IP/MAC帧/ARP协议

4位首部长度：用于表示IP报头的长度。它的单位是4字节 ，由于4位比特位最多可以表示到15，【选项】字段一般来说没有，因此IP报头的标准长度就是20字节，即4位首部长度为5。IP报头长度的范围在 $20,60$
16位总长度：用于表示IP报文（报头+有效载荷）的长度。它的单位是1字节，最大值到65535。
通过该公式将报头与有效载荷分离：有效载荷长度 = 16位总长度 - 4位首部长度*4
8位协议：用于表示IP数据报携带的上层数据应该交给哪个协议处理（向上交付）。 通过协议号确定要向上交付给哪个协议。例如TCP=6、UDP=17，且传输层不只有这俩协议（DCCP、SCTP等）。而且IP之上也不只有传输层，例如还有网络层/控制协议ICMP、IGMP等等
16位首部校验和：用于校验报头的完整性。校验失败时，接收方会直接丢弃报文，若传输层是TCP协议，就会触发超时重传
8位生存时间：数据是通过路由器转发接力才能顺利到达 ，但如果中间有路由器发生故障，从而造成了例如环路问题等原因让数据包不停的在路由器中转发。
8位生存时间用于表示该数据包的转发跳数，每转发一个路由器，该值-1，当为0时丢弃该数据包。它的默认值并不是固定255，而是根据设备的不同来选择，例如Linux默认64，Windows默认128，路由器/交换机等默认255
4位版本号：用于标识该IP报文的IP协议版本号，目前只有两个值：IPv4：4，IPv6：6，该字段是IP报头第一个被读取的字段
8位区分服务：用来告诉路由器该数据包的优先级（例如是紧急件还是普通件），从而决定优先处理和转发策略，该字段在公网效果有限，主要用于企业内网或Qos

网段划分

IP地址由两部分组成：IP地址 = 目标网络 + 目标主机 ，当路由器转发数据包时，先根据网络号找到目标网络 ，再根据主机号在该网络中找到具体的主机。因为查找的本质也是排除，而这样只要查找到目标网络，就相当于排除了大部分的主机

举个例子，203.0.113.56（假设属于203.0.113.0网络）要发数据给203.0.117.100（假设属于203.0.117.0网络）。

当数据包到公网上后，会先找到该IP属于的子网，即203.0.117.0，再由该子网的路由负责找到具体主机

IP地址并不是随机划分的，而是有规律的，例如运营商在规划一块IP时，会按照省市来划分子网

中国电信内部的规划可能是113.64.x.x 分配给 广东电信， 113.65.x.x 分配给 贵州电信， 113.66.x.x 分配给 北京电信

广东电信再往下分， 113.64.1.x 给 广州， 113.64.2.x 给深圳......

子网内的IP都由路由器所管理，它通过DHCP技术自动给子网内新增主机分配IP地址

IP划分

在过去，曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类：

A类 0.0.0.0到127.255.255.255
B类 128.0.0.0到191.255.255.255
C类 192.0.0.0到223.255.255.255
D类 224.0.0.0到239.255.255.255
E类 240.0.0.0到247.255.255.255

这种分类方法过于浪费IP，例如一个B类地址可以容纳6w多主机，A类则更多，但一个子网内不会存在这么多主机的情况

因此现在的IP划分方案一般为CIDR

它引入子网掩码 来区分网络号和主机号，将IP与子网掩码按位与得到的结果即网络号

例如，当IP为140.252.20.68，子网掩码为255.255.255.0时，网络号即为它们二进制的按位与结果

为了更简洁，可以将该IP和子网掩码合并表示为140.252.20.68/24，后面的24意为子网掩码的前24位为1

子网掩码是在路由器内配置的

私有IP

若真的给每个主机都设定一个唯一的IP地址，就代表全球只有43亿台主机可以入网，这是远远不够的，因此一般来说我们的主机都没有公网IP,而只有内网IP（局域网），当转发数据时，路由器会将该数据转发到公网

