网络层只懂路由？这9个知识点被严重低估了

号主：老杨丨11年资深网络工程师，更多网工提升干货，请关注公众号：网络工程师俱乐部

下午好，我的网工朋友。

网络层想必你已经耳熟能详，它的作用自然是不容小觑。

它负责将数据从源头准确地投递到目的地，无论这个目的地是在街对面还是世界的另一端。如果没有网络层的智能路由选择、拥塞控制和网际互连，我们的网络通信将会变得混乱和低效。

我们无法依赖简单的记忆来处理海量的IP地址和路由信息，这时候，网络层的作用就显得尤为重要了。

今天这篇文章就来再提提网络层这事，从IP地址的分类到CIDR的高效编址，从IP数据报文的构成到路由表的智能管理，再到ARP、ICMP、DHCP这些协议的实际应用，不管是小白还是老司机统统都适用。

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01 IP地址

01 分类表示法

分类表示法相对而言比较不常用。

A类地址：
格式为
1[7位网络号][24位主机号]
网络号全0指本网络
网络号全1用于环回地址（127.0.0.1）
主机号全0时指本住机所在网络
全1时指本网络所有主机（广播地址）
因此A类地址实际可选范围为1.x.x.x ~ 126.x.x.x

B类地址
格式为
10[14位网络号][16位主机号]
网络号不可全0，但可以全1
范围为128.x.x.x~191.x.x.x

C类地址
格式为
110[21位网络号][8位主机号]
网络号不可全0
范围为192.x.x.x~223.x.x.x

D类地址（多播地址）
格式为
1110[28位多播地址]
范围为224.x.x.x~239.x.x.x
因此看到224以上的ip要注意

E类地址
格式为11110[保留]
用于实验用，因此看到240以上的认定不是正常节点ip

分类表示地址的其他说明：

网络号全0，但主机号非全0的某个ip就是指本网络的某个主机
网络号不为全1，但主机号为1的ip，则指某个网络的广播地址
全0，指本网络的本主机
全1，指本网络的广播地址
环回地址，指127.0.0.1，在同一台主机上进行网络传输
私有地址，指不会参与路由器转发的地址,，只会参与本局域网，发给本局域网的交换机：
A类：10.0.0.0-10.255.255.255.
B类：172.16.0.0-172.31.0.0
C类：192.168.0.0-192.168.255.255

02 无分类编址CIDR

Classless Inter-Domain Routing 无类型域间选路

CIDR将路由集中起来，使一个IP地址代表主要骨干提供商服务的几千个IP地址，从而减轻Internet路由器的负担。
该编址用于子网划分，子网号和上面提到的网络号是不同的。
IP地址 ::= {<网络号>， <子网号>， <主机号>}

CIDR有三种编址方式：

128.14.35.7/20 ，完整ip加子网位数
10.0.0.0/10 -> 10/10，可省略末尾的0
00010100*，即用星号代替子网后的主机号

对于CIDR编址：子网号的全0和全1没有特殊含义，但不可设置成全0或者全1。主机号的全0指本网络，全1指广播。（网络号仍然遵从ABCD地址的规则）

子网掩码：
值1的位置指该ip中该位置是网络号和子网号区域
值0的位置指该ip中该位置是主机号区域。
例子：111111100000000…，那么前面8个1就是网络号+子网号，后面都代表了主机号
路由寻址时，一般先比较网络号，再比较子网号，再比较主机。
子网掩码可以简化先比网络再比子网的过程。

02 IP数据报文格式

IP报文的首部至少有20个字节（160位），首部如下：

上面可以看到IP报文的以下限制：

首部长度字段可以看出首部长度最多可以位60字节，所以任选项最多40字节
报文总长度最大为65535，但是由于MTU的限制（链路层防冲突机制导致的），一般都要做分片，分片后就会用上分片标识和片偏移了。

