【网络工程师软考版】网络互联设备、网络层协议IP和ICMP

将此博客当作学习笔记，持续更新，欢迎指正。参考书目《网络工程师教程（第五版）》

所涉及内容

1、网络互连设备

按其工作的协议层可分为

物理层：中继器（Repeater）

数据链路层：网桥（Bridge）与交换机（Switch）

网络层：路由器（Router）

网络层及以上：网关（Gateway）

中继器（Repeater）

功能：对接收信号进行再生和发送。（从接收信号中分离出数字数据，存储起来，然后重新构造它并转发出去。再生的信号与接收信号完全相同，并可以沿着另外的网段传输到远端。）

作用于物理层，只是起到扩展传输距离的作用，对高层协议是透明的。

理论上，可用中继器把网络延长到任意长的传输距离，然而很多网络都限制了在一对工作站间加入中继器的数目。例如，在以太网中限制最多使用4个中继器，即最多由5个网段组成。

集线器

集线器工作在物理层，相当于扩大传输距离的中继器，接口没有MAC地址。

通过集线器连接的一组工作站形成一个冲突域，其中只能有一个设备发送数据，其他设备只能接收数据或处于等待状态。

网桥（Bridge）

作用于数据链路层，能起到过滤帧的作用。

网桥可用于运行相同高层协议的设备间的通信。采用不同高层协议的网络不能通过网桥互相通信。

网桥可以连接不同传输介质的网络。例如，同轴电缆以太网和双绞线以太网，以太网与令牌环网。

网桥工作于MAC子层，只要两个网络MAC子层以上的协议相同，都可以用网桥互联。

网桥需要分析帧地址字段，以决定是否把收到的帧转发到另一个网段上。

网桥检查帧的源地址和目标地址，如果目标地址和源地址不在同一个网段上，就把帧转发到另一个网段上；若两个地址在同一个网段上，则不转发。

交换机

工作在数据链路层

一般日常使用的都是存储-转发方式的交换机

路由器（Router)

工作于网络层，处理的信息量比较多，可以执行复杂的路由选择算法。

通常将网络层地址称为逻辑地址/软件地址；将数据链路层地址称为物理地址。

路由器根据网络逻辑地址在互连的子网之间传递分组。

路由器可以用于连接下面三层执行不同协议的网络，协议的转换由路由器完成，从而消除了网络层协议之间的差别。但通过路由器连接的子网在网络层之上必须执行相同的协议。

网关（Gateway）

最复杂的网络互连设备。

工作于网络层以上的协议层

用于连接网络层之上执行不同协议的子网，组成异构型的因特网。

为了实现异构型设备之间的通信，网关要对不同的传输层、会话层、表示层和应用层协议进行翻译和变换。

2、IP报文格式

不可靠的无连接协议。

IHL (IP HEAD LENGTH)：IP头长度

总长度：包含IP头在内的数据单位的总长度（字节数）

标志(3个)：M，用于分段和重装配；D，是禁止分段标志，如果认为目标站不具备重装配能力，可使用这个标志置位；第三个标志当前没有启用。

3、IP分片与计算

4、IP分类

Ipv4地址分为A、B、C、D、E共5类。其中，A、B、C类可用于标识主机的地址，用于点到点的单播(Unicast)通信；D类地址是组播(Multicast)地址，用于点到多点的通信；E类保留作为研究之用。

内网地址尽量不要使用正式的公网IP（172.0.0.0～172.15.255.255）

0.0.0.0 ——> 全0地址代表任意主机，可以作为源地址，不能作为目的地址

255.255.255.255 ——> 为受限广播地址，不能作为源地址，可以作为目的地址

127.0.0.1 ——> 为本地回送地址，可以作为源地址，也可以作为目的地址

192.168.9.240/28 ——> 为网络地址(经计算)，不能作为源地址，也不能作为目的地址

IP地址与子网掩码 ——> 广播地址与最大容纳主机数

eg1.假设有一个IP地址是192.168.232.0/20，那么其广播地址为？最大可以容纳的主机数为？

思路——> 根据子网掩码来求广播地址：①写出子网掩码 ②比照IP地址，对应255的部分照抄，对应0的部分转化为255，其他部分则先用256减去该值得到X ③找到与IP地址中对应数最接近的X的倍数Y，再将Y-1。

