网络层理解

网络层理解

网络层是 OSI 模型的第三层，主要负责 跨网络的数据传输，核心任务是 路由选择 和 分组转发。

网络层核心功能

网络层关键协议

协议	作用	示例
IP (IPv4/IPv6)	数据包路由和寻址	192.168.1.1
ICMP	网络状态检测和错误报告	ping、traceroute
OSPF/BGP	动态路由选择	互联网 AS 自治系统
ARP	IP → MAC 地址解析	局域网通信
IPSec	安全加密传输	VPN

数据包（Packet）结构

网络层数据包主要分成首部和数据组成

网络层数据包图示

网络层头部图示

数据包各组成部分说明

• 版本号（Version）

  • 表示协议版本。IPv4包中这个字段占4位，IPv6包中也是如此。
  • 示例：IPv4为4，IPv6为6。

• 首部长度（Header Length）

  • 表示IP头部的长度，单位为32位字。IPv4头部通常是20字节，若有选项则可能更长。

• 服务类型（Type of Service, ToS）

  • 也称为“优先级字段”，包含网络层的数据包优先级信息，例如延迟、吞吐量、可靠性等。

• 总长度（Total Length）

  • 指整个数据包的大小（包括数据和头部），单位为字节。IPv4数据包最大可达65535字节。

• 标识符（Identification）

  • 用于唯一标识一个分段的包，在数据包被分割时，用于数据包的重组。

属性	说明
长度	16比特（取值范围：0~65535）
生成规则	由发送方主机按顺序分配，通常每发送一个IP包递增1
复用时机	当标识符计数达到65535后归零
关键要求	同一数据包的所有分片必须相同，不同数据包的标识符必须不同

• 标志（Flags）
  • 该字段控制是否可以对数据包进行分片。3位字段，标志位中最重要的是“分片标志”和“更多分片”标志。
    

标志位	名称	功能
DF	Don’t Fragment	- 1：禁止分片（若需分片则丢弃并返回ICMP错误） - 0：允许分片
MF	More Fragments	- 1：后续还有分片 - 0：当前是最后一个分片

• 片偏移（Fragment Offset）

  • 在数据包被分片时，表示数据片段相对于原始数据包的偏移量。

  • 核心规则

    • 单位：8字节（因此实际字节偏移量 = 片偏移值 × 8）

    • 计算式：片偏移 = ⌊当前分片起始字节位置 / 8⌋

    • 最大值：13比特 → 最大偏移值=8191 → 可表示最大原始包长度=65528字节（含IP头）

  • 分片重组验证
    

• 生存时间（Time to Live, TTL）

  • TTL 的定义

    • 全称：Time to Live（生存时间）

    • 位置：IPv4 头部中的 8位字段（取值范围：0~255）

    • 单位：跳数（Hops），每经过一个路由器减1

    • 初始值：通常由操作系统设置（Windows=128，Linux=64，网络设备=255）

  • TTL 的核心用途

    • 防止网络环路
      • 当路由表错误导致环路时，TTL 归零后数据包被丢弃，避免耗尽带宽。
      • 触发机制：
        
        

  • 限制传播范围

    • 控制数据包可穿越的最大路由器数量（如设置TTL=16可限制在本地网络）。

  • 路径发现工具

    • Traceroute 原理：

      • 发送TTL=1的探测包，第一个路由器返回ICMP超时

      • 逐步增加TTL值，记录沿途路由器IP

      	示例：Hop 1: 192.168.1.1 (TTL=1)Hop 2: 10.0.0.1   (TTL=2)Hop 3: 203.0.113.45 (TTL=3)
      

      

      • 常用路由追踪工具
        • Windows 下 tracert和pathping
        • Linux下 traceroute，tracepath 和 mtr

  • TTL的工作流程
    

  • 不同协议的TTL特性

协议/设备	默认TTL值	特殊行为
Windows	128	Ping命令可自定义TTL
Linux	64	Traceroute使用UDP+ICMP
路由器	255	通常不修改经过包的TTL
IPv6	Hop Limit	功能等同TTL但字段名不同

• 协议（Protocol）

  • 指示数据包的上层协议，如TCP、UDP等。IPv4头部中该字段为8位。
  • 常见协议类型及编号

  协议编号（十进制）	协议名称	用途	典型应用
  1	ICMP	网络诊断和错误报告	ping、traceroute
  2	IGMP	组播管理	视频会议、IPTV
  6	TCP	可靠面向连接传输	HTTP、SSH、FTP
  17	UDP	无连接高效传输	DNS、DHCP、QUIC
  41	IPv6封装	IPv6 over IPv4隧道	6to4隧道
  47	GRE	通用路由封装	VPN、SD-WAN
  50	ESP	IPsec 加密负载	VPN安全传输
  51	AH	IPsec 认证头	数据完整性验证
  89	OSPF	动态路由协议	企业内网路由