Q: IP报文里有什么？可以不按顺序或者字节来讲一讲

首先要知道报文多长，首部长度+报文长度
为了校验首部，还需要校验首部和
很重要的源ip 目的ip
那么如何确定ip类型？这就需要 ipv版本，来确认是ip4还是ip6。
ip支持分片，那么就需要
分片id、是否是最后分片标记、分片偏移
协议类型（icmp、igmp）
TTL生存
其他任选项（40字节）

03 路由概念

路由器可分隔广播域，指的是不同网络号的地址，路由器不会转发广播报文
Hub集线器在同一个冲突域通信无法分割；交换机在同一个广播域通信，可分割冲突域；路由器实现不同广播域间通信，可分隔广播域。
IP报文在传输中不会被改变，但是链路层报文的mac地址会不断变化。
当2个主机在不同的子网时，必须要借助路由才能通信

01 路由表

假设某个路由器在N1网络，他的路由表如下：

特定IP地址的子网掩码为全1，所以一般都是x.x.x.x/32
DNS服务器一般会配置在路由表中的特定IP地址
未知网络在路由表里的目的网络被写为0.0.0.0，如果么有，则就是未设置默认路由
路由器不会转发私有地址。
距离指的是跨越路由器的数量，而不是实际长度单位

02 路由网络匹配

如果路由表中的目的网络由很多，怎么确定IP和路由表中的目的网络是匹配的？

使用 最长前缀匹配，即前缀匹配得最多的就是目的网络。优化算法可用二叉线索树来确认最长前缀。

03 ARP解析

全称Address Resolution Protocol，地址解析协议。

从主机发给路由，或者路由发给路由时，底层还是得封装一层mac地址然后往下交给交换机。那么ip和mac地址的对应关系，是怎么得知的？

答案就是ARP协议

本质就是当mac缓存表里没有ip和mac的对应关系时，主机或者路由会广播ARP报文，对应ip方向的交换机会把报文发送回来，这时候就直到mac地址和ip的对饮关系了。@网络工程师俱乐部

arp -a可以检查ARP告诉缓存
ARP缓存有超时时间
目的主机不存在时，会反复发送，有个超期期限的存在。
主机发送ARP查找自己的Mac地址称为“免费ARP"
发送给某1主机的arp请求被中间路由器接收了，则称为“ARP代理”，发送者不管不管你是中间路由还是目的ip主机，只知道这个ip需要发给这个mac。

04 RARP逆地址解析协议

由mac地址反取ip。因为ip不存在，无法直接转给给路由。所以会比ARP难。

过程：

1）将源设备和目标设备的MAC地址字段都设为发送者的MAC地址和IP地址，发送主机发送一个本地的RARP广播，能够到达网络上的所有设备，在此广播包中，声明自己的MAC地址并且请求任何收到此请求的RARP服务器分配一个IP地址；

2）本地网段上的RARP服务器收到此请求后，检查其RARP列表，查找该MAC地址对应的IP地址；

3）如果存在，RARP服务器就给源主机发送一个响应数据包并将此IP地址提供给对方主机使用；如果不存在，RARP服务器对此不做任何的响应；

4）源主机收到从RARP服务器的响应信息，就利用得到的IP地址进行通讯；如果一直没有收到RARP服务器的响应信息，表示初始化失败。

04 ICMP协议

全称Internet control message protocl，网络控制报文协议。他会包装在IP的数据报文中，并把首部的协议类型改成ICMP那个数字。

首部总共8个字节，分别为：

2字节的ICMP类型
2字节的ICMP报文代码（类似错误码）
4字节的校验和
后面就是数据部分了。

常见的2种用途：

1、发送网络层之间的差错报告，例如：

- 源点抑制——发送网络拥塞
- 终点不可达——无法找到对应ip交付地点
- 时间超时——报文种的TTL降为0，或者分片一直没收集完
- 参数错误——首部中字段有错
- 路由改变（重定向）——　主机把数据发给了路由器R2，但是路由器R2发现主机自己本来就可以直达了，于是发给主机该消息，告诉他你要更新路由表了。

差错报告有以下其他特点：