计算机网络网络层 2

IP协议：

Ip数据报的格式：

首部:分为固定部分和可变部分

固定部分是20B

版本：表明了是IPV4还是IPV6

首部长度：单位是 4B，表示的范围是（5~15）*4B

填充：全0，,让首部变成4B的整数倍

区分服务：表示期望获得那种类型的服务

总长度：首部+尾部的长度（有16位）这里的单位是1B

标识：看后面

标志：看后面

片偏移：看后面
生存时间：IP分组的保质期，每每经过一个路由器就会-1（防止一个IP分组无用但耗性能）

协议：数据部分所使用的协议

首部检验和：检验首部

源地址和目的地址都是32位地址

可选字段：0~40B，用来支持安全检测，排错，测量等操作

最大传输单元（MTU）：链路层数据帧的封装数据上限

以太网中的MTU最大是1500B

IP数据报的分组

因为传输的数据部分可能超过MTU的限额，所以会将数据进行分片

标识：同一个数据片使用的统一标识

标志：第二位和第三位有效

第二位 DF：1表示禁止分片，0表示允许分片

第三位MF：1表示后面还有分片，0表示这是最后一个分片/没有分片

片偏移：指出较长的分组分片之后某片在其中的相对位置，单位：8B（由此可知，每个分片，除了最后一个，都一定是8B的整数倍）

IPV4地址
目的：知道在哪个网络，要知道主机是哪个（在哪，叫什么）

Ip地址：是 IP 协议中用于标识网络中设备的地址编号

IPV4简介：

地址格式：32 位二进制数，为方便人类识别和使用，通常采用点分十进制表示法，即将 32 位的二进制数分成 4 个 8 位组，每个 8 位组用十进制数表示，范围是 0 - 255，组与组之间用’.’分隔，如 192.168.1.1。

地址数量：理论上约 43 亿个，但由于地址分配的不合理等因素，可用地址数量远低于此，这也促使了 IPv6 的诞生。

应用场景：目前仍广泛应用于互联网和局域网中，许多现有的网络设备、操作系统和应用程序都支持 IPv4。

IPV6简介：

地址格式：128 位二进制数，采用’:’分隔的十六进制表示法，如

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。为简化表示，可省略前导零，连续的零段还可用双冒号 “::” 表示，如 2001:db8:85a3::8a2e:370:7334 。

地址数量：拥有近乎无限的地址数量，能够满足未来物联网等大量设备接入网络的需求。

应用场景：随着互联网的发展，尤其是物联网、5G 等技术的推进，IPv6 的应用逐渐增多，一些新部署的网络基础设施开始优先支持 IPv6。

分类的IP地址

特殊IP地址

私有IP地址

网络类别

A中网络数-2 减去的是全0和127 ，主机数-2，减去的是全0和全1

B和C的网络数-1 ，减去的是全0，主机数 -2 减去的是全0和全1

网络地址转换NAT:

网络地址转换NAT(NetworkAddress Translation):在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。

通过这个NAT路由器来实现内外的通信

NAT转换表：一个是在外网中使用的ip地址，一个是在专用网中的ip，当数据经过NAT，会将目的地址/源地址，端口号进行替换

因为分类IP地址的一些缺点：（1）ip地址空间利用率很低，（2）两级ip地址不灵活

子网划分：将<网络号,主机号>更细致的划分为<网络号,子网号,主机号>

但是对于外网,子网的划分是透明的

划分后的子网号能否全0,全1要看协议

子网掩码:主机部分的子网掩码全0,网络号部分全1

子网网络地址:ip地址二号子网掩码相与得到的地址

使用子网时的分组转发

NAT路由会

1.提取目的IP地址2.看本网络是否直接交付3.如果不能,就看是否是特定主机路由4.如果还不是,就检查是否转发,检测路由表中有无路径5.都没有就默认路由 0.0.0.0发给其他路由6.上述操作都没有找到,就丢弃，报告转发分组出错

无分类编码 (CIDR)

IP地址 <网络前缀,主机号>

特点:1,消除了传统的A类,B类,C类地址以及划分子网的概念

2,融合了子网地址和子网掩码.方便了子网划分

CIDR记法:ip+/+可变长的网络前缀

如:128.128.128.1/20

二进制 : 1000 0000 1000 0000 1000 0000 0000 0001(前20个事网络号,后面是主机号)

最小地址: 1000 0000 1000 0000 1000 0000 0000 0000(前20个是网络号,后面是主机号)

最大地址: 1000 0000 1000 0000 1000 1111 1111 1111(前20个是网络号,后面是主机号)

地址掩码: 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000

构成超网:多个子网构成一个更大的子网,叫做超网/路由聚合

优化:将接口一致的网络合体,后面的主机号全0

比如 128.2.32.1/20,128.2.46.9/20 他们聚合后的网络地址是128.2.32.0/20

ARP协议:

是一种用于在局域网（LAN）中将 IP 地址映射到物理硬件地址（如 MAC 地址），从而实现在网络中通信的协议。

ARP 协议的主要功能

1.解析 IP 地址和 MAC 地址的映射关系：当一个设备需要通过 IP 地址与另一个设备通信时，它需要知道目标设备的 MAC 地址。ARP 协议允许设备发送 ARP 请求消息，以查询目标 IP 地址对应的 MAC 地址。

