Roxy's Library

Back
18 min read
Chinese
计算机网络 /
网络层

网络层协议

计算机网络网络层 lecture 2
views | comments

本文内容基于 2025 秋季《计算机网络》课程讲述，如有差错，欢迎指正

IPv4 协议#

IPv4 是今天互联网的核心协议，其采用寻址机制很好的完成了网络层的两个基本功能，路由和转发。此外还提供了适应不同链路的分片机制，使上层可以一次性发送大量数据

IPv4 数据报格式#

IPv4 头部通常为 20 字节（不含选项）

IPv4 Header 其各个字段的含义：

  • 版本: 4 bits，表示采用的IP协议版本（IPv4=4，IPv6=6）
  • 首部长度: 4 bits，表示整个IP数据报首部的长度，单位是4字节
  • 区分服务: 8bit，该字段一般情况下不使用
  • 总长度: 16 bits，IP 数据报的总字节数（首部 + 数据）。最大为 65,535 字节
  • 标识、标志、片偏移: 用于 IP 分片与重组
  • 生存时间 (TTL, Time To Live): 8 bits
    • 防止数据包在网络中无限循环。
    • 每经过一个路由器，TTL 减 1。
    • 当 TTL = 0 时，丢弃数据包并发送 ICMP 超时报文。
  • 协议: 指示数据载荷部分使用的是什么协议（如 TCP=6, UDP=17, ICMP=1）
  • 首部校验和: 仅校验 IP 首部，不校验数据部分。每跳都需要重新计算（因为 TTL 会变）
  • 源 IP / 目的 IP: 32 bits，标识发送方和接收方
  • 选项：可扩充部分，具有可变长度，定义了安全性、路由方式、时间戳等选项
  • 填充：用全0的填充字段补齐为4字节的整数倍

IPv4 分片与重组#

由于底层链路层的 MTU (最大传输单元) 限制（如以太网 MTU 为 1500 字节），大 IP 包需要被切片发送

  • 分片发生地：源主机或中间路由器
  • 重组发生地：仅在目的主机。
    • 原因：减轻路由器负担（不需要实现复杂机制）；避免因路径不同导致分片无法在中间重组
  • 关键字段：
    • 标识 (ID)：16bit，IP软件通过计数器自动产生，每产生1个数据报计数器加1。同一数据报的所有分片具有相同的 ID
    • 标志 (Flags)：3bit，只有两位有意义
      • DF ：置 1 时禁止分片（若包太大则丢弃并报错）
      • MF ：置 1 表示后面还有分片，置 0 表示这是最后一个分片
    • 片偏移 (Offset)：13bit，表示该分片在原IP数据报中的相对位置，单位是 8 字节

IP 地址#

IP 地址和网络接口的概念是绑定在一起的，主机的每个接口都有一个IP地址

在IPv4中，IP地址是32位二进制数，通常写成点分十进制形式（如127.0.0.1）。从结构角度来说，IP地址可以分为两部分： 网络号（网络地址）+主机号（主机地址）

从这个角度来说，我们对所有IP地址进行了切分，所有具有相同网络地址的网络接口，我们认为它形成了一个子网。 在实现上来说，在子网内部可以直接采用链路层的技术去进行传输。网络层是根据网络地址决定下一跳进行传输，这也符合我们前面所说最长前缀匹配的原则

在从网络管理的角度来说，这也使得网络更加容易维护

  • 子网表示：子网掩码(subnet mask)，与 IP 地址一一对应，是32 bit 的二进制数，置1表示网络位，置0表示主机位
  • 网络前缀：网络号相同的这块连续IP地址空间称为地址的前缀，或网络前缀

子网由接口组成，与主机/路由器等设备无关：一个子网内的接口，可能来自不同设备；一个设备的多个接口，可能属于不同子网

Subnet Mask 若网络地址长度为24，上图中有6个子网

一些特殊的 IP 地址：

  • 全0网络地址：只在系统启动时有效，用于启动时临时通信，又叫主机地址
  • 全0主机地址：用于指定网络本身，称之为网络地址或者网络号
  • 全1主机地址：用于子网内广播，也称定向广播，需要指定目标网络
  • 255.255.255.255：用于本地广播，也称有限/受限广播，无须知道本地网络地址
  • 网络127.0.0.0/8：指本地节点(一般为127.0.0.1)，用于测试网卡及TCP/IP软件

