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网络协议物理层，"地基"是怎么练成的

网络协议 数据链路层，“帧”建立统一新秩序

网络协议 网络层，万物归于IP

撰稿：未来侦察班

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网络协议 网络层，万物归于IP

图片 | 华为技术社区

TCP/IP是必修课，物理层Phy、数据链路层、网络层、传输层、应用层五层... 本节接着聊网络层。

1. 网络层

从网络层开始，彻底摆脱硬件强相关，无论有线网、无线网、蓝牙PAN网络等，都可以通过ip地址互联互通，应用APP发包也只需要关心IP地址，不用知道对方的MAC地址等信息。

简单类比，家里用的电，无论是风力发电、太阳能、核能、或者火力发电，底层发电技术各式各样（物理层、数据链路层）。但只要去了电网（网络层），然后通过特高压输电线（运输层），就可以在庞大的电网中，将电力送到千家万户。用户不用关心是怎么发的电，怎么运输过来的。

2. 网络层详解

2.1 核心作用

网络层Network核心作用屏蔽物理层和数据链路层，网络设备可以动态分配ip地址，灵活组网。可以划分如下四个功能点：

• 逻辑寻址

• 路由选择

• 分组转发

• 网络诊断

2.2 协议数据单元

TCP/IP5层的PDU都有自己专属名称，网络层PDU称为数据包Packet。

IP数据包目前两个版本的，IPv4使用32位的4字节地址，IPv6使用128位的16字节地址，因此报文自然也不相同。一般场景下未明确描述的IP地址都是IPv4版本。

• IPv4格式

网络层的协议数据单元PDU中，IP头长度可变，有效范围从20字节~60字节，

Version占用4bit位 4表示IPv4,6表示IPv6

IHL(Internet Header Length)网络头长度，控制IP报文包头长度，最小5（表示20字节），最大15（表示60字节）。

Type of Service简称TOS字段，服务类型

Total Length整个数据包的长度，最大65535但不能超过最大传输单元MTU

Identification，2字节标记数据包顺序，到65535最大值后归零重新计数，用于分片重组环节。Flags是否分片的标记，bit0表示是否分片，bit1表示是否是分片的最后一片。

Fragment Offset 用于分片重组，不受各分片接收顺序影响，还原整个数据包。

Time to Live即TTL 生命时间，表示数据包在网络网络中可以经过路由器最大数，减为0时丢弃。

Protocal协议1字节，表示ip数据包携带的数据单元使用什么协议解析，如ping包使用ICMP解析，使用协议号1。

Header Checksum数据包首部校验；

Source Address和Destination Address源ip地址和目的ip地址

• IPv6格式

v6包头长度固定40字节，扩展头部不再严格限制长度，也遵循TLV（Type Length Value）格式更加灵活。

Version版本4bit和IPv4用法相同

Traffic class流量类型类似v4的type TOS字段

Payload Length有效字段长度，不包括头部

Next Header没有扩展头是指协议类型即解析有效字段的类型，和IPv4的protocol协议字段类似，有扩展头时指向扩展头类型。

Hop Limit跳数限制，和v4的TTL类似；使用跳数表示更为贴切。

Source Address和Destination Address源ip地址和目的ip地址，各自16个字节。

2.3 IP地址

ip地址版本IPv4、IPv6，局域网设备依然沿用IPv4，服务器地址已经悄悄支持ipv6版本。

IPv4划分为ABCDE 5类地址；

子网掩码可以改变网络可见范围，其长度32bit，和ipv4地址长度相同，也分为网络ID和主机ID两部分，不同的ip地址类型使用不同的掩码格式；和ip地址区别在于，没有固定的字段；局域网多使用255.255.255.0作为子网掩码。

