7.1 网络层协议

• IP协议
• ARP（地址解析协议）
• RARP（反向地址解析协议）
• ICMP（互联网控制消息协议）

7.2 IP协议详解

7.2.1 IP协议功能

• 寻址和路由
• 传递服务（不可靠，尽最大努力，可靠性由上层协议提供；无连接）
• 数据报分段与重组

7.2.2 IP数据报解析

（1）IP数据报由两部分组成1.首部；2.数据部分；首部（大小20bye到60bye之间）由两部分组成：1.固定部分（大小20字节）；2.可变部分（最大为40字节)。
（2）版本——占4bit，指IP协议的版本，目前的IP协议版本号为4（0100）（即IPV4）。
（3）首部长度——占4bit，可表示的最大数是15个单位（一个单位为4字节），因此IP的首部长度的最大值是60bye。
（4）服务类型——这个字段一直没有被使用过。

• D：delay 延时 T：throughput 吞吐量 R：reliablity 可靠性 cost 最小代价
• 区分服务，占8位，用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998年IETF把这个字段改名为区分服务DS(Differentiated Services)。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。

（5）总长度——占16bit，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为65535bye，总长度必须不超过最大传送单元MTU。
（6）理解标识、标志、片移量，分片——运苹果，选择火车，苹果太多分开来运，苹果有种类，列车须有标识，同样型号的一批苹果；标志：有三位，第一位保留不使用，第二位（D位）：如果为1代表一批运，不分批；第三位（M位）：如果为1代表分批运，货物后面还有，还没有完；片移量——每辆火车之间隔得距离。

• 标识（Identification）——占16bit，它是一个计数器，用来产生数据报的标识；标识与ip决定了IP数据报的唯一性。
• 标志（flag）——占3bit，目前只有后两个bit有意义，标志字段的最低位是MF（More Fragment），MF=1表示后面“还有分片”，MF=0表示最后一个分片；标志字段中间的中间一位是DF（Don’t Fragment）,只有当DF=0是才允许分片。
• 片移量（Fragment offset）——13bit，较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置，片移量以8个字节为偏移单位。
  
  （7）生存时间——8bit，记为TTL（Time to live），这是为了限制数据报在网络中的生存时间，其单位最初是秒，但为了方便，现在都用“跳数”作为TTL的单位，数据报每经过一个路由器，其TTL值就减1。Windows的TTL为64。
  （8）协议——8bit，使用上层协议，指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程。
  
  （9）首部校验和——16bit，字段只检验数据报的首部，不包括数据部分这里不采用CRC检验码而采用简单的计算方法。
  （10）源地址，目的地址——占4个bye。
  （11）可变部分

7.3 ARP协议详解

7.3.1 IP地址和MAC 地址特征分析

• 逻辑地址：网络级，也就是IP，工作在网络层，特征:1、全局唯一性；2、用软件实现；3、32位；
• 物理地址：物理级，mac地址，工作在网络接口层，特征：1.本地范围具有唯一性；2.用硬件实现；3.48位；

7.3.2 有了IP地址为什么还要使用MAC

有了IP地址为什么还要使用MAC，原因如下：

• IP地址一般情况下容易修改和变动，具有随意性，不能在网络上固定标识一台设备；
• MAC地址一般情况出厂时由厂家烧录到硬件中，不容易修改，在局域范围内容易定位唯一一台设备；
• 从拓扑结构和分层上分析，IP地址属于网络层部分，主要功能是在广域网范围内路由寻址，选择最佳路由，而MAC地址在网络接口层要形成适合于网络媒体上传输的数据帧。

标识设备的3种方法（访问）：
1.域名；随意特性
2.IP地址；随意特性
3.MAC地址（理论上可以通过MAC访问）；固定特性

7.3.3 ARP工作过程及工作原理解析

ARP:局域网内：

ARP:广域网内：

RouterA，RouterB为代理ARP，PCA知道的是网关的MAC地址也就是FA0/0的MAC，同理，PCB也是。

文字说明
（1）ARP ( Address Resolution Protocol )地址解析协议用于将计算机的网络IP地址转化为物理MAC地址。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。在每台安装有TCP/IP协议的电脑里都有一个ARP缓存表，表里的IP地址与MAC地址是一—对应的。
（2）ARP缓存表:1.静态映射缓存表；2.动态映射缓存表。
（3）不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址。
（4）ARP高速缓存的作用

• 为了减少网络上的通信量，主机A在发送其ARP请求分组时，就将自己的IP地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组。
• 当主机B收到A的ARP请求分组时，就将主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中。这对主机B以后向A发送数据报时就更方便了。

（5）应该注意的问题

• ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。
• 如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。
• 从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。
• 只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就会自动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址。
• 默认情况下ARP缓存的超时时限是两分钟。

ARP相关命令

• arp -d清楚本机arp缓存表
• arp -a查看本机当前arp表
• arp -s绑定arp地址（注意：本次机器生效，下次重启后会全部失效）