◀

网络层与数据链路层协议

网络层用来处理在网络上流动的数据包（数据包：网络上传输的最小数据单位）。网络层规定在众多选项中通过怎样的路径（传输线路）到达对方的计算机，把数据包传输给对方。

该层中最突出的协议是 Internet Protocol（IP），因此该层也称为 IP 层。IP 的核心是两个主要功能：<span style="font-weight:bold;color:red">地址</span> 和 <span style="font-weight:bold;color:red">路由</span>。

IP 协议是 TCP / IP 协议的核心，所有的 TCP、UDP、IMCP、IGMP 的数据都以 IP 数据格式传输。要注意的是，IP 不是可靠的协议，这是指 IP 协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制，这被认为是上层协议：TCP 或 UDP 要做的事情。

网络层功能：

  • IP 寻址
  • 选路
  • 封装打包
  • 分片

数据链路层功能：

  • 逻辑链路控制
  • 媒体访问控制
  • 封装链路层帧
  • MAC 寻址
  • 差错检测与处理
  • 定义物理层标准

IPv4 分类地址

在数据链路层中我们一般通过 MAC 地址来识别不同的节点，而在 IP 层我们也要有一个类似的地址标识，这就是 IP 地址。

32 位 IP 地址（IPv4 地址的点分十进制表示）分为网络位和地址位，这样做可以减少路由器中路由表记录的数目，有了网络地址，就可以限定拥有相同网络地址的终端都在同一个范围内，那么路由表只需要维护一条这个网络地址的方向，就可以找到相应的这些终端了。

当互联网规律很小时，类别信息被编码进 IP 地址：

IP 地址类别 首字节 网络号 Bit 数 主机号 Bit 数 理论地址范围 预期用途
A 类地址 0xxx xxxx 8 24 1.0.0.0 ~ 126.255.255.255 特大网络的单播传输
B 类地址 10xx xxxx 16 16 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 数千台中大型网络的单播传输
C 类地址 110x xxxx 24 8 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 250 台主机以下小型网络的单播传输
D 类地址 1110 xxxx n/a n/a 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 IP 多播
E 类地址 1111 xxxx n/a n/a 240.0.0.0 ~ 255.255.255.255 预留实验用

CIDR 子网掩码

无类别域间路由（Classless Inter-Domain Routing，CIDR）是一个用于给用户分配 IP 地址以及在互联网上有效地路由 IP 数据包的对 IP 地址进行归类的方法。

表示方法：A.B.C.D/N（N 的范围 [0, 32]）

链路层 MAC 地址

  • 链路层地址 MAC（Media Access Control Address）
    • 实现本地网络设备间的直接传输
  • 网络层地址 IP（Internet Protocol address）
    • 实现大型网络间的传输

查看 MAC 地址：

# Window
ipconfig / all

# Linux
ifconfig

地址解析协议 ARP

动态地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）是根据 IP 地址获取 MAC 地址的一种协议。

简单的来说 ARP 的作用就是把 IP 地址映射为物理地址，而与之相反的 RARP（逆向 ARP）就是将物理地址映射为 IP 地址。

NAT 地址转换

网络地址转换（Network Address Translation，缩写：NAT；又称网络掩蔽、IP 掩蔽）在计算机网络中是一种在 IP 数据包通过路由器或防火墙时重写来源 IP 地址或目的 IP 地址的技术。这种技术被普遍使用在有多台主机但只通过一个公有 IP 地址访问互联网的私有网络中。它是一个方便且得到了广泛应用的技术。当然，NAT 也让主机之间的通信变得复杂，导致了通信效率的降低。

IPv6

网际协议第 6 版（英语：Internet Protocol version 6，缩写：IPv6）是网际协议的最新版本，用作互联网的协议。用它来取代 IPv4 主要是为了解决 IPv4 地址枯竭问题，同时它也在其他方面对于 IPv4 有许多改进。

IPv6 目的：

  • 更大的地址空间：128 位长度
  • 更好的地址空间管理
  • 消除 NAT 等寻址技术
  • 更简易的 IP 配置管理
  • 优秀的选路设计
  • 更好的多播支持
  • 安全性
  • 移动性

格式

IPv6 二进位制下为 128 位长度，以 16 位为一组，每组以冒号 : 隔开，可以分为 8 组，每组以 4 位十六进制方式表示。

例如：2001:0db8:86a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344 是一个合法的 IPv6 地址。

类似于 IPv4 的点分十进制，同样也存在点分十六进制的写法，将 8 组 4 位十六进制地址的冒号去除后，每位以点号 . 分组。

例如：2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344 则记为 2.0.0.1.0.d.b.8.8.5.a.3.0.8.d.3.1.3.1.9.8.a.2.e.0.3.7.0.7.3.4.4，其倒序写法用于 ip6.arpa 子域名记录 IPv6 地址与域名的映射。

同时 IPv6 在某些条件下可以省略：

  1. 每项数字前导的 0 可以省略，省略后前导数字仍是 0 则继续，例如下组 IPv6 是等价的。
2001:0DB8:02de:0000:0000:0000:0000:0e13
2001:DB8:2de:0000:0000:0000:0000:e13
2001:DB8:2de:000:000:000:000:e13
2001:DB8:2de:00:00:00:00:e13
2001:DB8:2de:0:0:0:0:e13
  1. 可以用双冒号 :: 表示一组 0 或多组连续的 0，但只能出现一次：
  • 如果四组数字都是零，可以被省略。遵照以上省略规则，下面这两组 IPv6 都是相等的。
2001:DB8:2de:0:0:0:0:e13
2001:DB8:2de::e13
2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab
2001:0DB8:0000:0000:0000::1428:57ab
2001:0DB8:0:0:0:0:1428:57ab
2001:0DB8:0::0:1428:57ab
2001:0DB8::1428:57ab
  • 2001::25de::cade 是非法的，因为双冒号出现了两次。它有可能是下种情形之一，造成无法推断。
2001:0000:0000:0000:0000:25de:0000:cade
2001:0000:0000:0000:25de:0000:0000:cade
2001:0000:0000:25de:0000:0000:0000:cade
2001:0000:25de:0000:0000:0000:0000:cade

如果这个地址实际上是 IPv4 的地址，后 32 位可以用 10 进制数表示；因此 ::ffff:192.168.89.9 相等于 ::ffff:c0a8:5909。 另外，::ffff:1.2.3.4 格式叫做 IPv4 映射地址。

IPv4 位址可以很容易的转化为 IPv6 格式。举例来说，如果 IPv4 的一个地址为 135.75.43.52（十六进制为 0x874B2B34），它可以被转化为 0000:0000:0000:0000:0000:FFFF:874B:2B34 或者 ::FFFF:874B:2B34。同时，还可以使用混合符号（IPv4-compatible address），则地址可以为 ::ffff:135.75.43.52。