计算机网络教程课件 04 IPv4网络层协议

第04章IPv4网络层协议IPv4协议（首部、分片、TTL）ICMP（类型、格式、实战）ARP协议（原理、工作过程、抓包）本章内容4.1IPv4协议IPv4协议定义了实现数据包转发所需要的字段，这些字段称为IP首部。网络中的路由器根据IP首部转发处理数据包。IP协议规定数据包封装格式、地址填写、路由转发规则核心功能：封装数据包、填写源/目标IP、设置TTL、协议号等4.1.1IPv4首部首部组成：固定部分（20字节）+可变选项（0-40字节）4.1.2IPv4首部格式4.1.2IPv4首部格式字段位数核心作用版本4标识IP协议版本（IPv4=4）首部长度4单位4字节，默认20字节（0101）区分服务8保障QoS，优先转发带标志数据包总长度16数据包总长度（最大65535字节）标识/标志/片偏移16/3/13用于数据包分片与重组生存时间（TTL）8限制路由器转发次数协议8指示上层协议（TCP=6、ICMP=1）源/目标IP地址32/32数据包的发送端与接收端地址总长度指IP首部和数据之和的长度，也就是数据包的长度，单位为字节。总长度字段为16位，因此数据包的最大长度为213-1=65535字节以太网帧所能封装的数据包最大1500个字节，这是以太网数据链路层最大传输单元（MaximumTransferUnit，MTU）。最大传输单元3820字节，其数据部分为3800字节长（使用固定首部），需要分片为长度不超过1420字节的数据包片。因固定首部长度为20字节，因此每个数据包片的数据部分长度不能超过1400字节。于是分为3个数据包片，其数据部分的长度分别为1400，1400和1000字节。原始数据包首部被复制为各数据包片的首部，但必须修改有关字段的值。分片中的片偏移同一个数据包的分配标识一样协议字段指出此数据包携带的数据是使用何种协议，以便使目的主机的网络层知道应将数据部分上交给哪个处理过程。协议字段防止数据包无限循环转发，每经1个路由器TTL减1，为0则丢弃不同操作系统默认TTL4.1.3数据包TTL详解操作系统默认TTL值WindowsNT/2000/XP/7/10128WindowsServer2008-2019128Linux64UNIX及类UNIX系统255ping看到的TTLC:\Users\han>ping-i1来自54的回复:TTL传输中过期。C:\Users\han>ping-i2来自50的回复:TTL传输中过期。4.1.4实战：指定ping命令发送数据包的TTL值C:\Users\dell>tracert-d08通过最多30个跃点跟踪到08的路由

11ms<1毫秒<1毫秒5427ms5ms7ms503*5ms5msTracert跟踪数据包路径的原理4.2ICMPICMP报文封装在IP数据报中，其基本结构包括：类型（Type）：8位，标识报文类型（如请求、应答、错误等）。代码（Code）：8位，进一步细分同类型报文的具体场景。校验和（Checksum）：16位，用于校验报文完整性。数据部分：根据报文类型不同，包含不同内容（如IP头部、原始数据片段等）。4.2.1ICMP报文类型ICMP报文类型报文类型类型值代码描述请求报文80请求回显报文响应报文00回显应答报文差错报告报文3（终点不可到达）0网络不可到达1主机不可到达2协议不可到达3端口不可到达4需要进行分片但设置了不分片13由于路由过滤，通信被禁止4（源点抑制）0源端被关闭5（改变路由）0对网络重定向1对主机重定向11（时间超时）0生存时间（TTL）为012（参数问题）0坏的IP首部1缺少必要的选项ICMP报文格式,ICMP报文的前4个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着4个字节的内容与ICMP的类型有关。4.2.2ICMP报文格式ICMP差错报告报文的数据字段的内容Ping命令就能够给产生一个ICMP请求报文发送给目标地址，用来测试网络是否畅通，如果目标计算机收到ICMP请求报文，就会返回ICMP响应报文。4.2.3实战：抓包查看ICMP报文格式请求报文类型值为8，报文代码为0

ICMP请求报文ICMP响应报文，类型值为0，报文代码为0

ICMP响应报文4.2.4实战：捕获ICMP差错报告报文--TTL过期4.3ARP地址解析协议（AddressResolutionProtocol，ARP）是IPv4中必不可少的一种协议，它的主要功能是将IP地址解析为MAC地址，维护IP地址与MAC地址的映射关系的缓存，即ARP表项，实现网段内重复IP地址的检测。以太网以太网就是一种广播式数据链路层协议，支持多点接入。交换机组建的网络就是典型的以太网，计算机的网卡遵循的就是以太网标准。在以太网中，每个计算机网卡和网络设备接口（比如路由器接口和三层交换机的虚拟接口）都有一个MAC地址。MAC地址MAC地址也叫物理地址、硬件地址，由网络设备制造商生产时烧录在网卡（NetworklnterfaceCard，NC）的闪存芯片中。MAC地址在计算机里都是以二进制表示的，由48位二进制组成。以太网中的计算机通信必须指明目标MAC地址和源MAC地址。4.3.1以太网和MAC地址在Windows系统上查看计算机网卡的MAC地址输入“ipconfig/all”C:\Users\hanlg>ipconfig/allWindowsIP配置

连接特定的DNS后缀....... :lan描述............... :Intel(R)DualBandWireless-AC3165物理地址............. :00-DB-DF-F9-D3-51本地链接IPv6地址........ :fe80::65d6:9e31:63a0:9dd1%11(首选)IPv4地址............ :61(首选)

子网掩码............ :查看网卡MAC地址ARP实现IP地址→MAC地址的映射局域网内通信需MAC地址，ARP维护ARP缓存表（180秒有效期）网络设备一般有一个ARP缓存（ARPCache）。ARP缓存用来存放IP地址和MAC地址的关联信息。在Windows系统命令行输入arp-a可以查看arp缓存。C:\Users\hanlg>arp-a接口:11---0x7Internet地址

物理地址

类型00-50-56-ee-48-75动态100-50-56-c0-00-08动态900-0c-29-8f-f1-16动态300-0c-29-ea-a7-a4动态查看缓存的MAC地址ARP的工作过程，计算机A发送ARP请求报文，请求解析0的目标MAC地址，因为计算机A不知道0的目标MAC地址，所以该请求将目标MAC地址写成广播地址，即FF-FF-FF-FF-FF-FF，交换机收到后会将该请求转发到全部端口。4.3.2ARP工作过程ARP请求ARP响应同一网