Protocol)

• 網(wǎng)際控制報文協(xié)議 ICMP(Internet Control Message Protocol)

• 網(wǎng)際組管理協(xié)議 IGMP(Internet Group Management Protocol)

1.3.1 網(wǎng)絡地址翻譯器（ NAT ）

這種技術是在局部地區(qū)網(wǎng)中，設定私有 IP 地址，當與 Internet 連接的時候，再將其變換成全局IP 地址。并且，如果是能夠替換 TCP 或者 UDP 的端口號的網(wǎng)絡地址端口翻譯器（NAPT:Network Address Ports Translation）,則使用一個全局 IP 地址就可以在多臺的主機之間進行通信。

1.3.2 地址解析協(xié)議（ ARP ）

略。

1.3.3 反向地址轉換協(xié)議（ RARP ）

略。

1.3.4 因特網(wǎng)控制消息協(xié)議（ ICMP）

ICMP是（Internet Control Message Protocol）Internet控制報文協(xié)議。它是TCP/IP協(xié)議族的一個子協(xié)議，用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡通不通、主機是否可達、路由是否可用等網(wǎng)絡本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。

基本簡介

ICMP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，用于傳輸出錯報告控制信息。它是一個非常重要的協(xié)議，它對于網(wǎng)絡安全具有極其重要的意義。

它是TCP/IP協(xié)議族的一個子協(xié)議,屬于網(wǎng)絡層協(xié)議,主要用于在主機與路由器之間傳遞控制信息,包括報告錯誤、交換受限控制和狀態(tài)信息等。當遇到IP數(shù)據(jù)無法訪問目標、IP路由器無法按當前的傳輸速率轉發(fā)數(shù)據(jù)包等情況時，會自動發(fā)送ICMP消息。

ICMP提供一致易懂的出錯報告信息。發(fā)送的出錯報文返回到發(fā)送原數(shù)據(jù)的設備，因為只有發(fā)送設備才是出錯報文的邏輯接受者。發(fā)送設備隨后可根據(jù)ICMP報文確定發(fā)生錯誤的類型，并確定如何才能更好地重發(fā)失敗的數(shù)據(jù)報。但是ICMP唯一的功能是報告問題而不是糾正錯誤，糾正錯誤的任務由發(fā)送方完成。

我們在網(wǎng)絡中經(jīng)常會使用到ICMP協(xié)議，比如我們經(jīng)常使用的用于檢查網(wǎng)絡通不通的Ping命令（Linux和Windows中均有），這個“Ping”的過程實際上就是ICMP協(xié)議工作的過程。還有其他的網(wǎng)絡命令如跟蹤路由的Tracert命令也是基于ICMP協(xié)議的。

P ICMP 協(xié)定內容

ICMP的全稱是 Internet Control Message Protocol 。從技術角度來說，ICMP就是一個“錯誤偵測與回報機制”，其目的就是讓我們能夠檢測網(wǎng)路的連線狀況﹐也能確保連線的準確性﹐其功能主要有：

• 偵測遠端主機是否存在。

• 建立及維護路由資料。

• 重導資料傳送路徑。

• 資料流量控制。

類型字段為3，標識這是一個ICMP 目標不可達數(shù)據(jù)包。代碼字段的值進一步說明了出錯的具體原因，其取值范圍為0-12。各值的含義如下表所示。

另外我們注意到ICMP 目標不可達數(shù)據(jù)包中最后一個字段，該字段包含了出錯IP 數(shù)據(jù)包的lP頭部和IP 數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分的頭64 位。之所以要包含這個字段是為了能讓IP 數(shù)據(jù)包的發(fā)送者知道是哪個數(shù)據(jù)包出錯。

（3）源端關閉

路由器轉發(fā)IP 數(shù)據(jù)包時是僅僅根據(jù)單個數(shù)據(jù)包的信息進行轉發(fā)的，因此它無法為某個數(shù)據(jù)包預留一定的資源。由于路由器的資源（內存，計算時間等）是有限的，在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量比較大時，路由器為了轉發(fā)數(shù)據(jù)包可能會耗盡其所有資源，這種情況稱為阻塞。出現(xiàn)阻塞就是路由器能力有限，無法轉發(fā)所有需要轉發(fā)的數(shù)據(jù)包。這時路由器會選擇丟棄一些數(shù)據(jù)包。但僅僅這樣做還是無法減輕網(wǎng)絡阻塞的情況，因為發(fā)送端在發(fā)出數(shù)據(jù)包后如果無法收到響應往往會發(fā)送更多的數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡上，使得網(wǎng)絡更加擁擠，使網(wǎng)絡的阻塞更加嚴重。因此路由器在丟棄數(shù)據(jù)包時會發(fā)送一個信息到數(shù)據(jù)包的發(fā)送方，通知它網(wǎng)絡已阻塞，請緩發(fā)數(shù)據(jù)包。用來發(fā)送這個通知的就是ICMP 源端關閉數(shù)據(jù)包。該數(shù)據(jù)包格式如下圖所示。

（4）超時錯誤

在IP 數(shù)據(jù)包中有個TTL 字段。IP 數(shù)據(jù)包每被路由器轉發(fā)一次該字段的值就至少減l。當該字段的值減少到0 時，路由器會將該數(shù)據(jù)包丟棄。但這種情況是很少發(fā)生的，因為IP 數(shù)據(jù)包都會將該字段的值設置的足夠大，使得該數(shù)據(jù)包被轉發(fā)到目標主機時該字段的值仍然大于0。但有時也會發(fā)生這種清況，例如幾個路由器組成一個環(huán)，而且路由器中的路由表有錯誤，這時在其中轉發(fā)的數(shù)據(jù)包可能一直在這個環(huán)中直到TTL 字段減為0。在將TTL 為0 的數(shù)據(jù)包丟棄之前，路由器需要通知數(shù)據(jù)包的源主機數(shù)據(jù)包轉發(fā)超時了。由于一個IP 數(shù)據(jù)包在轉發(fā)到目標主機的過程中可能被分成了多個段，而這些分段是單獨路由的。因此很有可能一個IP 數(shù)據(jù)包的多個分段只有部分能到達目標主機而其他的可能丟失了。目標主機在對一個IP 數(shù)據(jù)包的多個分段進行重組時，如果等待一定的時間后剩下的分段還沒有到達，目標主機就認為這些分段不會到達，并將已收到的分段丟棄。在丟棄這些分段之前，目標主機會通知源主機IP 數(shù)據(jù)包的分段在進行重組時超時了。

不管是上述兩種情況的哪一種，路由器和目標主機都是通過向源主機發(fā)送一個ICMP 超時數(shù)據(jù)包來通知它的。該數(shù)據(jù)包的格式如下圖所示。

請求主機可以向路由器或者直接廣播該數(shù)據(jù)包，路由器會將網(wǎng)絡的子網(wǎng)掩碼通知給該主機。