• 头部校验和（Header Checksum）

  • 用于校验IP头部是否损坏。它是一个16位的字段，用于对头部数据进行错误检测。

• 源IP地址（Source IP Address）

  • 数据包的发送端IP地址。它是32位（IPv4）或128位（IPv6）。

• 目的IP地址（Destination IP Address）

  • 数据包的接收端IP地址。它是32位（IPv4）或128位（IPv6）。

• 选项（Options）

  • 这个部分是可选的，在标准IP数据包中可能没有。它包含一些用于调试、控制的扩展信息（例如时间戳、路由记录等）。

• 数据（Data）

  • 数据部分（也叫有效载荷或Payload），存放应用层传输的数据，通常由TCP/UDP协议提供的段构成。

片偏移讲解和图示

片偏移（Fragment Offset）是IP协议中分片数据包的一部分，它用于指示分片数据包中数据的相对位置。简而言之，当一个大的IP数据包被分片传输时，每个分片的数据部分都包含一个偏移量，告诉接收端该分片在整个数据包中的位置。

分片和片偏移

在IP协议中，当数据包过大时（超过了最大传输单元 MTU，通常是1500字节），它需要被分割成多个较小的数据包，这个过程叫做分片。每个分片都会有一个“片偏移”字段，用来表示该分片在整个原始数据包中的相对位置。

片偏移的作用

• 片偏移表示当前分片中数据相对于原始数据包的起始位置的偏移量，以8字节为单位。
• 例如，如果一个数据包被分成4个分片，每个分片的偏移量就告诉接收端数据应该如何重组。

举个例子

假设有一个大数据包，其大小为4000字节，我们需要将其分成4个分片来传输。每个分片的大小为1000字节（假设1500字节的MTU，去掉了头部20字节）。每个分片都会有一个偏移量，表示它的数据在整个原始数据包中的位置。

分片过程：

• 分片1：

  • 数据：从第0字节开始，大小1000字节
  • 偏移：0（表示这个分片的数据从原始数据包的0字节开始）

• 分片2：

  • 数据：从第1000字节开始，大小1000字节
  • 偏移：125（表示该分片的数据从原始数据包的1000字节处开始，1000 ÷ 8 = 125）

• 分片3：

  • 数据：从第2000字节开始，大小1000字节
  • 偏移：250（表示该分片的数据从原始数据包的2000字节处开始，2000 ÷ 8 = 250）

• 分片4：

  • 数据：从第3000字节开始，大小1000字节
  • 偏移：375（表示该分片的数据从原始数据包的3000字节处开始，3000 ÷ 8 = 375）

偏移字段的计算

片偏移是以8字节为单位的。例如，第一个分片的偏移是0，第二个分片的偏移是1000 ÷ 8 = 125，以此类推。

图示说明

关键说明

• 片偏移计算

  • 分片2的起始字节为 1000，片偏移 = 1000 / 8 = 125

  • 分片3的起始字节为 2000，片偏移 = 2000 / 8 = 250

  • 分片4的起始字节为 3000，片偏移 = 3000 / 8 = 375

• MF标志

  • 前3个分片的 MF=1（More Fragments），表示后续还有分片

  • 最后一个分片的 MF=0，表示结束

• 单位一致性

  • 所有偏移量以 8字节 为单位（RFC 791规定）

  • 因此数据长度必须是 8的倍数（若不足会填充）

Wireshare抓包验证

• 发送大数据

使用命令行工具，比如ping（通过设置大的数据包大小）来生成分片包

ping -s 4000 <目标IP>

这将发送一个4000字节的数据包，超过MTU限制，触发IP层分片。

• 过滤分片数据包

  使用Wireshark的过滤器来仅显示分片数据包。在Wireshark的过滤框中，输入以下过滤表达式：

  ip.flags.mf == 1 || ip.frag_offset > 0
  

  • ip.flags.mf == 1：显示“更多分片”标志设置为1的分片，意味着这不是最后一个分片。
  • ip.frag_offset > 0：显示偏移量大于0的分片，表示这是非第一个分片。

在wireshare中最后一个偏移片重组数据

Wireshare 截图翻译理解

Internet Protocol Version 4, Src: 10.0.0.201, Dst: 10.0.0.1
┌──────────────────────┬──────────────────────────────────────────────┐
| 字段                 | 说明                                         |
├──────────────────────┼──────────────────────────────────────────────┤
| 0100 ....            | 版本号: IPv4 (二进制0100)                    |
| .... 0101            | 头部长度: 5×4=20字节 (标准IPv4头部)          |
| Differentiated       | 区分服务字段: 0x00 (默认无QoS优先级)         |
|  0000 00..           | DSCP: CS0 (普通流量)                         |
|  .... ..00           | ECN: 不支持拥塞通知                          |
| Total Length         | 总长度: 1500字节 (含IP头和数据)              |
| Identification       | 标识符: 0xeb60 (60256)                       |
| Flags                | 分片标志: 0x1 (更多分片)                     |
|  0... ....           | 保留位: 未设置                               |
|  .0.. ....           | DF=0 (允许分片)                              |
|  ..1. ....           | MF=1 (后续还有分片)                          |
| Fragment Offset      | 片偏移: 0 (当前是第一个分片)                |
| Time to Live         | 生存时间: 64 (每经过路由减1)                 |
| Protocol             | 协议类型: ICMP (1)                           |
| Header Checksum      | 头部校验和: 0x54f7 (校验未启用)              |
| Source Address       | 源IP: 10.0.0.201                             |
| Destination Address  | 目的IP: 10.0.0.1                            |
| [Reassembled IPv4...]| 该分片属于帧59的IPv4重组数据                |
| [Stream index: 0]    | 数据流索引: 0                               |
└──────────────────────┴──────────────────────────────────────────────┘