IP 地址分类与表示方法：

  • 分类编址:
    • IP地址共分为A、B、C、D、E五类，A类、B类、C类为单播地址
    • 网络号长度固定，难以适应现代网络的部署需求

Classful IP

  • CIDR (无类别域间路由):
    • 目前的互联网标准格式：a.b.c.d/x，其中 x 是前缀长度，长度可以任意。
    • 消除了 A/B/C 类的概念，使地址分配更灵活，并支持路由聚合（Supernetting）

路由聚合（地址聚合）：CIDR子网内的地址，可以进一步划分为多个子网，对外只暴露1个CIDR网络地址

使用CIDR后，子网进行迁移时可以不用更改自身地址，只需修改路由规则（利用最长前缀匹配）

IP 包转发#

通过最长前缀匹配可以把数据包转发到正确的子网，但是子网内部有多个主机，该如何判断转发到哪个主机呢？

  • 方法1：子网内仍然对目的IP地址进行最长前缀匹配，转发到正确主机
    • 设备：网络层路由器
  • 方法2（常用）：子网内根据目的MAC地址，转发到正确主机
    • 设备：链路层交换机。成本低、管理简单、规模有限
    • 通过ARP协议获取MAC地址，利用交换机查找映射表进行转发

ARP 协议#

ARP 协议实现了局域网内 IP 地址到 MAC 地址的映射

我们先来了解一下MAC地址的作用：

子网内部通信时，数据链路层使用 MAC 地址进行寻址和转发。 MAC 地址是链路层的地址，是物理地址，由网卡厂商烧录在网卡上，全球唯一。 IP数据包经过不同链路的时候，封装在不同链路层帧里面的网络层的IP地址是始终不变的； 但是每经过一跳时，链路层地址都会发生改变，变化为下一跳的链路层地址

回想一下路由器的结构，在路由器的输出端口上，路由器需要将数据包封装在链路层帧中发送出去。 因此路由器需要知道下一跳的MAC地址，才能正确封装链路层帧并发送出去，这就是ARP协议的作用

工作原理#

ARP 协议维护了一张 ARP 表 (ARP Cache)，存储 IP 地址与 MAC 地址的映射关系

  1. 当主机 A 知道 B 的IP地址，想知道 B 的 MAC 地址，先查本地 ARP 表，如果映射存在，直接使用
  2. 若表中无记录，A 在局域网中广播ARP查询请求
    • 目的 MAC：FF-FF-FF-FF-FF-FF (广播帧)
  3. B 收到广播后，发现找的是自己，向 A 发送 ARP 响应报文（单播），告知自己的 MAC 地址
  4. A 收到后，将映射关系写入 ARP 表，并设置老化时间 (TTL)

ARP Process

注意：ARP 仅在直连的局域网内工作。若目标在子网外，ARP 解析的是默认网关 (路由器) 的 MAC 地址

ARP Spoofing攻击:

  • 攻击者随意地发送ARP请求或ARP响应（可以使用任意源IP地址与MAC地址）
  • ARP协议是无状态的：即使受害者之前没发过ARP请求，收到一个ARP响应时，也会更新ARP表
    • 受害者后续数据将被发往攻击者提供的MAC地址
  • 攻击者可以修改自己的IP转发功能，将截获的受害者数据继续转发

DHCP 协议#

解决网络内部主机 IP 地址

IP地址一般有两种分配方式：

  • 静态设定：管理员手动配置IP地址，比如路由器、服务器等
  • 动态获取：主机使用DHCP协议或其他动态配置协议，从DHCP服务器动态获取IP地址
    • 这种方式可以有效利用IP地址，方便移动主机的地址获取，避免地址冲突

采用 客户端/服务器 模式：

  • 应用层协议，基于 UDP
  • 客户端端口 68，服务器端口 67

工作方式#

  1. DHCP Discover（广播）：新来的主机向整个网络进行广播，寻找DHCP服务器
  2. DHCP Offer（广播或单播）：服务器广播或单播发出提供报文
  3. DHCP Request（广播）：主机决定从多个DHCP服务器中选择一个，并向其以广播形式发送DHCP请求报文（广播是为了告诉其他服务器可以回收它们的 Offer）
  4. DHCP Ack（广播或单播）：被选择的DHCP服务器广播或单播发送确认报文

