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

本文主要從以下幾個(gè)方面講解網(wǎng)絡(luò)層：

網(wǎng)際協(xié)議 IP

IP 地址

與 IP 配套幾個(gè)協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)地址翻譯器（NAT）

地址解析協(xié)議（ARP）

反向地址轉(zhuǎn)換協(xié)議（RARP）

因特網(wǎng)控制消息協(xié)議（ICMP）

IGMP

IP 數(shù)據(jù)報(bào)的格式

IP 數(shù)據(jù)報(bào)首部的固定部分中的各字段

IP 數(shù)據(jù)報(bào)首部的可變部分

IP 層轉(zhuǎn)發(fā)分組的流程

路由表

默認(rèn)路由(default route)

路由表查找

網(wǎng)絡(luò)層是OSI參考模型中的第三層，介于運(yùn)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(gè)相鄰端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)幀的傳送功能上，進(jìn)一步管理網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)設(shè)法從源端經(jīng)過若直干個(gè)中間節(jié)點(diǎn)傳送到目的端，從而向運(yùn)輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。主要內(nèi)容有：虛電路分組交換和數(shù)據(jù)報(bào)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(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)（ISDN）、異步傳輸模式（ATM）及網(wǎng)際互連原理與實(shí)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(bào)格式傳。IP提供不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送服務(wù)。不可靠( unreliable)的意思是它不能保證I P數(shù)據(jù)報(bào)能成功地到達(dá)目的地。I P僅提供最好的傳輸服務(wù)。任何要求的可靠性必須由上層來提供(如TCP)。

無連接(connectionless)這個(gè)術(shù)語的意思是I P并不維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)信息。每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的處理是相互獨(dú)立的。這也說明， I P數(shù)據(jù)報(bào)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(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)報(bào)(先是A，然后是B)，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)都是獨(dú)立地進(jìn)行路由選擇，可能選擇不同的路線，因此B可能在A到達(dá)之前先到達(dá)。

1.1 網(wǎng)際協(xié)議 IP

IP是英文Internet Protocol（網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互連接進(jìn)行通信而設(shè)計(jì)的協(xié)議。在因特網(wǎng)中，它是能使連接到網(wǎng)上的所有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相互通信的一套規(guī)則，規(guī)定了計(jì)算機(jī)在因特網(wǎng)上進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)當(dāng)遵守的規(guī)則。任何廠家生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)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(gè)廠家生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和設(shè)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?yàn)樗鼈兯鶄魉蛿?shù)據(jù)的基本單元（技術(shù)上稱之為“幀”）的格式不同。IP協(xié)議實(shí)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(zhuǎn)換成（NNT流量）或者“IP數(shù)據(jù)包”格式，這種轉(zhuǎn)換是因特網(wǎng)的一個(gè)最重要的特點(diǎn)，使所有各種計(jì)算機(jī)都能在因特網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)互通，即具有“開放性”的特點(diǎn)。

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(gè)“包”（分組）都作為一個(gè)“獨(dú)立的報(bào)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(gè)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(diǎn)非常重要，它大大提高了網(wǎng)絡(luò)的堅(jiān)固性和安全性。

每個(gè)數(shù)據(jù)包都有報(bào)頭和報(bào)文這兩個(gè)部分，報(bào)頭中有目的地址等必要內(nèi)容，使每個(gè)數(shù)據(jù)包不經(jīng)過同樣的路徑都能準(zhǔn)確地到達(dá)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(shí)際傳送過程中，數(shù)據(jù)包還要能根據(jù)所經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)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(dá) 65535個(gè)字節(jié)。

 網(wǎng)絡(luò)互相連接起來要使用一些中間設(shè)備

• 中間設(shè)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(zhuǎn)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(luò)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(luò)層以上的中繼系統(tǒng)：網(wǎng)關(guān)(gateway)。

網(wǎng)絡(luò)互連使用路由器：

• 當(dāng)中繼系統(tǒng)是轉(zhuǎn)發(fā)器或網(wǎng)橋時(shí)，一般并不稱之為網(wǎng)絡(luò)互連，因?yàn)檫@僅僅是把一個(gè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了，而這仍然是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

• 網(wǎng)關(guān)由于比較復(fù)雜，目前使用得較少。

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

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

 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(gè)連接在Internet上的主機(jī)分配的一個(gè)32bit地址。按照TCP/IP協(xié)議規(guī)定，IP地址用二進(jìn)制來表示，每個(gè)IP地址長32bit，比特?fù)Q算成字節(jié)，就是4個(gè)字節(jié)。例如一個(gè)采用二進(jìn)制形式的IP地址是“00001010000000000000000000000001”，這么長的地址，人們處理起來也太費(fèi)勁了。為了方便人們的使用，IP地址經(jīng)常被寫成十進(jìn)制的形式，中間使用符號(hào)“.”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(diǎn)分十進(jìn)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(jí)號(hào)，NET——網(wǎng)絡(luò)號(hào)，HOST——主機(jī)號(hào)。按照類的等級(jí)號(hào)，IP地址分為五類：A、B、C、D、E。如下圖所示，網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)隨不同等級(jí)在32位中占有的位數(shù)不同。