2.缓存 IP 地址和 MAC 地址的映射关系：设备在进行 ARP 解析时，会将查询到的 IP 地址和 MAC 地址的映射关系存储在本地的 ARP 缓存中。在后续的通信中，设备可以直接使用缓存中的映射关系，避免发送新的 ARP 请求。

3.更新映射关系：ARP 协议支持动态更新映射关系。当设备在网络中发现 IP 地址和 MAC 地址发生变化时，它会发送 ARP 广播消息来通知其他设备更新相应的映射关系。

ARP 协议的工作原理:

1.地址查询：当一台设备（发送方）需要与另一台设备（目标方）进行通信时，它首先检查自己的 ARP 缓存中是否存在目标设备 IP 地址对应的 MAC 地址。如果存在，就在 ARP 缓存中查出其对应的硬件地址，再把这个硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网把该 MAC 帧发往此硬件地址。如果不存在，则需要进行地址查询。

2.ARP 请求广播：如果在 ARP 缓存中无法查到目标设备的 IP 地址，发送方设备则创建一个 ARP 请求报文，其中包含自己的 MAC 地址、IP 地址和目标设备的 IP 地址。然后，发送方设备将该 ARP 请求报文广播到局域网上的所有设备。

3.目标设备响应：局域网上的所有主机都会接收到 ARP 请求报文，但只有目标设备会响应。目标设备接收到 ARP 请求报文后，会检查自己的 IP 地址是否与请求报文中的目标 IP 地址相匹配。如果匹配，则目标设备创建一个 ARP 响应（ARP reply）报文，其中包含自己的 MAC 地址和 IP 地址，并将该响应报文发送回发送方设备。

4.地址缓存更新：发送方设备收到目标设备的 ARP 响应报文后，将目标设备的 IP 地址和 MAC 地址映射关系添加到自己的 ARP 缓存中。这样，在以后与目标设备的通信中，发送方设备就可以直接从 ARP 缓存中获取目标设备的 MAC 地址，而无需再次发送 ARP 请求。

DHCP协议:

是一种用于在网络中自动分配 IP 地址等网络配置参数的应用层协议。

DHCP 协议的基本功能

1,自动分配 IP 地址:在一个网络中，特别是大型网络，手动为每台设备配置 IP 地址是一项繁琐且容易出错的任务。DHCP 可以自动为网络中的设备（如计算机、打印机、智能手机等）分配 IP 地址，减少了网络管理员的工作量，也避免了因手动配置错误而导致的网络问题。

2,分配其他网络配置参数:除了 IP 地址，DHCP 还可以分配子网掩码、默认网关、DNS（域名系统）服务器地址等网络配置参数。这些参数对于设备正确地在网络中进行通信至关重要。子网掩码用于确定设备所在的网络范围；默认网关是设备访问其他网络的出口；DNS 服务器地址则用于将域名转换为 IP 地址，使得用户可以通过域名访问网站等网络资源。

DHCP 协议的工作原理

1,（发现阶段）:

当一台设备（DHCP 客户端）首次接入网络并需要获取 IP 地址等配置信息时，它会发送一个 DHCP Discover 广播消息。因为此时设备还没有 IP 地址，所以采用广播方式，以确保网络中的 DHCP 服务器能够接收到请求。这个消息包含了一些客户端的基本信息，如客户端的 MAC地址，用于唯一标识设备，使得服务器能够针对该设备进行配置。

2,（提供阶段）:

网络中的 DHCP 服务器接收到广播消息后，会从自己的 IP 地址池中选择一个可用的 IP 地址，并构建一个 DHCP Offer 消息。这个消息包含了为客户端提供的 IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 服务器地址等配置信息。

然后，DHCP 服务器将 DHCP Offer 消息以广播的形式发送回网络，因为客户端还没有 IP 地址，无法接收单播消息。此时，可能有多个 DHCP 服务器收到了客户端的 Discover 消息并都发送了 Offer 消息，客户端会选择其中一个 Offer。

3,（请求阶段）;

客户端接收到多个 DHCP Offer 消息后，会选择其中一个（通常是最先接收到的），然后向该 DHCP 服务器发送一个 DHCP Request 消息。这个消息告诉服务器，客户端接受了它提供的 IP 地址和其他配置参数。

同时，这个消息也是广播形式，目的是通知其他 DHCP 服务器，客户端已经选择了某个服务器提供的配置，其他服务器可以将之前为该客户端准备的 IP 地址等资源收回。

4,（确认阶段）

DHCP 服务器接收到客户端的 DHCP Request 消息后，会发送一个 DHCP Acknowledge 消息作为回应。这个消息确认客户端可以使用之前提供的 IP 地址和其他配置参数，并且服务器会将该 IP 地址标记为已分配状态，避免重复分配。

此时，客户端接收到 DHCP Acknowledge 消息后，就可以使用分配到的 IP 地址和其他配置参数在网络中进行通信了。

DHCP 协议的优点:

1,高效管理 IP 资源：通过自动分配和回收 IP 地址，提高了 IP 地址的利用率，尤其是在动态变化的网络环境中，如企业网络中员工设备的频繁接入和离开，以及公共场所的 Wi - Fi 网络等。

2,减少配置错误：避免了因手动配置 IP 地址等参数而可能出现的错误，如 IP 地址冲突、子网掩码设置错误等，从而提高了网络的稳定性和可靠性。