私有IP的范围：

10.*,前8位是网络号,共16,777,216个地址
172.16.到172.31.,前12位是网络号,共1,048,576个地址
192.168.*,前16位是网络号,共65,536个地址

一般192.168.*用作于家用路由器，其余用作企业路由器

私有IP意味着只要在该局域网内IP不重复即可，但其他局域网中可能会有相同的IP

由于IP紧张问题，光122.77.241.0/24这个网络号，就可以下发到254台路由器（.0为网络号，.255为广播地址），而这每台路由器由可以连接254个家用路由器，以此缓解IP地址紧张问题（NAT技术）

假设192.168.1.201/24要给122.77.241.3/24发数据，该主机的家用路由器会先转发数据包到它上层的运营商路由器，再由运营商路由器转发到公网的路由器，由公网路由器转发给指定公网IP

一个路由器内至少有两个IP地址：

LAN口IP：该路由器管理的内网的IP ，用于内部通信。例如192.168.1.1，就代表这是192.168.1.0网络内的第一台主机，因此***.1的IP一般是分给路由器**的。当局域网内的主机想与外部通信时，需要先经过LAN口到达路由器，再从WAN口出去到达外部网路

WAN口IP：该路由器所连接的上层子网的IP ，用于外部通信，属于上层网络的主机。当外部主机要与局域网内主机通信时，需要先经过WAN口到达路由器，再通过LAN口到达目标主机

在转发数据时，源IP会不断被替换成路由器的WAN口IP，因为私有地址可以重复，目标主机不知道该转发给谁。当数据要转给内网的设备时，NAT技术会将目的IP转成指定内网IP

当源IP被替换成公网地址时，就可以在公网上转发了

路由器的功能有：转发数据，DHCP(组建局域网)，NAT

路由

每个路由器都有自己的路由表（主机也有路由器的功能，因此主机也有自己的路由表），查看路由表可以用route命令（Linux）

Destination：代表目标网络 ，即本机知道如何到达的目标网络， 若目标Ip是这些网段的其中一个，就可以直接转发给网段，无需向上层路由器转发（例如局域网内部通信），default即默认网关
Gateway：代表网关 ，即下一跳的地址。*代表不需要网关
Genmask：代表子网掩码，当要转发数据包时，会先遍历路由表中的Genmask和Destination，找到目标网段
Flags：表示路由的状态和类型。例如U代表up（路由已启用/可用），G代表Gateway（下一跳地址为路由器地址）
Iface：代表网络接口，lo代表local本地

Metric/Ref/Use这里不介绍

例如，现在有一个数据包的目的IP是192.168.56.3，遍历路由表中的子网掩码，依次与目标IP 按位与，再将结果与目标网络对比，若有相同的就直接转发到该网络。该数据包就会转发给192.168.56.0网段

若数据包的目标IP是202.10.1.2，遍历路由表中的子网掩码后也没有找到相同网段，就会转发给默认网关，让该网关继续查找路由表。只要路由器不认识该网段，就向上转发（默认网关），直到转发到认识该网段的路由器（例如公网路由器）

在不断转发时，网络号会不会变化？

会不断变化。例如一个数据包的目的IP是8.8.8.8，在国际骨干网路由器路由表中，可能是这样的

Destination	Genmask	含义
`8.0.0.0`	`255.0.0.0`（/8）	只看前 8 位，匹配到 `8.x.x.x` 就往下一个方向扔

即为8.8.8.8/8，它的网段是8.0.0.0

到国内骨干网路由器后，会更精确

Destination	Genmask	含义
`8.8.0.0`	`255.255.0.0`（/16）	看前 16 位，更精确地转发

即为8.8.8.8/16，它的网段是8.8.0.0

到内部网络路由器后，子网掩码就变为24位

Destination	Genmask	含义
`8.8.8.0`	`255.255.255.0`（/24）	看前 24 位，精确定位到具体子网

到目标主机所在局域网后，子网掩码变为32位

Destination	Genmask	含义
`8.8.8.8`	`255.255.255.255`（/32）	精确匹配到这一台主机

IP报文拆分

IP层（网络层）的下层是MAC帧层（数据链路层），而以太网标准规定，一个MAC帧中数据部分不能超过1500字节（MTU）（也不能小于46字节）

决定网络中报文大小是TCP，因此在TCP层的滑动窗口中会根据MSS大小将数据拆分成多个报文 ，以确保符合MAC帧的要求（MSS<MTU，MSS+TCP报头+IP报头<=MTU）