当然在局域网中也可以人为调整子网掩码划分改变网络大小，比如10.0.0.x的A类地址路由器使用C类地址的子网掩码255.255.255.0。

每个类型的地址内部都有对应的广播地址，并且也可以使用有限广播地址255.255.255.255发送给本网络所有设备，如DHCP协议动态分配ip地址。

主机位同时也指明，当前网络可以容纳的主机数量，如常见的家用路由器C类地址局域网中，最多支持254个设备。

2.4 寻址

寻址简单点就是找到对方设备的过程，广域网靠ip地址逐跳搜索，局域网最终靠mac地址上门签收。

• 局域网寻址

局域网设备各自都维护ARP表（记录ip和mac地址对应关系），特点是不仅可以通过ip找到对方，也可以通过mac地址找到对方；

当A设备的arp表中已经保存B的ip和mac信息，直接在帧头的目的MAC地址填充B的MAC信息发送数据；

当A设备的arp表未保存B信息，先使用ARP协议在局域网中广播B的ip地址，等待B回复自己的mac地址信息，然后A更新自己的arp表，最后再将B的mac地址填充到帧头发送数据。

• 广域网寻址

广域网寻址就不同，MAC地址仅用于局域网内寻址，数据包穿过路由器后，MAC帧头的源mac地址会被替换成此路由器的MAC地址，目的mac地址换成相邻的下一跳路由器MAC地址；因为有规定，网络设备收到的数据包中MAC地址必须是自己直接相邻的设备，并且收到的帧中目的地址必须是自己否则丢弃。

上海的电脑要访问美国的Apple官网，无需知道它的mac地址，只需要对方域名/解析IP地址即可，中间会经过的很多路由器等设备，而这部分的层层MAC地址转换用户也是感知不到的。

特例，路由器级联的情况，属于局域网的范围，但是寻址却和广域网类似，每经过一个路由器需要替换原始的MAC源地址和目的地址信息。

2.5 封装和拆包

数据单元PDU传递的核心点在于，每一层都有自己的特定的签名，只是名字上不同而已，如前导码、包头、帧头等等，每层只检验自己层的签名。

封装过程：应用层和传输层PDU向下发送到网络层打上IP包头和包尾，到数据链路层再打上MAC帧头和帧尾，最后到达物理层加上前导码，编码成模拟信号后，最终发送出去。将上层的整个数据单元作为本层的数据部分“透明传输”给下层协议。

拆包过程：双绞线上的电信号和光纤上的光信号，到达物理层后，由模拟信号解码成数字信号，去掉前导码和帧首界定符，传递给MAC层后拆掉MAC的帧头帧尾，传递给网络层拆掉IP层包头包尾到达更高层处理。

类比物流运输场景，生鲜符合要求发食品检验证（高层协议）然后装车，物流卡车穿过高速公路需要高速收费卡（网络层包头包尾），而高速是不检查食品合格证，到达目的地后才需要复查食品安全（拆包数据校验），毕竟运输过程中也可能变质（丢包/干扰等现象）。

2.6 路由算法

分为静态路由和动态路由，静态路由依赖管理员手动配置，指定下一跳的明确地址，若网络拓扑改变需要重新配置。常见的动态路由算法

• 距离矢量算法搜索邻居设备，并交换邻居路由信息，适用于小型网络；

• 链路状态算法基于链路状态的内部网关协议（IGP），每台路由器独立构建全网拓扑图并通过SPF算法计算无环路径。

2.7 网络层协议家族

网络层的以IPv4/IPv6协议为基础，众多网络层协议可以分两类，直接以数据链路层建立的如ARP，和基于IP协议的如IGMP、ICMP等。

ARP地址解析协议 将IP地址解析成MAC协议，实际以MAC地址为基础，arp请求使用广播帧，相应使用单播帧。

数据链路层的目的mac地址(Destination MAC地址)为全FF的广播地址，网路层目标MAC地址（Target MAC地址）为全0地址。

3. 网络诊断

3.1 ICMP协议

ICMP全称Internet Control Message Protocol网络控制消息协议，传递网络状态信息和错误报告。常用的ping工具则是使用ICMP实现。ICMP是基于标准IP协议，单独的ICMP报文格式如下，包头固定的8字节，其中消息字段为可变长度。

3.2. 常见问题

IP地址ping不通，先检查双方的网络IP地址是否存在，ifconfig和ip addr网卡是否有多组IP地址；再检查系统防火墙策略是否拦截ping包；tcpdump抓包检查mac地址是否合法，尤其是自定义mac地址的设备。

IP地址丢失，检查物理链路状态，如RJ45网口指示灯是否正常亮，ifconfig查看网卡状态lower_up是否正常，再网卡总线如lspci，lsusb等确定是否存在。

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