网络协议 网络层 叁歲伎倆 2022-12-30 10:40 162阅读 0赞 # 前言 # 上篇文章: [网络协议 数据链路层][Link 1] 交换机解决了局域网数据的交换,但是无法把世界各地各地计算机连接在一起,否则会出现如下问题: 1. 交换机没有多网卡 2. 大量的计算机引起广播风暴,比如`arp`,会导致网卡忙处理 所以我们会划出另一个网络层解决这一问题:`网络层`。 `数据链路层`解决局域网数据传输 `网络层`解决跨局域网的数据传输 # 局域网ID # 局域网有一个唯一的标识`ip`地址中的`网络号`。`ip`是一串`32`位的数字,我们以字节为单位划分四个段方便查看,如下所示: `00000000.00000000.00000000.00000000 => 0.0.0.0` `ip`地址包含`网络号`和`主机号`。 在互联网发展的前期我们把互联网`ip`划分为5类 <table> <thead> <tr> <th>Class</th> <th>前缀位</th> <th>网络地址位数</th> <th>剩余的位数</th> <th>网络数</th> <th>每个网络的主机数</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>A类地址</td> <td>0</td> <td>8</td> <td>24</td> <td>128</td> <td>16,777,214</td> </tr> <tr> <td>B类地址</td> <td>10</td> <td>16</td> <td>16</td> <td>16,384</td> <td>65,534</td> </tr> <tr> <td>C类地址</td> <td>110</td> <td>24</td> <td>8</td> <td>2,097,152</td> <td>254</td> </tr> <tr> <td>D类地址</td> <td>(群播)</td> <td>1110</td> <td>未定义</td> <td>未定义</td> <td>未定义</td> </tr> <tr> <td>E类地址</td> <td>(保留)</td> <td>1111</td> <td>未定义</td> <td>未定义</td> <td>未定义</td> </tr> </tbody> </table> 前缀位是指二进制开头的几个数字,如下图所示 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70] ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1] `CIDR`协议后面介绍,可以跳过这个一列。 为了快速得到某个ip的网络号和主机号,我们推出了子网掩码方便计算。 如一个C类地址: IP: `192.168.3.46` 子网掩码 :`255.255.255.0` 上面两个数字按位与得到如下结果: `192.168.3.0`这个就是网络地址。 其中`192.168.3.1` 到`192.168.3.254`作为主机号。也就是说这个 其中`192.168.3.0`作为网络号,`192.168.3.255`作为广播地址。 **私有地址:** 上面几类网络中,都有一段地址作为区域网专用的ip地址,不作为网络中存在的地址。 如C类网络中: `192.168.X.X`是私有地址。也就是我们常常在命令行中`ifconfig`看到的ip。实际公网ip需要进行NAT转化。 **保留地址:** 用于其他目的使用,比如A类网络中`127.X.X.X`作为LoopBack。比如`127.0.0.1`用于本地网络。 [保留地址和私有地址][Link 2] 为了加深局域网和跨网段的理解于是我们用`Package Tracer`作为演示: **实验1:** ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2] 上图:我们四个`PC`计算机都没有配置网关. 那么我们在`PC0`执行`ping 192.168.2.11`.(跨网段) ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3] 发现全部超时 我们继续在`PC0`执行`ping 192.168.1.11`(局域网). ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 4] 此时我们给`PC0`和`PC1`配置路由器地址作为网关 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 5] ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 6] 我们在`PC0`在执行`ping 192.168.2.11`.(跨网段) ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 7] 可见成功了。 上面的实验证明: `路由器作为网关转发跨网段数据,如果发送数据没有路由器那么数据包无法发送跨区域网的数据包` **实验2:** 我们知道发送一个数据包需要知道对方`mac`地址,那么在跨网段的时候呢? ![假设][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 8] 假设`192.168.1.10`发送一个`icmp`给`192.168.2.11`,由于不知道`mac`地址且是跨网段的,所以先发送一个`ARP`广播获取网关的`MAC`. ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 9] ![在这里插入图片描述][20201227121146115.png] 其中数据包的目的`mac`为`FFFF.FFFF.FFFF`,目的`IP`为`192.168.1.1` 然后经过交换机到路由器. ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 10] 交换机返回自己的`192.168.1.0`的网卡`MAC` ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 11] ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 12] 最后交换机将ARP结果发回给`192.168.1.10`. ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 13] 得到网关`MAC`继续发送`ICMP`数据包给`192.168.2.11`. ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 14] ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 15] 此时数据到底`交换机`,`交换机`要将数据包交付给`192.168.2.11`. 但是不知道`mac地址`所以在`192.168.2.0`发一个`arp广播`。 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 16] 修改`ICMP`的数据包的`MAC`等信息地址发送 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 17] 最终数据包,到达`192.168.2.11`. `192.168.2.11`发送数据包给回网关 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 18] 到达交换机后,交换机修改`MAC`原地址后继续发送 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 19] 最终完成回包。 我们可以得到如下的结论: 1. 区域网广播(如arp)不会直接广播另一个区域网 2. 跨网段传输时,电脑会获取网关mac,然后委托网关进行转发 3. 数据包得到路由器(网关)的时候,修改目的的`MAC地址`,和源`MAC地址`在继续转发 4. 数据到另一个区域网。 另一个区域网的电脑不会知道另一个区域网的电脑MAC地址,这些地址在经过路由器的时候会被转化。 # CIDR协议 # 上面我们知道网络IP被划分5类,然后在这五类IP中的某个网络号中分配主机号。 举个例子: 张三开了小型公司,公司内部有`260`台电脑,`C类地址`一个售卖10万,`B类地址`售卖100万. C类地址最高只能存放`254`台电脑(扣除保留地址等),所以张三不能买仅售价为10万的C类地址,而是买B类地址。但是张三仅仅是比`254`电脑多6台而已。 所以大佬们推出了更细腻的`IP`划分协议,`CIDR`。 我们经常看到 如下东西: `192.168.1.0/25` 其中斜杆后面的`25`标识网络号在32位`IP`中占多个。 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 20] `192.168.1.0/25`表示有 7位作为主机号,那么最大主机号数量为 126(27 \- 2) 。注意需要扣除0开头和全1的主机号 # 静态路由 # 当两个路由器相连接,可以使用`Serial口/串口`相连接,也可以使用`Ethernet接口` ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 21] 两个路由器链接的串口网卡必须是同一网段。 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 22] 在没有启用动态路由和静态路由配置时,`192.168.2.10`无法和`192.168.4.10`通信。 静态路由配置命令 `ip route IP地址 子网掩码 下一条IP` 如: `ip route 192.168.4.1 255.255.255.0 192.168.5.2`。 我们现在配置静态路由规则添加到路由表。 上图`路由器8`路由表 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 23] 上图`路由器9`路由表 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 24] 配置好就可以自动ping通。 # 动态路由 # 静态路由由于过于繁琐,对于大型网络铺设不理,所以推出了动态路由协议,只需要插入双方路由做些简单配置即可。具体略。 # 协议报文![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 25] # [ip数据包详解][ip] # 扩展:思科辅助命令行 # 路由器: `sh ip arp`显示arp表 清除arp表可以关闭重开端口重置。 PC: `arp -d` 删除arp表 交换机: 进入特权模式(敲入`enable`),输入 `clear mac address-table d` [分类网络][Link 3] [维基百科无类别域间路由CIDR][CIDR] [保留地址和私有地址][Link 2] [Link 1]: https://fanmingyi.blog.csdn.net/article/details/111409811 [watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/d9ffe631a32a454d85622c0ecb002a10.png [watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201225112458947.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70 [Link 2]: https://www.zhihu.com/question/302935308/answer/535819686 [watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20201227111938975.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx,size_16,color_FFFFFF,t_70 [watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FmYW5taW5neWlx_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: 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