但如果传输层用的是UDP协议，就会发生大于1500字节报文的情况，就需要IP层出面拆分报文（若是TCP协议，IP层报文99%的情况都不需要拆分）

若是IP层拆分了报文，MAC帧层并不知道拆分了报文，只负责将报文发出去，当对方的MAC层收到报文后，也只负责将报文向上交付给IP层，由对方的IP层负责组装报文 并交给上层。可以说IP层负责MAC帧层与TCP/UDP层的解耦工作

在IP报头中，有3个字段上面没有讲，这三个字段用于解决IP的分片与重组：

16位标识长度：标记同一个原始 IP 数据报的所有分片。 发送端每产生一个新的 IP 数据报，这个计数器就加 1。当这个数据报被分片后，所有的分片都会复制并携带这个相同的标识值。

3位标志：这三个比特位每个位都代表不同的意义：

第一位是保留位，目前没有用，始终为0
第二位如果为1，代表禁止分片，即使报文大小超过了MTU，也不会被分片，而是直接丢弃
第三位如果为1，代表这只是其中一片，后面还有其他分片；如果为0，代表这是最后一个分片（或这个数据包没有分片）

13位页偏移：指出当前这个分片的数据，在原始 IP 数据报数据部分 中的起始位置。它的单位为8字节，因此除了最后一个分片外，每个分片的数据部分长度必须是 8 的整数倍，否则无法让后一个分片精确表示页偏移

当【还有更多分片】= 1时，就证明该【16位标识】的报文分片了 ；但如果最先收到的是源报文的最后一个分片，【还有更多分片】= 0，但只要判断页偏移>0,，也可以代表该【16位标识】的报文分片了

【16位标识】字段就可以确保同一个报文的分片都能被识别出来

而【更多分片】= 1、【16位页偏移】= 0 的分片就是起始分片，【更多分片】= 0，【16位页偏移】> 0 的分片就是末尾分片。

当报文开始重组时，可以用当前分片的【16位页偏移】 + 自身长度算出下一个分片的页偏移应该是多少，这样就可以确保分片被收全 ，也可以确保分片被正确组装

而重组完成并交给传输层时，TCP/UDP报头的【16位校验和】就可以确保分片被正确重组（其实在这之前，数据链路层的FCS就校验过一次了，如果FCS没查出来才会轮到TCP/UDP出场）

当一个报文被分片成了多个，任意一个分片丢失都会导致对整个源报文进行重传，因此分片会增加丢包概率

MAC帧协议

IP提供的是从主机A到主机B的能力，但从主机A到主机B，需要经过多个路由器，路由器可以直接转发的都是在一个子网里的，因此网络传输的本质是通过一系列的子网转发实现的

在局域网中 ，是通过MAC帧协议通信 的，每个主机的网卡都有一个唯一的sn码，该码称之为MAC地址 ，在全球范围内具有唯一性

MAC帧报头

MAC帧报文格式如下：

MAC帧协议采用定长的策略，报头和报尾固定字节数，以此分离报头与有效载荷

通过目的地址与源地址（各6字节，即48位的MAC地址）两个字段，让路由器在局域网内转发数据（标识唯一的主机，路由器就可以根据目的MAC地址找到唯一主机）
类型字段指示数据载荷里封装的是什么上层协议 ，不同的值代表不同的协议，例如0x0800代表IPv4数据报，0x0806代表ARP请求/应答......
通过判断类型字段中的值决定向上交付给什么协议（分用）
FCS处于报文尾部4字节，为帧校验序列 ，用于检测帧在传输过程中是否发生了比特错误，采用CRC-32算法

