HCIA 学习笔记 Day2：网络层协议与传输层原理

# 一、IP 报头

# 1、网络层的功能：寻址和路由

1）定义 IP 地址，连接不同的网络，选择最佳路径

# 2、IP 数据报报头字段

1）IP 报头有两部分组成：固定部分和可选项部分

2）IP 报头的固定部分 为 20 字节

# 3、数据包分析

使用 科来网络分析工具 抓取 TCP 报文并分析

# 4、TTL 字段验证实验

1）拓扑

基础配置：

<Huawei>undo terminal monitor    // 关闭消息

<Huawei>system-view    // 进入系统视图

[Huawei] sys  R1        // 修改主机名

[R1] int g0/0/0         // 进入接口 g0/0/0

[R1-GigabitEthernet0/0/0] ip  address   192.168.1.254 24     // 配置 IP 地址

[R1-GigabitEthernet0/0/0] int g0/0/1    // 进入接口 g0/0/1

[R1-GigabitEthernet0/0/1] ip  address   192.168.2.254 24   // 配置 IP 地址

实验 1：验证 IP 报头 TTL 值

操作步骤：

1）配置（PC1/PC2/R1）的 IP 地址

2）在 g0/0/0 上开启数据抓包

3）使用 PC1 ping  192.168.2.1--PC2 的 IP 地址

4）在抓包软件上查找：源 IP 为 192.168.1.1   目的 IP：192.168.2.1 的数据包

   验证结果： TTL 值： 128

5）关闭 g0/0/0 口上的抓包软件，然后在 g0/0/1 接口上重新开启抓包软件

6）重复执行：使用 PC1 ping  192.168.2.1--PC2 的 IP 地址

7）重复执行：在抓包软件上查找：源 IP 为 192.168.1.1   目的 IP：192.168.2.1 的数据包

   验证结果： TTL 值： 127

验证结果：数据每经过一台路由器，TTL 值就会减 1

TTL 的作用：预防路由环路

# 5、IP 数据包封装过程

1）拓扑

[Huawei] display interface g0/0/0   // 查看接口详细信息（能查看路由器接口的 MAC 地址）

                              Hardware address is 00e0-fc88-396F__

                              硬件      地址

实验 2：IP 数据包封装流程

操作步骤：

1）配置（PC1/PC2/R1）的 IP 地址

2）在 g0/0/0 上开启数据抓包

3）使用 PC1 ping  192.168.2.1--PC2 的 IP 地址

4）在抓包软件上查找：源 IP 为 192.168.1.1   目的 IP：192.168.2.1 的数据包

   查看源 MAC 地址和目的 MAC 地址

5）关闭 g0/0/0 口上的抓包软件，然后在 g0/0/1 接口上重新开启抓包软件

6）重复执行：使用 PC1 ping  192.168.2.1--PC2 的 IP 地址

7）重复执行：在抓包软件上

查找：源 IP 为 192.168.1.1   目的 IP：192.168.2.1 的数据包

   查看源 MAC 地址和目的 MAC 地址

验证结果：在跨网段数据转发过程中，IP 地址一直不变， MAC 地址一直在变（每经过一个网关就变化）

# 6、抓包字段分析

# 二、IPv4 地址和子网掩码

# 1、IPv4 地址概述

• IP 地址：互联网协议地址

• 作用：在网络中唯一标识一台设备的一组数字

• 组成：网络位和主机位

• 长度：32 个二进制位（bit）=4 个字节

• 表示方法：点分十进制

# 2、IPv4 地址的分类

1）A 类范围：0~127

特点：第一个 bit 固定为 0
前面 8 个 bit 最小值：00000000 =0
前面 8 个 bit 最大值：01111111 =127

2）B 类范围：128~191

特点：前两个 bit 固定为 10
前面 8 个 bit 最小值：10000000 =128
前面 8 个 bit 最大值：10111111 =191

3）C 类范围：192~223

特点：前三个 bit 固定为 110
前面 8 个 bit 最小值： 11000000 =192
前面 8 个 bit 最大值：11011111 =223

4）D 类（组播）范围：224~239

5）E 类（科研或保留）范围：240~255

# 3、子网掩码

• 作用：用来指明一个 IP 地址中那些是网络位，哪些些是主机位

• 子网掩码不能单独存在，它必须结合 IP 地址一起使用。

• 长度：32 个二进制位组成

1）对应 IP 地址网络部分用 1 表示，对应 IP 地址主机部分用 0 表示

2）默认的子网掩码

A 类地址（默认）：255.0.0.0 （1 网络位 3 主机位）

B 类地址（默认）：255.255.0.0 （2 网络位 2 主机位）

C 类地址（默认）：255.255.255.0 （3 网络位 1 主机位）

# 4、私有 IPv4 地址

1）私有 IPv4 地址分类：

A 类私有范围：10.0.0.0~10.255.255.255

B 类私有范围：172.16.0.0~172.31.255.255

C 类私有范围：192.168.0.0~192.168.255.255

D 类范围: 239.0.0.0 ~ 239.255.255.255 (本地组地址 - 类似于组播地址中的 "私有地址")

