网络层 － 因特网中的网络层（IP控制协议、地址解析）

IP控制协议

 

IP协议只负责传送IP包，无法检测和控制网络中的一些问题，这些工作有Internet的控制协议来完成。

 

ICMP（Internet Control Message Protocol）

（1）IP协议提供的是尽力而为的通信服务。

（2）数据报的丢失、重复延迟、乱序在所难免。

（3）ICMP提供了一种把通信服务中的差错向源站点报告的机制。

 

ICMP报文格式

ICMP数据连同它的头标一起封装在一个IP分组中，但TCP/IP模型的协议分层中，并未把ICMP单列为一层。

0类型；1代码；2~3校验和；4~n数据区

 

ICMP报文主要类型

类型                  类型域              ICMP报文类型

差错报文              3                   目的站点不可达（有许多不同的类型由代码段表明）

                          11                   数据报超时

                          12                   数据报参数错

控制报文             4                     源抑制（用于拥塞控制）

                          5                     重定向

请求/应答报文      8                     回应请求（回应请求和应答一般用于测试网络是否通）

                          0                     回应应答

                         13                     时间截请求（这两个主要用于两主机协作同步时钟）

                         14                     时间截应答

 

ICMP应用举例

（1）ping命令实际上就是用ICMP回应请求和回应应答实现的。使用ping命令，将向目的站点发送一个ICMP回应请求报文（包括一些任选的数据），如目的站点接收到该报文，必须向源站点发回一个ICMP回应应答报文，源站点收到应答报文（且其中的任意数据与发送的相同），则认为目的站点是可达的，否则为不可达。

（2）路由跟踪tracert命令（Unix下为traceroute）。tracert过程是通过ICMP数据报超时报文来得到一张途径路由列表的。源主机向目的主机发送一个IP报文，并设置hop为1，到达第一个路由器时，hop减1，为0，则该路由器回发一个ICMP数据报超时报文，源主机取出路由器的IP地址即为途经的第一个路由器端口地址。接着源主机再向目的主机发第二个IP报文，并设置hop为2，然后再发第3个、第4个IP数据报，……直至到达目的主机。但互联网运行的环境是动态的，每次路径的选择有可能不一致，所以，只有在相对稳定（相对变化较缓慢）的互联网中，tracert才是有意义的。

（3）得到路径中的最小MTU。源主机发送一系列的探测IP数据报，并置DF=1，即不允许分段，如途径某个网络的MTU较小，则路由器将丢弃该数据报并发挥一个ICMP数据报参数错，要求分段，源主机则逐步减小数据报长度，并仍置DF=1，直至某个探测报文成功到达目的主机，即得到路径中的最小MTU。毕竟能数据包能不分段尽量不分段，重组麻烦。

 

地址解析

 

ARP（RFC 1512）（Address Resolution Protocol）

地址解析的作用

（1）协议地址

软件提供的抽象地址，如IP地址，它使整个互联网看成一个网络，但真正的物理网络并不能通过IP地址来定位机器。

（2）物理地址

硬件地址，如MAC地址。

（3）地址解析

协议地址和物理地址之间的转换，如IP地址和MAC地址之间的转换，将IP地址转换为MAC地址。地址解析必须在某一物理网络中进行，一台主机在向同一物理网络上的另一台计算机发送数据时，现作地址解析，然后按物理地址直接发送数据帧。IP地址是虚拟的，到达一个路由器，将IP数据包解封装，得到IP地址，做地址解析，得到MAC地址，封装再发送。

 

地址解析协议ARP

工作原理（以IP网络为例）

（1）一个ARP请求消息是一个数据帧，其中包含发送站点的硬件地址和协议地址，以及目的站点的IP地址，并把此数据帧再本物理网络内广播。

（2）一个ARP应答消息是一个数据帧，其中包含应答站点的硬件地址和协议地址，以及原发送站点的IP地址，并把此数据帧发送给原发送站点。

（3）静态：每个站点都有一张表。集中：ATM网络这张表由一个服务器负责。分布式：Internet用，每一台机器都保存自己的IP地址和MAC地址，查找时通过广播。

（4）站点W有数据发送给目的站点Y，但目前尚不知道站点Y的MAC地址，无法组成数据帧。ARP的询问报文中包含目的站点Y的IP地址，ARP的应答报文中包含目的站点Y的MAC地址。