網(wǎng)絡(luò)地址的最高位必須是“110”。C類IP地址中網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)長度為24位，主機(jī)標(biāo)識(shí)的長度為8位，C類網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)量較多，適用于小規(guī)模的局域網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多只能包含254臺(tái)計(jì)算機(jī)。

C類IP地址范圍192.0.1.1-223.255.254.254（二進(jìn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)支持的最大主機(jī)數(shù)為256-2=254臺(tái)

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(gè)字節(jié)以“lll0”開始的地址都叫多點(diǎn)廣播地址。因此，任何第一個(gè)字節(jié)大于223小于240的IP地址是多點(diǎn)廣播地址；IP地址中的每一個(gè)字節(jié)都為0的地址（“0.0.0.0”）對(duì)應(yīng)于當(dāng)前主機(jī)；IP地址中的每一個(gè)字節(jié)都為1的IP地址（“255．255．255．255”）是當(dāng)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(jìn)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(cè)試，如：127.0.0.1可以代表本機(jī)IP地址，用“http://127.0.0.1”就可以測(cè)試本機(jī)中配置的Web服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)ID的第一個(gè)6位組也不能全置為“0”，全“0”表示本地網(wǎng)絡(luò)。D類IP地址第一個(gè)字節(jié)以“1110”開始，它是一個(gè)專門保留的地址。它并不指向特定的網(wǎng)絡(luò)，目前這一類地址被用在多點(diǎn)廣播（Multicast）中。多點(diǎn)廣播地址用來一次尋址一組計(jì)算機(jī)，它標(biāo)識(shí)共享同一協(xié)議的一組計(jì)算機(jī)。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(shí)驗(yàn)使用。

 廣播地址，主機(jī)號(hào)全部是“1”的網(wǎng)絡(luò)地址用于廣播，必須知道信宿網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)。

 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(luò)號(hào)被解釋為“本”網(wǎng)絡(luò)。

 “回送地址，A類網(wǎng)絡(luò)地址127是一個(gè)保留地址，用于網(wǎng)絡(luò)軟件的測(cè)試以及本地機(jī)進(jìn)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(jìn)行任何網(wǎng)絡(luò)傳輸。 TCP/IP協(xié)議規(guī)定：含網(wǎng)絡(luò)號(hào)127的分組不能出現(xiàn)任何網(wǎng)絡(luò)上；主機(jī)和網(wǎng)關(guān)不能為該地址廣播任何尋徑信息。

 私有網(wǎng)絡(luò)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(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)，分別稱為IP地址的“網(wǎng)絡(luò)部分”和“主機(jī)部分”。子網(wǎng)掩碼用于將這兩個(gè)部分區(qū)分開來。

子網(wǎng)掩碼IP協(xié)議規(guī)定：每一個(gè)使用子網(wǎng)的網(wǎng)點(diǎn)都選擇一個(gè)32位的位模式，若模式中的某位置1，則對(duì)應(yīng)IP地址中的某位為網(wǎng)絡(luò)地址中的一位。若位模式中某位為0，則對(duì)應(yīng)IP地址中的某位為主機(jī)地址中的一位。

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

例子

IP地址是由“網(wǎng)絡(luò)地址”與“主機(jī)地址”所構(gòu)成的以IP地址為“192.168.10.68”，網(wǎng)絡(luò)地址為26位為例。

二進(jìn)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(gè)協(xié)議

網(wǎng)際協(xié)議 IP 是 TCP/IP 體系中兩個(gè)最主要的協(xié)議之一。與 IP 協(xié)議配套使用的還有四個(gè)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(bào)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(luò)地址翻譯器（ NAT ）

這種技術(shù)是在局部地區(qū)網(wǎng)中，設(shè)定私有 IP 地址，當(dāng)與 Internet 連接的時(shí)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(hào)的網(wǎng)絡(luò)地址端口翻譯器（NAPT:Network Address Ports Translation）,則使用一個(gè)全局 IP 地址就可以在多臺(tái)的主機(jī)之間進(jìn)行通信。

1.3.2 地址解析協(xié)議（ ARP ）

略。

1.3.3 反向地址轉(zhuǎn)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(bào)文協(xié)議。它是TCP/IP協(xié)議族的一個(gè)子協(xié)議，用于在IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡(luò)通不通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)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(duì)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(cuò)報(bào)告控制信息。它是一個(gè)非常重要的協(xié)議，它對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全具有極其重要的意義。

它是TCP/IP協(xié)議族的一個(gè)子協(xié)議,屬于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,主要用于在主機(jī)與路由器之間傳遞控制信息,包括報(bào)告錯(cuò)誤、交換受限控制和狀態(tài)信息等。當(dāng)遇到IP數(shù)據(jù)無法訪問目標(biāo)、IP路由器無法按當(dāng)前的傳輸速率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包等情況時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)送ICMP消息。