# 5、特殊的 IP 地址

网络地址：主机位全为 0 的 IP 地址，如：192.168.1.0

广播地址：主机位全为 1 的 IP 地址，如：192.168.1.255

回环地址：127.0.0.0 ~ 127.255.255.255

被限制的广播地址：255.255.255.255（被限制在一个网段中）

0.0.0.0 : 未分配的 IP 地址，在很多协议中通常用来表示本机

默认路由：0.0.0.0 0.0.0.0 （代表所有的 ipv4 地址）

# 6、可用地址

CIDR ：无类别域间路由（Classless Inter-Domain Routing）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。

CIDR 使用 “斜线记法” 或者叫 "CIDR 记法"，即在 IPV4 地址后面加上斜线 / ，在斜线后面写网络前缀所占的比特数。

举例： 192.168.1.0/24 ，掩码为 24 ，就代表网络位是 24 个 bit 位，所以主机位：32-24=8 位

一个掩码为 n（x.x.x.x/n）的网段下有（ 2^32-n）个 IP 地址，（2^32-n-2）个可用 IP 地址。

第一个 IP 地址： 192.168.1.0 是网络 ID，代表一个网段不能分配给主机使用

最后一个 IP 地址，192.168.1.255 是广播地址，做广播用的，也不能分配给主机使用

# 三、子网划分

# 1、子网划分概述

1）子网划分是什么

• 子网划分是指将一个大的网段划分多个更小的网段

2）子网划分的作用

• 节约 IPv4 地址，减少 IPv4 地址浪费

3）如何进行子网划分

• 将主机位借给网络位（让主机位变短， 让网络位变长）

# 2、IP 地址知识回顾：

IPv4 地址的长度：32 个 bit 位

IPv4 的组成：网络位 + 主机位

子网掩码长度：32 个 bit 位

C 类的默认子网掩码：255.255.255.0

一个掩码默认为 24 的网段有多少个 IP 地址，有多少个可用 IP 地址如何计算：

举例：192.168.1.0/24

IP 网段： 192.168.1.0

子网掩码：255.255.255.0

以二进制显示：192.168.1.0/24

这个网段有 2⁸=256 个 IP 地址，其中可用 IP 地址 254 个

主机位越短，就代表，这个网段包含的 IP 地址数量越少，想要做子网划分，就从主机位借位，借给网络位，让网络位变长，让主机位变短

# 3、子网划分方法

举例：192.168.1.0/24 要做子网划分

从 / 24 划分到 / 25，借用了 1 位主机位作为子网位，原来的 8 位主机位变为：1 位子网位 + 7 位主机位，可划分出 2 个子网：192.168.1.0/25 和 192.168.1.128/25，每个子网有 128 个 IP 地址，126 个可用 IP 地址

第一个网段：192.168.1.0/25

第二个网段：192.168.1.128/25

如果一个网段要划分 a 个等长的子网网段：网络位要从主机位借 n 位，对应关系是：n = ⌈ log₂ a ⌉，（即 log₂ a 向上取整）

# 4、等长子网划分实验

1）需求：

• 目前公司只有 1 个 C 类网段：192.168.100.0/24

• 某公司有销售部、生成部、财务部、客服部四个部门，每个部门的主机数量不超过 50 台

2）解决方案：执行等长的子网划分

• 划分 4 个相同大小的子网网段
• 每个子网网段中的 IP 地址数量相同

3. 子网划分分析：

公司有 4 个部门，需要划分 4 个网段，每个网段不低于 50 个 IP 地址

解析：

• 一个 C 类网段，默认网络位 24 位，主机位为 8 位，如果想一个 C 类网段要划分 4 个子网网段：网络位需要从主机位借 2 位，做子网网络位，即掩码变为 / 26

• 一个 C 类网段，默认网络位 24 位，主机位为 8 位，如果借 2 位，网络位为 26 位，那么主机位为 6 位，主机数量 = 2⁶-2=62，可以满足公司需求

# 四、ICMP 协议

# 1、ICMP 协议概述

• ICMP： Internet 控制报文协议 (Internet Control Message Protocol)