局域网通信原理

在早期以太网，同一局域网内的主机中，任何一个主机发消息，所有主机都可以收到，主机会查看该MAC帧的目的地址，若不是自己就会丢弃

在上图中，主机A给主机D发送MAC帧，就只有主机D会交付给上层

但是由于它们是用一条线连起来的，同一时间只能一个人发 ，否则会发生碰撞 ，此时用的是CSMA/CD 算法用于碰撞检测 ：先听后发，边发边听，冲突停发，随机重发。

可以将局域网看作临界资源，任何时刻只有一个主机可以向临界资源中写入数据

为了减少碰撞概率，引入了交换机

将一个局域网划分为两个网段，左侧为网段A，右侧为网段B，同一网段内的通信依旧是转发给所有主机，例如主机A发消息给主机E

但如果主机A要发消息给主机D，即为跨网段转发 ，需要先转发给交换机 ，再由交换机根据目的MAC地址精准转发给主机D

若M1和M5是同时发消息，发生了碰撞，交换机也可以识别出来，不将碰撞数据做转发

此时将一个局域网划分为了两个碰撞域

在现代以太网，每个主机各独用一个网段 ，就不会发生碰撞 ，所有消息都先转发给交换机，再由交换机精确转发给目标主机（广播消息时仍然是所有主机都会收到，例如当主机A获取主机B的MAC地址时，需要广播转发）

IP地址负责描述数据传输的起点和终点，而MAC地址用于局域网内节点间的通信

MTU与MSS

MAC帧报文的数据字段的大小 ，称为MTU （Maximum Transmission Unit**），** 一般为1500字节 ，但也可以调整

MAC帧报文的数据字段即为IP报文（报头+有效载荷）的大小，若 IP 报头为标准报头20字节，有效载荷最大即为1480字节

IP有效载荷即为TCP报文（报头+有效载荷）的大小，若 TCP 报头为标准报头 20 字节，那么有效载荷最大即为 1460 字节（省略UDP）

TCP滑动窗口中，要分成一段一段的小报文发送的原因就在于此，要考虑数据链路层的MTU大小，而TCP中有效载荷的最大长度称为MSS ，该值在三次握手时就会协商好（例如取两者MSS最小值）TCP会尽量让滑动窗口中的每一片报文长度等于MSS，实际长度为 Min(剩余数据, 滑动窗口大小, MSS）

由于每个路由器的MTU可能不同 ，若在网络通信的路上路由器MTU小于报文的实际数据长度，IP层也会分片，但这并不影响由接收端主机重组IP报文

如果发送端发送的报文将不可分片标记位设为 1 ，那么中途当轮到MTU小于该报文的数据长度的路由器收到该报文后就会丢弃报文，并向发送端回传一个 ICMP 报文 ，并附上自己的MTU值 。发送端重发时，就会主动将报文切小，以符合路由器的 MTU 值

ARP协议

当数据经过层层转发终于到达目标主机所在网络时，要转发给目标主机用的不是IP地址，而是MAC地址（要封装成MAC帧）。但在发送方封装的报文中，只有目标主机的 IP 地址。因此需要有一个过程让路由器知道目标主机的MAC地址，这个过程就是ARP协议

ARP协议可以通过IP地址获取MAC地址 ，它处于数据链路层和网络层之间，在IP与MAC帧之间（可以看作在数据链路层）

IP 层完成路由选择后将数据下发给数据链路层，数据链路层 在封装 MAC 帧时发现缺少目标 MAC 地址，从而触发 ARP 协议

ARP协议报头：

硬件类型：表示数据链路层的物理网络类型，以太网为1，现在网络几乎都为以太网
协议类型：表示要映射的上层协议地址类型，几乎都为IPv4，值为0x0800。虽然0x08DD表示IPv6，但IPv6用的是NDP
硬件地址长度：指明 MAC 地址的长度（字节），值一般为6
协议地址长度：指明上层协议地址的长度（字节），因为上层协议几乎都为IPv4，因此协议地址长度一般为4
op：表明该报文是请求还是应答 ，1为请求，2为应答
发送端硬件/IP地址：填发送方的信息，硬件地址为MAC地址
目的硬件/IP地址：填接收方的信息，++如果是请求，由于不知道目标主机的MAC地址，目的以太网地址填全0（00:00:00:00:00:00）++

