【计算机网络系列】网络层其他协议与技术

朱雀 2023-01-05 12:55 179阅读 0赞

# ICMP 协议 #

*  为了提高 IP 数据报交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议 ICMP (InternetControl Message Protocol) 。
 *  ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。
 *  ICMP 不是高层协议，而是 IP 层的协议。
 *  ICMP 报文作为 IP 层数据报的数据，加上数据报的首部，组成 IP

ICMP 作用和主要功能

*  IP协议提供了以无连接为特征的“尽力而为”的数据通信服务，并不能解决数据报丢失、重复、延迟或乱序等问题。
 *  ICMP的目的就是希望对IP包无法传输时提供报告，这些差错报告帮助发送方了解网络中发生了什么问题，以确定应用程序后续操作。
 *  ICMP的主要功能包括：
    
     *  通告网络错误
     *  通告网络拥塞
     *  协助解决故障
     *  通告超时

ICMP 报文的封装与格式

*  ICMP是少数几个可以直接从应用层操作的协议，不经过传输层。
 *  ICMP是一个网际层协议，但却需要利用另一个网际层协议–IP协议进行封装，因此ICMP是一种需要两次封装的网际层协议。
    
     *  首先由网络层的IP协议对ICMP协议报文进行封装
     *  其次再由数据链路层协议对相应的IP报文进行封装。经过两次封装后的ICMP报文才能被传输。
 *  ICMP数据包格式如下：
    
    ![image-20210103181508825][]

ICMP 报文的种类

*  有两种，即 ICMP 差错报告报文 和 ICMP 询问报文
    
     *  差错报文：改变路由报文、源站抑制报文
     *  询问报文：Echo 请求报文、ICMP 时间戳请求报文、ICMP 地址掩码请求报文
 *  ICMP报文类型由类型字段和代码字段共同决定：
    
    ![image-20210103181917607][]

ICMP 的应用举例

*  PING (Packet InterNet Groper)用来测试两个主机之间的连通性。
 *  PING 使用了 ICMP 回送请求与回送回答报文。
 *  PING 是应用层直接使用网络层 ICMP 的例子，它没有通过运输层的 TCP 或UDP。

Tracert

*  Tracert 是Windows 平台上的一个实用程序，可以实现从源主机到目的主机之间数据报文所经过的路由，即可以实现路由追踪（trace router ）。
 *  Tracert 完全基于ICMP 协议实现路由追踪，基本原理是：从TTL=1 开始，Tracert 不断从源IP 向目标IP 发出类型为8 代码为0 的ICMP 查询报文，并逐次增加TTL 值。
 *  Tracert 根据不同TTL 值时各路由器返回的“TTL=0” （类型为11 代码为0 ）的差错报文，即可知道经过了哪些路由器。
 *  在Unix 或Linux 中，类似的程序是Tracerouter

# ARP 协议 #

*  地址解析协议

发送一个数据报文时，有以下四种情况：

*  发送方是主机，要把数据报文发送到同一个网络的另外一台主机。数据报文直接交给目标主机；
 *  发送方是主机，要把数据报文发送到另外一个网络中的一台主机。数据报文交给路由器，其余工作由路由器完成；
 *  发送方是路由器，要把接收到的数据报文发送给本网络中的一台主机。数据报文直接交给目标主机；
 *  发送方是路由器，要把数据报文发送给另外一个网络中的一台主机。数据报文交给另外一台路由器，其余工作由路由器完成。
 *  总结：除了上述第四种情况外，其余三种都是在同一个网络内的数据报文传输。

MAC 地址

*  无论 OSI 还是 TCP/IP ，都奉行的是对等层通信原则。在这一原则下，低层只是向上层提供支持，即将上层的协议报文作为载荷封装在本层相关协议的数据单元中。在低层，无法获得也不能理解被封装的高层协议报文的内容。一句话，低层协议看不见高层数据。
    
     *  当 IP 报文被数据链路层协议封装后，包括 IP 地址在内的 IP 协议细节均无法被数据链路层协议获得。为了能够在数据链路层的协议中描述源/目的节点，需要在数据链路层设计相应的节点标识符，即数据链路层地址。
     *  在以太网中，这个地址就称为 MAC （ Media Access Control ）地址。由于数据链路层向下紧邻物理层，受到物理层许多因素的影响，因此也被称为物理地址或硬件地址或机器地址。对应的， IP 地址也常常被称为逻辑地址。
 *  MAC 地址有 48 位二进制数表示。为了便于记忆，用 12 个 16 进制数代表，每 2 个 16 进制数之间用冒号分割，比如如： 08:00:20:0A:8C:6D就是一个合适的 MAC 地址。
    
     *  在 48 位二进制数字中， IEEE 负责向从事以太网产品生产的厂商分配前 24 位，由厂商负责编写后 24 位，并确保所有 MAC

ARP协议

*  地址解析协议（ Address Resolution Protocol ， ARP ）是 IP 协议最重要的配套协议之一，其目的就是是将 IP 地址转化成 MAC （物理或硬件）地址。
 *  ARP 协议工作原理：
    
