计算机网络原理总结C-网络层

网络层

网络层提供的两种服务
网际协议IP
- 虚拟互连网络
- IP地址
- 子网掩码（无分类编址CIDR）
- IP地址和MAC地址
- IP数据报格式
- （路由）转发分组的流程
  - 因特网的路由选择协议（动态路由协议）
网际控制报文协议ICMP
IP多播（IGMP协议）
虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT

1、网络层提供的两种服务

争论焦点
虚电路服务和数据包服务
两种服务的对比

2、网际协议IP

1. 虚拟互连网络（逻辑互连，通过路由器将网络互连）

4种网络互连的设备【中间设备又称为中间系统或中继系统】
- 物理层中继系统：转发器（repeater）
- 数据链路层中继系统：网桥或桥接器-交换机（bridge）
- 网络层中继系统：路由器（router）
- 网络层以上的中继系统：网关（gateway）

【注意】
- 现在所说的网关是路由器的一个接口：如果没有配置网关，将不能访问其它网段，但可以访问本网段的网络，网关是访问其它网段的路由器的接口。
- 计算机可以配置多个网关
- 网关一般使用本网段的第一个地址或最后一个地址

虚拟互连网络需要解决的问题：虚拟互连网络可以由多种异构网络互连组成
IP协议简介（四个协议）
- ARP
- RARP
- ICMP
- IGMP

2. IP地址

分层次：网络号和主机号
点分十进制记法

IP地址的分类：（通过第一个字节和子网掩码划分）

十进制和二进制的关系（网络部分）

2. 常见的三种类别的IP地址

网络类别	最大网络数	第一个可用的网络号	最后一个可用的网络号	每个网络中最大的主机数
A类	126(2^7-2)	1	126	16,777,214
B类	16383(2^14-1)	128.1	191.255	65534
C类	2,097,151(2^21-1)	192.0.1	233.255.255	254

特殊的几个IP地址
- 网络部分
（1）本地环回地址
```
 172.0.0.1
```
（2）分配异常地址：Windows通过自动分配地址时，如果没有分配到正确的地址，自动分配这个网段的地址；
```
 169.254.0.0
```
（3）保留的私网地址：（这些地址互联网上没有使用，提供给学校、企业等机构使用）
```
 10.0.0.0
 172.16.0.0------172.31.0.0
 192.168.0.0------192.168.255.0
```
- 本机部分
  
  （1）主机部分全为0，代表区号
  
  （2）主机部分全为1，代表广播

3.无分类编址CIDR（子网掩码）

子网掩码的作用

主机地址IP和子网掩码进行二进制"与"运算 得到网段；如果相同则两台主机在同一网段上，就可以直接通信；否则需要通过路由器的网关进行通信。

子网划分
1. C类网络的子网划分
2. 点到点网络的子网掩码最好是252
  - 原因：这样网络里就有两个地址，不浪费
3. 变长子网的划分【不等分的子网掩码不一样】及练习
4. 将B类网络划分为两个子网
构造超网（合并网段：子网掩码向前移动）

4. IP地址和MAC地址

数据包和数据帧

数据段+源IP+目标IP=数据包		//IP地址决定最终到哪一台机器
数据包+源MAC+目标MAC=数据帧	//MAC地址决定下一跳给谁

基于MAC地址 控制的代理服务器 只能控制本网段 计算机是否能上网：CCProxcy软件（代理软件）+Proxifier
ARP协议相关（不安全）
1. 工作机制：通过广播，将IP地址解析为MAC地址
2. ARP欺骗（可截获数据包）
  1. P2P终结者：利用ARP欺骗将你们通信的目标Mac地址设置为自己的电脑，自己接受到数据包再发出去，可利用这个来控制带宽。
  2. 网络执法官：利用ARP欺骗拦截并返回一个根本不存在的Mac地址，这样可以控制计算机间的通信。
    - 【思考】如果想禁止本网段的网络访问互联网，如何操作？
    - 使用网络执法官将本网段的网络解析错误的网关的mac地址，这样就禁止本网段的网络访问互联网
  3. ARP防火墙：配置静态MAC地址，可以防止ARP欺骗；
    - 如果想自动配置，将命令arp -s写在.bat文件中，并设置为开机自启 （在Windows中输入gpedit.msc，设置启动脚本）
      
      arp -a //查看MAC地址
      arp -s 10.7.90.1 00-0f-e2-8f-f8-8c //配置静态MAC地址（造成ARP欺骗，导致不能上网-不能ping网关）
    - 应用软件：金山贝壳ARP防火墙
3. 【案例】如何判断ARP欺骗

AB可以正常上网，C可以与AB正常通信，说明AB没问题并且C的物理层也没问题，可以考虑C解析不到网关的Mac地址，在可以正常通信的A使用arp -a查看正确的网关Mac地址，看C解析的Mac地址是否正确即可