 

ARP消息在以太网中，直接封装在物理帧中发送。ARP消息帧的类型值为0X806。

 

暂存ARP应答和处理接收的ARP消息

（1）ARP应答暂存于Cache或内存中，以后即可查表，不必再发询问报文，以减少网络的通信量。

（2）从消息中取出发送方的协议地址和硬件地址，更新cache中已有信息。

（3）检查消息时请求还是应答，若是应答，则接收；若是请求，检查是否为发送给本站的，如是，则发应答消息。

 

RARP、BOOTP和DHCP

这三个协议将MAC地址转换为IP地址，常用在无盘工作站中。无盘工作站没有磁盘，不能存储TCP/IP的配置文件，因此必须有协议实现MAC地址转换为IP地址。

 

RARP（RFC 903）（Reverse Address Resolution Protocol）

给出一个以太网地址，找到相应IP地址。

每个子网需要一个RARP服务器，当工作站要得到其IP地址时，将它的以太网地址广播出去，RARP服务器得到此信息，再其配置文件中找到该以太网地址，把对应的IP地址返回该工作站。RARP的消息不能跨路由器，因此每个子网中都必须有一个RARP的服务器。

 

BOOTP（Bootstrap Protocol）

BOOTP时一个高层的程序，它可以渠道RARP服务器得到IP地址、启动文件地址和配置信息。BOOTP协议采用客户/服务器工作方式，需要得到配置信息的一方称为BOOTP客户，提供配置信息的一方称为BOOTP服务器。客户方首先利用局部广播（如果子网中有BOOTP服务器）或全局广播（BOOTP服务器不在同一子网中）的IP地址发送一条请求报文，否则再请求报文中的发送方IP地址部分放入全0，表示客户方需要得到IP地址，BOOTP的服务器用广播地址返回一条包含客户的IP地址及其它启动信息的应答报文。

BOOTP的问题

需要手工配置IP地址和MAC地址的对应表，当一台新的主机加入某一LAN时，它不能立即用BOOTP启动，必须等到管理员赋给它一个IP地址，并把该IP地址和MAC地址的对应关系手工写入BOOTP的配置文件。

 

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）

（1）可以静态或动态为主机分配IP地址。（拨号上网的时候由DHCP服务器动态分配一个IP地址，否则无IP地址）

（2）基于客户/服务器的工作方式。

（3）不需要为每个LAN设置一台DHCP服务器，多个LAN可共享一台DHCP服务器，但每个LAN必须有一台DHCP中继代理，负责转发客户请求。

DHCP工作过程

（1）客户首先广播一条包含它自己的客户编号的报文（DHCP DISCOVER报文），以声明自己的出现。

（2）每个收到客户DHCP DISCOVER的服务器检查用户的配置文件决定时分配一个静止地址或动态地址，如果是要一个动态地址，服务器从“地址池”里选择一个IP地址，如果是要静态地址，服务器从配置文件中取出该客户的静态地址，服务器从配置文件中取出该客户的静态地址，将该地址放在一条DHCP OFFER报文中，送回用户。

（3）客户收到DHCP OFFER报文后，在众多的服务器中选择一个服务器，这通常是根据DHCP OFFER报文中提供的选项来决定。

（4）客户再广播一条DHCP REQUEST报文，之处选择了哪一个服务器，并申请使用该服务器提供的IP地址。

（5）当服务器收到DHCP REQUEST报文，并且该报文之处使用了它提供的地址，则服务器将该地址标记为租用，如如武器收到的报文指出客户接收了另一服务器提供的地址，则将地址退回给“地址池”，如果在一段时间没有收到报文，服务器也将地址退回“地址池”，选中的服务器发送一条应答，报文DHCP ACK。

（6）客户确定该配置信息是否合法，接收了合法的租用后，客户指定一个绑定binding服务器的声明，继续使用该IP地址和选项。