     *  当主机 A 有信息向主机 B
        
         *  主机A查找本地ARP表，若表中有主机B的IP地址，则按照对应的MAC地址，将要发送的IP包封装成以太帧，并向主机B发送。
         *  若ARP表中没有主机B的数据项，则以广播方式发出ARP请求包，在本网段内寻找与主机B的MAC地址。
     *  主机 B 收到 ARP 请求后
        
         *  主机B收到主机A的ARP请求报文后，向主机A发出单播的ARP响应包，并将主机 A 的 IP 地址和 MAC 地址填入自己的ARP表中。
         *  主机A在收到响应报文后，将主机B的MAC地址填写到自己的ARP表中，按照获得的MAC地址将IP包封装到以太帧，并向主机B发送。

ARP报文格式

*  ARP协议和RARP协议有一致的数据包格式。
    
    ![image-20210103184326298][]
 *  硬件类型：发送方硬件接口类型，1为以太网。
 *  协议类型：发送方请求解析的协议地址类型，0x0800为IP协议地址。
 *  硬件地址长度：发送方硬件地址长度，以太网地址为48。
 *  协议地址长度：请求解析的协议地址长度，IP地址为32。
 *  操作类型：表示本报文的类型，1为ARP请求，2为ARP响应，3为RARP请求，4为RARP响应。
 *  发送方硬件地址：发送方硬件地址的前4个字节和后2个字节分别在不同字段中表达。
 *  发送方IP地址：发送方IP地址的前2个字节和后2个字节分别在不同字段中表达。
 *  接收方硬件地址：发送方硬件地址的前2个字节和后4个字节分别在不同字段中表达。
 *  接收方IP地址：接收发IP地址。

根据报文中地址项的填写内容，ARP分为标准（也称有偿）和无偿（gratuitous，也称免费）两种类型：

*  标准ARP
    
     *  ARP请求报文的各相关地址项：源IP和源MAC为发出ARP请求的主机的IP地址和MAC地址，目标IP为希望获得其MAC地址的主机的IP地址，目标MAC为全“0”。
 *  无偿ARP
    
     *  也称为免费ARP，是一种特殊的ARP请求报文，当一个ARP请求报文满足以下条件时：
        
         *  源IP地址和目标IP地址都是发出这个ARP报文的主机的IP地址。
         *  源MAC地址是发出这个ARP报文的MAC地址。
         *  目的MAC地址是广播地址。
     *  作用是广播自己的 IP 和 MAC 地址，然其他设备学习

RARP 协议

*  RARP 正好与 ARP 相反，知道 MAC 地址，但不知道 IP 地址，通过该协议广播询问分组获取 IP 地址。

# NAT 技术 #

网络地址转换(NAT)

![image-20210103212225799][]

动机:

*  只需/能从ISP申请一个IP地址（IPv4地址耗尽）
 *  本地网络设备IP地址的变更，无需通告外界网络
 *  变更ISP时，无需修改内部网络设备IP地址
 *  内部网络设备对外界网络不可见，即不可直接寻址(安全)

实现:

*  替换
    
     *  利用(NAT IP 地址, 新端口号)替换每个**外出**IP数据报的( 源IP 地址, 源端口号)
 *  记录
    
     *  将每对(NAT IP 地址, 新端口号) 与( 源IP 地址, 源端口号)的替换信息存储到NAT转换表中
     *  16-bit端口号字段：可以同时支持60,000多并行连接！
 *  替换
    
     *  根据NAT转换表，利用( 源IP 地址, 源端口号)替换每个**进入**内网IP数据报的( 目的IP 地址, 目的端口号)（即(NAT IP地址, 新端口号)）

示例

![image-20210103212831967][]

*  1: 主机10.0.0.1向 128.119.40.186, 80发送数据报
 *  2: NAT路由器将数据报的源地址与端口号修改为138.76.29.7,5001,并记录到NAT转换表中
 *  3: 响应数据报的目的地址与目的端口号：138.76.29.7, 5001
 *  4: NAT路由器修改数据报的目的地址与目的端口号为: 10.0.0.1,3345, 并向内网转发

NAT主要争议:

*  路由器应该只处理第3层功能
 *  违背端到端通信原则
 *  应用开发者必须考虑到NAT的存在，e.g., P2P应用地址短缺问题应该由IPv6来解决

NAT 穿透问题

*  客户期望连接内网地址为10.0.0.1的服务器
    
     *  客户不能直接利用地址10.0.0.1直接访问服务器
     *  对外唯一可见的地址是NAT地址: 138.76.29.7
 *  解决方案1: 静态配置NAT，将特定端口的连接请求转发给服务器
    
     *  e.g., (138.76.29.7, 2500) 总是转发给(10.0.0.1, 25000)
 *  解决方案2: 利用UPnP(Universal Plug and Play) 互联网网关设备协议 (IGD-Internet Gateway Device ) 自动配置:
    
     *  学习到NAT公共IP地址(138.76.29.7)
     *  在NAT转换表中，增删端口映射
 *  解决方案3: 中继(如Skype)
    
    ![image-20210103213258817][]
    
     *  NAT内部的客户与中继服务器建立连接
     *  外部客户也与中继服务器建立连接
     *  中继服务器桥接两个连接的分组

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