• 作用：测试网络连通性

• 位于 TCP/IP 的第三层（网络层）

# 2、ICMP 报文类型

echo request 请求报文

echo reply 应答报文

# 3、ICMP 命令

• ping 命令

• tracert 命令

# 4、ICMP 消息提示

1）from 目标地址...// 表示连接成功

2）Destination host unreachable // 表示目标主机不可达

此提示常见原因：

• 同网段中没有这个 IP 地址

• 跨网段通信时，本主机没有填写网关地址

3） Request timed out 请求时间超时

此提示常见原因：数据包可以出去，但是回不来

• 数据包从主机中发出去了，但是中间传输的网络设备无法找到目标主机

• 数据包从主机中发出去了，传输的网络设备将数据包发送给目标主机了，但是目标主机没有回复，或者目标主机回复的消息，中间的传输设备没能正常转发给源主机

• 对方主机没有填写网关地址

4） Unknown host ... 未知主机名

此提示常见原因：IP 地址是一个不合法的 IP 地址，或者是一个不存在的主机名

# 五、ARP 协议

# 1、ARP 协议概述

• ARP：地址解析协议 (Address Resolution Protocol)

• 作用：已知目标设备的 IP 地址，获取目标设备的 MAC 地址

• 解析方式：发送 arp 广播，得到 mac 地址后，缓存到 arp 缓存表中

• 工作在 OSI 模型的第二层 (数据链路层)

# 2、ARP 报文类型

• ARP 请求报文：源设备以广播的方式发送 ARP 请求报文

• ARP 回应报文：目的设备以单播的方式回应，直接返回给源设备

3、ARP 抓包

1）拓扑

2）抓包截图

1) 请求报文解析 (request): PC1 广播发的 ARP 请求报文

原始报文内容：谁是 192.168.1.2，把你的 MAC 地址告诉 192.168.1.1

2) 应答报文解析：(reply)—PC2 回复给 PC1 的报文

原始报文内容：192.168.1.2 的 MAC 地址是 54:89:98:ef:68:d9

# 3、ARP 常用命令

PC>arp -a  // 查看 arp 缓存表

Internet Address    Physical Address    Type

192.168.1.2         54-89-98-EF-68-D9   dynamic (动态)

