OSI模型之网络层

一、简介

网络层是OSI参考模型中的第三层，同时也是TCP/IP模型的第二层。它介于传输层和数据链路层之间,主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

协议结构图如下所示：

二、功能

1. 路由选择与分组转发（最佳路径）
   
   路由算法：静态路由算法（非自适应路由算法）、动态路由算法（自适应路由算法）
   
   动态路由算法：全局性（OSPF）、分散性（RIP）
   
   分层次的路由选择协议：内部网关协议IGP、外部网关协议EGP

2. 异构网络互联

3. 拥塞控制

• 注意：若所有节点都来不及接收分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞。
  
  解决方法：开环控制（静）、闭环控制（动）

三、IP协议

IP 协议是基于 IP 地址将数据包发送给目的主机，能够让互联网上任何两台主机进行通信。

1. IP地址的组成
   
   IP地址由网络号（网段地址）和主机号（主机地址）两部分组成。
   
   

2. IP地址的分类
   
   IP 地址分为四类，分别是 A类、 B类、 C类、 D类（还有一个保留的E类）。

3. IP数据报格式
   
   

• 版本： 4 位版本号(version)：指定 IP 协议的版本，对于 IPv4 来说，就是 4

• 首部长度： 4 位头部长度(header length)：IP 头部的长度，单位是 4 比特，最小为 5（因为固定部分为 20 字节，所以最小就是 5），也就是说首部长度是 4×5=20 到 4×15=60 之间

• 区分服务： 8 位服务类型(Type Of Service)：3 位优先权字段(已经弃用)，4 位 TOS 字段，和 1 位保留字段(必须置为 0)。4 位TOS 分别表示：最小延时、 最大吞吐量、 最高可靠性、最小成本。 这四者相互冲突，只能选择一个。对于ssh/telnet 这样的应用程序，最小延时比较重要；对于 ftp 这样的程序，最大吞吐量比较重要。

• 总长度： 16 位总长度(total length)：整个ip数据报的总长度为2^16-1=65535字节。不过由于链路层的MTU限制，超过1480字节后就会被分片（以太网帧MTU为1500字节，除去20 字节的IP报头）。

• 标识： 16 位标识(id)：唯一的标识主机发送的报文。如果 IP 报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个id 都是相同的。

• 标志：** 3 位标志字段：第一位保留。第二位置为 1 表示禁止分片，这时候如果报文长度超过 MTU，IP 模块就会丢弃报文。第三位表示“更多分片”，如果分片了的话，最后一个分片置为 1，其他是 0。类似于一个结束标记。

• 片偏移： 13 位分片偏移(framegament offset)：是分片相对于原始 IP 报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置，实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是 8 的整数倍（否则报文就不连续了）。

• 生存时间（TTL）： 8 位生存时间(Time To Live, TTL)：数据报到达目的地的最大报文跳数，一般是 64。每次经过一个路由，TTL就减1，一直减到 0 还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环

• 协议： 8 位协议：表示上层协议的类型
  
  

• 首部校验和： 16 位头部校验和：使用 CRC 进行校验，来鉴别头部是否损坏。也就是二进制的和！

• 源地址和目的地址： 32 位源地址和 32 位目标地址： 表示发送端和接收端

• 可选字段和填充： 用来支持排错、测量以及安全等措施

1. IP数据报分片
   
   以太网帧中的数据长度规定最小 46 字节，最大 1500 字节，ARP 数据包的长度不够 46 字节，要在后面补填充位；最大值 1500 称为以太网的最大传输单元(MTU)，不同的网络类型有不同的 MTU。
   
   
   
   如果一个数据包从以太网路由到拨号链路上，数据包长度大于拨号链路的 MTU 了，则需要对数据包进行分片(fragmentation)；不同的数据链路层标准的 MTU 是不同的。

2. NAT（网络地址转换）
   
   NAT不仅能解决IP地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。
   
   宽带分享： 这是 NAT 主机的最大功能。
   
   安全防护： NAT 之内的 PC 联机到 Internet 上面时，他所显示的 IP 是 NAT 主机的公共 IP，所以 Client 端的 PC 当然就具有一定程度的安全，外界在进行 portscan（端口扫描） 的时候，就侦测不到源Client 端的 PC 。

3. CIDR 与 VLSM
   
   解决 IP 地址浪费问题，除了使用子网掩码，还使用了 CIDR 和 VLSM 技术。
   
   CIDR： 是主机号向网络号借位，目的是把几个网络汇总成一个大的网络，增加子网主机数量。
   
   VLSM： 是网络号向主机号借位，目的是把一个标准的网络划分成几个子网，减少子网主机数量。

4. 路由选择协议（RIP/OSPF/BGP）
   
   路由选择协议主要用于路由器之间实现路由表收敛的协议，当路由表稳定时，使用其对数据包进行转发。
   
   RIP： 距离矢量路由协议，跳数（最大跳数为15跳，16跳不可达）
   
   OSPF： 开放式最短路径优先，比RIP协议智能。
   
   BGP： 边界网关协议

5. ARP(地址解析协议)
   
   ARP协议主要完成主机或路由器IP地址到MAC地址的映射（解决下一跳走哪的问题）
   
   

• ARP协议的作用是什么： 二层寻址

• ARP协议作用范围是什么： 同一个广播域

• 查看指令

  arp -a
  
  

• ARP应用
  
  

• ARP协议4种典型情况

  • 主机A发送给本网络上的主机B：用ARP找到主机B的硬件地址；
  • 主机A发送另一网络上的主机B：用ARP找到本网络上一个路由器（网关）的硬件地址；
  • 路由器发送给本网络的主机A：用ARP找到主机A的硬件地址；
  • 路由器发给另一网络的主机B：用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址。

1. RARP
   
   反向地址转换协议，网络层协议，RARP与ARP工作方式相反。 RARP使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址。RARP发出要反向解释的物理地址并希望返回其IP地址，应答包括能够提供所需信息的RARP服务器发出的IP地址。

2. 网际控制报文协议ICMP

• ICMP报文
  
  

• ICMP的应用

  • PING：测试两个主机之间的连通性，使用了ICMP会送请求和回答报文。
  • Traceroute：跟踪一个分组从原点到终点的路径，使用了ICMP时间超时差错报告报文

1. 网际组管理协议IGMP
   
   IGMP协议是配置在路由器接口上的。用来周期性扫描本网段还有哪些计算机在绑定多播数据包，如果一个也没有的话，向上游路由器请求多播数据包就拒绝。一份也别过来了。

2. IP组播地址
   
   组播路由选择协议常使用的三种算法：
   
   基于链路状态的路由选择
   
   基于距离-向量的路由选择
   
   协议无关的组播（稀疏/秘籍）

3. ping
   
   ping工具就是通过 ICMP 消息测试网络层连通性的。源主机发出 Echo request 消息，目的主机回应 Echo reply 消息，则两台主机间的网络层通信正常。也可以通过 ping命令来判断目标主机是否启用。
   
   

参考文献

OSI体系结构——网络层详解：https://blog.csdn.net/zhang175gl/article/details/105264596

OSI参考模型之网络层：https://blog.csdn.net/qq_46093534/article/details/116762359

IP地址基础知识：https://jinyi.blog.csdn.net/article/details/114484150

IP协议基本知识：https://www.jianshu.com/p/6135aa848e3d

IP 数据报格式及分片：https://ld246.com/article/1572322244697