DHCP过程中报文字段取值

阶段源MAC目标MAC源IP目标IP形式
DiscoverPC机的MAC全FF0.0.0.0255.255.255.255广播
OfferDHCP服务器或者中继器路由的MACDHCP客户机的MACDHCP服务器或中继路由器的IP地址255.255.255.255或准备分配的IP地址广播或单播
RequestPC机的MAC全FF0.0.0.0255.255.255.255广播
AckDHCP服务器或者中继器路由的MACDHCP客户机的MACDHCP服务器或中继路由器的IP地址255.255.255.255或准备分配的IP地址广播或单播

DHCP服务不只返回客户机所需的IP地址，还包括:

  • 缺省路由器IP地址
  • DNS服务器IP地址
  • 网络掩码

DHCP耗竭攻击与流氓DHCP：

  • 攻击者短时间内发送大量DHCP请求，将子网内可用IP地址全部占用，导致后续主机无法获取新IP地址
  • 通常在此之后攻击者启动自己的DHCP服务，给网络中的其他主机提供虚假的配置，包括DNS服务器IP与网关IP

NAT 协议#

随着现在互联网的发展，网络设备越来越多，IPv4地址资源变得越来越紧张。为解决这个问题， 在很多场合采用的一个做法是把少量的公共IP地址分配给不同的机构，由机构内部去统一的使用这个公共的IPv4地址去跟外界进行交互。

网络地址转换(NAT)是一种将私有（保留）地址转化为公有IP地址的转换技术

工作原理#

NAT 路由器维护一张 NAT 转换表，利用 端口号 来区分内网不同主机的连接，NAT表内部映射了 (私有IP:私有端口) 与 (NAT IP:公网端口) 的对应关系

  • 出站 (Outbound)：
    • 将内网数据包的 (源IP:私有, 源端口) 替换为 (NAT IP:公网, 新端口)。
  • 入站 (Inbound)：
    • 收到公网数据包，根据 (目的IP:公网, 目的端口) 查表，替换回 (目的IP:私有, 原端口)。

有时NAT会进行更细化的端口映射，比如会对不同的传输层协议（TCP/UDP）进行表项管理

NAT的使用节省了公网的IP；对外隐藏内部网络结构，保护子网内的结构信息。 但是它违反了分层模型（路由器修改了 IP/Port），且不能处理IP报头加密；妨碍 P2P 应用（外网无法主动连接内网主机，需穿透技术）。

ICMP 协议#

互联网控制报文协议，用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 报文被封装在 IP 数据报中传输（Protocol 字段为 1）

常见报文类型#

  1. 差错报告报文：
    • 目的不可达：网络/主机/端口不可达
    • TTL 过期：路由环路或 Traceroute 探测
    • 参数问题：首部字段错误
    • 特点：不为“差错报文”再产生差错报文；不为分片产生差错报文（只针对第一个）

差错报文封装过程： ICMP Error Message

  1. 询问报文：
    • 回送请求/应答：用于 Ping

典型应用#

  • Ping：
    • 使用 ICMP 回送请求与回送回答报文
    • 测试连通性及往返时延 (RTT)
  • Traceroute (Linux) / Tracert (Windows)：
    • 原理：利用 TTL 字段。
    • 发送 TTL=1 的包 -> 第 1 跳路由器丢弃并回送 ICMP TTL 过期
    • 发送 TTL=2 的包 -> 第 2 跳路由器丢弃并回送 ICMP TTL 过期
    • …以此类推，直到到达目的地（回送端口不可达或 Echo Reply）
    • 由此探测出路径上所有路由器的 IP
网络层协议
https://astro-pure.js.org/blog/csnet_net_chap2
Author GreyRat
Published at December 14, 2025
Copyright CC BY-NC-SA 4.0
Buy me a cup of coffee ☕.

路由技术

网络层基本概念、路由器
Comment seems to stuck. Try to refresh?✨