即前四个字段一般是固定值

由于数据链路层不知道目标主机的MAC地址，就交给ARP层，ARP将报文字段填充好后，交给下层MAC帧协议并发送

ARP请求是以广播的形式发送 ，即发送给该局域网内的所有主机，广播MAC地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF

假设主机A发起ARP请求寻找IP3的MAC地址，主机A将ARP报文封装成MAC帧后转发给交换机，由于目的MAC地址是全F，即广播转发给除发送方的所有主机

主机B&C&D收到后，由于帧类型是0806，所以分用交给 ARP 层 ，ARP 层会先看 OP 类型，因为是请求，直接看目的 IP 地址，不是自己的直接丢弃，因此，最后只有主机C处理ARP请求，并构建ARP应答

由于主机C已经知道是谁发来的ARP请求，ARP 应答报文的源 MAC、IP 和目的 MAC、IP 就可以直接填写，封装MAC帧报文时，直接填填写自己和对方的MAC地址

转发给交换机后，交换机会根据报文内的目的 MAC 地址直接转发给主机 A

主机A收到MAC帧后，由于帧类型是0806，直接交付给ARP层

ARP层先看op类型，发现是应答，将源MAC/IP地址的映射存入本地ARP表

此时再取出被挂起的 IP 数据包，封装目的 MAC，正式发送

ARP缓存表

并不是每次局域网转发都需要发起ARP请求，例如上面例子，当主机A收到ARP应答后，它会将该IP与MAC的映射关系存在本地的ARP缓存表中 ，短时间内再转发该IP时就可以直接查看ARP缓存表中的对应MAC地址 （不同操作系统的ARP缓存表项的生存时间不同）

并且当主机 C 收到主机 A 的 ARP 请求后，也会顺手将主机A的映射关系记录到本地ARP缓存表中

为什么ARP缓存表要有TTL（生存时间）？

当局域网内设备断开重连等操作时，它的 IP 与 MAC 地址会发生变化，因此TTL的存在可以防止无用记录长期占用内存

既然局域网中通信会用到 ARP 协议，由于整个的网络传输就是路由器在一个一个的子网中转发而完成的，那么当路由器转发给下一跳路由器时，也会需要ARP协议获取MAC地址

RARP

ARP 协议用于通过 IP 地址获取 MAC 地址 ,在调试环境中，可能会出现知道MAC但不知道IP的情况，而 RARP 协议是通过 MAC 地址获取 IP 地址的，现在早已被淘汰，被DHCP所取代

ARP欺骗

ARP缓存表默认遵循后来居上（最新覆盖旧有，动态ARP），例如原本有映射关系：IP1 : MAC1 ，后面来了一个ARP应答，IP1 : MAC2，就会将原先的映射覆盖掉

那么如果有黑客疯狂发送ARP应答，就会将正常ARP应答的映射关系覆盖掉

例如上图，在这之后主机A和网关在互相通信时，都会先将数据包转发给攻击者 ，若攻击者转发给真正要通信的主机，就可以窃听未加密的敏感流量 （如 HTTP 明文密码、FTP 传输等）、篡改数据包内容、甚至进行会话劫持 （中间人攻击）；若不转发就会让双方断网（ARP断网）。这就是ARP欺骗

想防治 ARP 欺骗，可以用静态 ARP 表（默认为动态ARP）

ICMP

ICMP协议处于网络层与传输层之间（标准来说是网络层），用于测试网络连通性、丢包原因

ICMP报头：

ICMP 会直接将报文交给 IP 协议封装，完全不经过 TCP 或 UDP

例如 ping 、 traceroute 命令就是通过ICMP实现的

telnet是23端口, ssh是22端口, 那么ping是什么端口?

ping命令基于ICMP, **在网络层；**而端口号是传输层（TCP/UDP）的内容. 在ICMP中根本就不关注端口号这样的信息.