如果C缓存了一个错误的Mac地址使用 arp -d可以清空缓存即可
windows对网卡进行【网络诊断】，会把所有的MAC地址都清除掉

5.IP数据包格式

ping -i 1	//路由器网关（IP地址）回复：TTL传输中过期

【实验】通过抓包工具分析数据包首部

6.（路由）转发分组的流程

概念：路由器在不同网段转发数据包
路由表的作用：
- 沿途的路由器必须知道到目标网络下一跳给哪个接口
- 沿途的路由器必须知道到源网络下一跳给哪个接口
网络畅通的条件：能去能回
静态路由

【实验】添加静态路由

```
show interfaces fastEthernet 0/0	//查看路由器的接口地址

show ip route	//查看路由表

ip route (下一个网段的，路由器不关心具体地址)192.168.0.0 255.255.255.0 （下一跳接口IP）172.16.0.1	//添加静态路由

no ip route 192.168.0.0 255.255.255.0 	//删除静态路由
```

默认路由
1. Windows网关就是默认路由，网关不设置，就没有默认路由
2. 【实验】添加默认路由
  
  route print //打印路由表
  
  route add （代表下一个网段）0.0.0.0 （子网掩码）mask 0.0.0.0 （下一跳，即网关）10.7.86.1 //添加默认路由
3. 设置计算机路由的作用
【问题】当计算机有两个网卡（即两个网关）时，可连通两个网络，相当于有两个路由，这样可能会出现计算机在返回数据时，一条发到网络A，一条发到网络B

【解决方案】只在一个网卡上加默认路由，另一个给下一跳路由
动态路由协议
1. RIP协议（内部网关协议，自治系统内）
  1. 特点：最早、周期性广播（30秒）、根据跳数计算最佳路径（最大跳数16跳）
  2. 【实验】配置路由器的动态路由RIP协议
    
    route rip //进入RIP全局配置模式
    
    network 172.16.0.0 //这里默认B类网络，所以不需要加子网掩码255.255.0.0
    
    show ip route //查看路由器的路由表
2. OSPF协议（内部网关协议，自治系统内；开放式，在电商、互联网等地方应用的协议）
  1. 特点：
    - 度量值：带宽
    - 支持多区域：即使用OSPF协议划分区域
    - 触发式更新：自动计算最佳路径
    - 有三个表：邻居表（邻居之间会发hello包）、链路状态表（交换邻居表，构成网络拓扑图）、计算路由表（最短路径优先算法，不会出现环路）
  2. 【实验】配置OSPF协议（单区域）
    
    route OSPF 1（进程号---可随意写，无特殊意义） //进入OSPF全局配置模式
    
    network 172.16.0.0 （反码掩码）0.0.255.255 （告诉它这个路由器属于哪一个区域）area 0
    
    show ip route //查看路由器的路由表
    
    tracert 172.17.0.2 //跟踪路由路径
3. 路由优先级：静态路由（1）> OSPF协议分配的路由（110）> RIP协议动态分配的路由（120）
4. BGP协议（外部网关协议，自治系统间）

3、ICMP协议（网际控制报文协议）

类型：

ICMP报文种类	类型的值	ICMP报文的类型
差错报告报文	3	终点不可达
差错报告报文		源点抑制报文
差错报告报文	11	时间超过
差错报告报文	12	参数问题
差错报告报文	5	改变路由
询问报文	8或0	回送（Echo）请求或回送回答
询问报文	13或14	时间戳（Timestamp）请求或时间戳应答

格式及内容
【应用】 诊断网络故障---ping tracert pathping三大命令
1. ping命令：判断网络拥塞、粗略估算带宽
2. tracert/traceroute命令：跟踪一个分组从源点到终点的路径
3. pathping命令：跟踪数据包路径；能计算丢包率（路由器转发丢包率、链路丢包率）；判断拥塞时，哪一段网络丢包比较严重

【实验】抓包分析ICMP协议

4、虚拟专用网VPN

用途：通过外网访问内网
原理：将局域网通信数据等使用互联网再包一层进行传输
【应用】（案例3个）创建VPN拨号连接

（1）设置连接或网络-----（2）连接到工作区-----（3）VPN连接------（4）输入IP地址-----（5）输入用户名、密码（出现网卡）-----（6）修改属性（网络：去掉"在远程网络上使用默认网关"/这样访问互联网时不会进入内网）

站点间VPN：将两个局域网的使用VPN服务器连通，这样两个局域网内的终端可以互连

5、网络地址转换NAT

用途：
- 内网访问外网
- 节省公网IP
原理：公网地址切换
- NAT（只替换地址）
- PAT（替换端口和地址）
  
  netstat -n //查看目标和源端口
应用
1. 配置虚拟机的NAT
2. 虚拟机配置NAT的端口映射（在路由器上也可以配置端口映射）