ICMP提供一致易懂的出錯(cuò)報(bào)告信息。發(fā)送的出錯(cuò)報(bào)文返回到發(fā)送原數(shù)據(jù)的設(shè)備，因?yàn)橹挥邪l(fā)送設(shè)備才是出錯(cuò)報(bào)文的邏輯接受者。發(fā)送設(shè)備隨后可根據(jù)ICMP報(bào)文確定發(fā)生錯(cuò)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(bào)。但是ICMP唯一的功能是報(bào)告問題而不是糾正錯(cuò)誤，糾正錯(cuò)誤的任務(wù)由發(fā)送方完成。

我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常會(huì)使用到ICMP協(xié)議，比如我們經(jīng)常使用的用于檢查網(wǎng)絡(luò)通不通的Ping命令（Linux和Windows中均有），這個(gè)“Ping”的過程實(shí)際上就是ICMP協(xié)議工作的過程。還有其他的網(wǎng)絡(luò)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(nèi)容

ICMP的全稱是 Internet Control Message Protocol 。從技術(shù)角度來說，ICMP就是一個(gè)“錯(cuò)誤偵測(cè)與回報(bào)機(jī)制”，其目的就是讓我們能夠檢測(cè)網(wǎng)路的連線狀況﹐也能確保連線的準(zhǔn)確性﹐其功能主要有：

• 偵測(cè)遠(yuǎn)端主機(jī)是否存在。

• 建立及維護(hù)路由資料。

• 重導(dǎo)資料傳送路徑。

• 資料流量控制。

類型字段為3，標(biāo)識(shí)這是一個(gè)ICMP 目標(biāo)不可達(dá)數(shù)據(jù)包。代碼字段的值進(jìn)一步說明了出錯(cuò)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(biāo)不可達(dá)數(shù)據(jù)包中最后一個(gè)字段，該字段包含了出錯(cuò)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(gè)字段是為了能讓IP 數(shù)據(jù)包的發(fā)送者知道是哪個(gè)數(shù)據(jù)包出錯(cuò)。

（3）源端關(guān)閉

路由器轉(zhuǎn)發(fā)IP 數(shù)據(jù)包時(shí)是僅僅根據(jù)單個(gè)數(shù)據(jù)包的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的，因此它無法為某個(gè)數(shù)據(jù)包預(yù)留一定的資源。由于路由器的資源（內(nèi)存，計(jì)算時(shí)間等）是有限的，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量比較大時(shí)，路由器為了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包可能會(huì)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(zhuǎn)發(fā)所有需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包。這時(shí)路由器會(huì)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(luò)阻塞的情況，因?yàn)榘l(fā)送端在發(fā)出數(shù)據(jù)包后如果無法收到響應(yīng)往往會(huì)發(fā)送更多的數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡(luò)上，使得網(wǎng)絡(luò)更加擁擠，使網(wǎng)絡(luò)的阻塞更加嚴(yán)重。因此路由器在丟棄數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)發(fā)送一個(gè)信息到數(shù)據(jù)包的發(fā)送方，通知它網(wǎng)絡(luò)已阻塞，請(qǐng)緩發(fā)數(shù)據(jù)包。用來發(fā)送這個(gè)通知的就是ICMP 源端關(guān)閉數(shù)據(jù)包。該數(shù)據(jù)包格式如下圖所示。

（4）超時(shí)錯(cuò)誤

在IP 數(shù)據(jù)包中有個(gè)TTL 字段。IP 數(shù)據(jù)包每被路由器轉(zhuǎn)發(fā)一次該字段的值就至少減l。當(dāng)該字段的值減少到0 時(shí)，路由器會(huì)將該數(shù)據(jù)包丟棄。但這種情況是很少發(fā)生的，因?yàn)镮P 數(shù)據(jù)包都會(huì)將該字段的值設(shè)置的足夠大，使得該數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)主機(jī)時(shí)該字段的值仍然大于0。但有時(shí)也會(huì)發(fā)生這種清況，例如幾個(gè)路由器組成一個(gè)環(huán)，而且路由器中的路由表有錯(cuò)誤，這時(shí)在其中轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包可能一直在這個(gè)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(jī)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)超時(shí)了。由于一個(gè)IP 數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)主機(jī)的過程中可能被分成了多個(gè)段，而這些分段是單獨(dú)路由的。因此很有可能一個(gè)IP 數(shù)據(jù)包的多個(gè)分段只有部分能到達(dá)目標(biāo)主機(jī)而其他的可能丟失了。目標(biāo)主機(jī)在對(duì)一個(gè)IP 數(shù)據(jù)包的多個(gè)分段進(jìn)行重組時(shí)，如果等待一定的時(shí)間后剩下的分段還沒有到達(dá)，目標(biāo)主機(jī)就認(rèn)為這些分段不會(huì)到達(dá)，并將已收到的分段丟棄。在丟棄這些分段之前，目標(biāo)主機(jī)會(huì)通知源主機(jī)IP 數(shù)據(jù)包的分段在進(jìn)行重組時(shí)超時(shí)了。

不管是上述兩種情況的哪一種，路由器和目標(biāo)主機(jī)都是通過向源主機(jī)發(fā)送一個(gè)ICMP 超時(shí)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(qǐng)求主機(jī)可以向路由器或者直接廣播該數(shù)據(jù)包，路由器會(huì)將網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼通知給該主機(jī)。