 PC>arp -d   // 清空 arp 缓存表

# 4、ARP 缓存表

• ARP 缓存表中记录 IP 地址和 MAC 地址的对应关系

• ARP 缓存表中有动态和静态两类条目

• 华为网络设备的 ARP 动态条目默认老化时间是 1200 秒

• windows 系统的 ARP 动态条目默认老化时间是 120 秒

# 5、ARP 在跨网段通信的作用

在拓扑中，如果 PC1 需要 ping PC2，大概会经历以下步骤：

第一步：路由判断与 ARP 解析

• PC1 通过子网掩码计算，判定目标 IP 192.168.2.1 与本地网络 192.168.1.0/24 不属于同一网段，即跨网段通信

• PC1 查询 ARP 缓存，若不存在网关 MAC 地址，则发送 ARP 请求广播帧：

二层头：源 MAC 54-89-98-F1-2D-29，目的 MAC FF-FF-FF-FF-FF-FF

第二步：PC1 发送 ICMP 请求

• PC1 构造 ICMP Echo Request 报文，报文通过交换机转发至路由器 R1 的 G0/0/0 接口

IP 头：源 IP 192.168.1.1，目的 IP 192.168.2.1

以太网头：源 MAC 54-89-98-F1-2D-29，目的 MAC 00-e0-fc-d4-74-92（网关 G0/0/0 接口）

第三步：路由器路由查询与 ARP 解析

• R1 收到报文，解封装后查询路由表，确定 192.168.2.0/24 为直连路由，出口为 G0/0/1 接口

• R1 查询 G0/0/1 接口的 ARP 缓存，若不存在 PC2 的 MAC 地址，则从 G0/0/1 接口发送 ARP 请求：

二层头：源 MAC 00-e0-fc-d4-74-93，目的 MAC FF-FF-FF-FF-FF-FF

第四步：路由器转发 ICMP 请求

• R1 对报文进行三层转发，重新封装二层帧头，报文从 G0/0/1 接口发出，送达 PC2

IP 头：保持不变（源 192.168.1.1，目的 192.168.2.1）

以太网头：源 MAC 00-e0-fc-d4-74-93（R1 G0/0/1），目的 MAC 54-89-98-B2-2F-14（PC2）

第五步：PC2 回复 ICMP 响应

• PC2 构造 ICMP Echo Reply 报文，判断目标 IP 192.168.1.1 为跨网段通信：

IP 头：源 IP 192.168.2.1，目的 IP 192.168.1.1

以太网头：源 MAC 54-89-98-B2-2F-14，目的 MAC 00-e0-fc-d4-74-93（网关 G0/0/1 接口）

第六步：路由器转发 ICMP 响应

• R1 收到回复报文，路由查询确定 192.168.1.0/24 出口为 G0/0/0 接口

• R1 重新封装二层帧头，报文从 G0/0/0 接口发出，最终送达 PC1

IP 头：保持不变（源 192.168.2.1，目的 192.168.1.1）

以太网头：源 MAC 00-e0-fc-d4-74-92（R1 G0/0/0），目的 MAC 54-89-98-F1-2D-29（PC1）

注意：在跨网段通信中，源 IP 和目的 IP 在整个过程中是不变的，而源 MAC 和目的 MAC 每一段链路都会改变。

# 六、传输层

# 1、传输层概述

传输层作用：提供端到端的连接【端口号】

传输层包含两个协议：TCP 和 UDP

1）TCP 协议

传输控制协议

优点：可靠的、面向连接的协议

不足：传输效率低

2）UDP 协议

用户数据包协议

不足：不可靠的、无连接的服务

优点：传输效率高

# 2、TCP 封装格式

# 3、TCP 报头字段分析

注意：TCP 字段中有确认号（Acknowledgment Number）和确认位（Acknowledgment），确认位属于 FLAG，占 1bit，而确认号占 32bit，具体数值会由 TCP 通信中的 seq 变化而变化，下有详细介绍。

# 4、TCP 三次握手详解

握手过程关键字段

• SYN (Synchronize)：同步标志位，用于发起连接请求

• ACK (Acknowledgment)：确认标志位，用于确认连接请求

• seq (Sequence Number)：序列号，标识报文段第一个数据字节的序号

• ack (Acknowledgment Number)：确认号，期望收到的下一个字节序号

第一次握手：
客户端向服务器发送连接请求报文

• 客户端 SYN=1，表示请求与服务器建立连接
• 客户端 ACK=0，初始状态未进行确认
• 客户端 seq=x（客户端初始序列号 ISN，随机生成）
• 客户端 ack=0，初始状态确认号为 0

第二次握手：
服务器向客户端回复确认报文

• 服务器 SYN=1，表示同意建立连接并同时向客户端发起连接请求
• 服务器 ACK=1，表示确认客户端的连接请求
• 服务器 seq=y（y 为服务器初始序列号 ISN，随机生成）
• 服务器 ack=x+1，表示已收到客户端的序列号 x，期望下次从 x+1 开始

第三次握手：
客户端向服务器发送最终确认报文

• 客户端 SYN=0，连接已建立，无需再置 SYN 标志
• 客户端 ACK=1，表示确认服务器的连接请求
• 客户端 seq=x+1，按约定从 x+1 开始
• 客户端 ack=y+1，表示已收到服务器的序列号 y，期望下次从 y+1 开始

# 5、三次握手抓包实验

1）拓扑

2）数据包

第一次握手：

第二次握手：

第三次握手：

# 6、TCP 的四次挥手详解

挥手过程关键字段

• FIN (Finish)：终止标志位，用于请求断开连接
• ACK (Acknowledgment)：确认标志位，用于确认断开请求
• seq (Sequence Number)：序列号，标识报文段序号
• ack (Acknowledgment Number)：确认号，期望收到的下一个字节序号

第一次挥手：
主动关闭方发送连接终止请求

• 主动关闭方 FIN=1，表示请求断开连接
• 主动关闭方 ACK=1，正常确认位
• 主动关闭方 seq=u（u 为当前序列号）
• 主动关闭方 ack=v（v 为期望收到的确认号）

第二次挥手：
被动关闭方发送确认报文

• 被动关闭方 FIN=0，此时还未准备断开
• 被动关闭方 ACK=1，确认收到断开请求
• 被动关闭方 seq=v（按之前通信的序列号继续）
• 被动关闭方 ack=u+1，确认主动方的 FIN，期望下次从 u+1 开始

第三次挥手：
被动关闭方发送连接终止请求

• 被动关闭方 FIN=1，表示被动方也准备断开连接
• 被动关闭方 ACK=1，确认位保持置位
• 被动关闭方 seq=w（可能在此期间发送了数据，序列号更新为 w）
• 被动关闭方 ack=u+1，继续确认主动方的 FIN

第四次挥手：
主动关闭方发送最终确认报文

• 主动关闭方 FIN=0，无需再发送 FIN
• 主动关闭方 ACK=1，确认被动方的断开请求
• 主动关闭方 seq=u+1，按约定序列号
• 主动关闭方 ack=w+1，确认被动方的 FIN，期望下次从 w+1 开始

为什么需要四次挥手：TCP 连接是全双工的，每个方向需要单独关闭

# 7、四次挥手抓包实验

1）拓扑

2）数据包

第一次挥手

第二次挥手

第三次挥手

第四次挥手

# 8、UDP 封装格式

1）源端口：源端口和 IP 地址的作用是标识报文的返回地址

2）目的端口：目标端口指明接收方计算机上的应用程序接口

3）UDP 长度：代表整个 UDP 的数据报是多大

4）UDP 校验和：是一个检查机制，在发送数据包之前检查一下数据包的完整性