做法 ① 子网掩码 255.255.240.0

        ② 192.168.232.0

             255.255.240.0

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             192.168.(256-240).255 ——> 192.168.(232+16-1).255 ——> 192.168.239.255

最大可容纳的主机数 ——> 2^(32-20)-2 = 4094

网关地址与子网掩码 ——> 网络段地址范围

eg2.某网络的网关地址是172.19.19.254/23，属于该网络的地址范围为？

思路——> 结合网关地址与子网掩码进行按位与运算(bitwise AND operation)。子网掩码用于标识网络号(固定部分)和主机号(可变部分)。网络段的起始地址(网络地址)由网关地址和子网掩码的二进制与运算得出，主机位全0时即为网络地址。

网络地址 ——> 主机位全为0

广播地址 ——> 主机位全为1

网络段地址范围 ——> 网络地址+1 ～ 广播地址-1

经计算，网络地址为172.19.18.0，广播地址为172.19.19.255

因此 网络段地址范围为 172.19.18.1 ～ 172.19.19.254

5、ARP和RARP

6、ICMP协议

Internet Control Message Protocol，网际控制报文协议—> 网络层

ICMP报文封装在IP数据报中传送 —> 因而不保证可靠的提交

常见ICMP报文类型

以下四种情况不产生ICMP报文

1、携带ICMP的数据报不再产生ICMP报文

2、若数据报进行了分片，只有第一个分片能产生ICMP报文

3、多播地址的数据报不产生ICMP报文

4、特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）不产生ICMP报文

Ping使用ICMP协议中的回送请求和回送应答报文，在主机上禁止ICMP协议，可以不响应来自别的主机的ping包。

Tracert命令通过多次向目标发送ICMP回送请求报文、分析发回的ICMP超时报文来确定到达目标的路径。（在Tracert第一次发送的回送请求报文中置TTL=1，然后每次加1，数据报上的TTL减为0时，路由器将ICMP已超时的信息发回源站）

根据TTL判断操作系统类型

WIN XP、WIN Server 2008 ——> TTL初始值为128

FreeBSD ——> TTL初始值为255

IOS 12.4 ——> TTL初始值为64

**网络测试分为主动测试和被动测试

主动测试：利用工具，主动注入测试流量进行测试网络，并根据测试流量的情况分析网络情况。例如，使用ping命令测试网络的连通性。

被动测试：利用特定工具，手机设备或者系统产生的网络信息，通过量化分析实现对网络性能、功能方面的测量。

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路由器技术

IP地址短缺问题 —> 长期与短期两类解决方案。

长期 —> 使用具有更大地址空间的IPv6协议

短期 —> ①网络地址翻译（Network Address Translators，NAT） ②无类别的域间路由技术（Classless Inter Domain Routing，CIDR） —> 均在IPv4路由器中实现

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NAT技术

解决IP地址短缺问题

CIDR技术

解决路由缩放问题

1、对于大多数中等规模的组织没有适合的地址空间。（例如，几千台主机，C类网络<254个地址>太小，B类网络<65000多个地址>太大）

2、路由表增长太快。（如果所有的C类网络号都在路由表中占一个表项，会导致路由表太大，查找速度将无法达到令人满意的程度）

CIDR技术能够将若干个C类网络分配给一个用户，并且在路由表中只占一个表项

—> 即将大块的地址空间合并为少量路由信息的策略。

华为路由器的初始配置文件通常保存在NVRAM上。

NVRAM是非易失性随机访问存储器，支持断电后仍然保存数据且支持多次擦除重写。

按照生成树协议（STP）IEEE 802.1d协议，首先根据交换机的ID来判断根网桥，值越小，优先级越高。

生成树交换机端口可能处于下列五种状态之一？

1、阻塞（Blocking）：MAC端口不参与帧转发，也不能学习接收帧的MAC地址，仅监听进入的BPDU。

2、监听（Listening）：网桥能够识别根网桥，并且可以区分根端口、指定端口和非指定端口，但不能学习接收帧的地址。

3、学习（Learning）：MAC端口能学习接收帧的MAC地址，但还不能进行转发。

4、转发（Forwarding）：MAC端口可以学习接收帧的源地址，并且可以根据目标地址将其转发到适当的端口。

5、禁用（Disable)

发明型专利保护期为20年；

实用新型和外观设计专利保护期为10年。

保护期自申请日开始计算。