计算机网络——网络层协议分析
网络层——IPv4 协议
IPv4 概述
IPv4（Internet Protocol version 4）是第四版互联网协议，也是目前互联网中使用最广泛的网络层协议，用于为设备分配唯一的 IP 地址，实现网络中设备之间的通信。
主要特点
地址格式：32 位二进制表示，通常写作点分十进制，例如：
192.168.1.1地址数量：理论上支持约 42 亿个地址（$2^{32}=4294967296$）
组成部分：
网络号：标识网络
主机号：标识网络中的设备
子网划分：通过子网掩码划分网络和主机部分
IP地址：192.168.0.1
子网掩码：255.255.255.0 #CIDR格式 /24
无分类地址类型
公网地址：用于互联网通信
私有地址：用于局域网，如：
特殊地址：
127.0.0.1（本地回环）0.0.0.0（表示任意地址）255.255.255.255（广播）
IPv4 分类
[!tip]
IPv4 分类是已经淘汰的分类，和局域网没有任何关系。
现在的网络不再采用分类，均为 IP 地址 + 子网掩码。
公网 IP
公网 IP 均是由 ICANN 组织的 IANA 机构进行分配的。(查看)
头部格式
网络层——IPv6 协议
IPv6 概述
IPv6（Internet Protocol version 6）是为解决 IPv4 地址耗尽问题设计的下一代网络层协议，使用 128 位地址，支持几乎无限的地址空间。
主要特点
地址格式：128 位，写作 8 组 16 位十六进制数，用冒号分隔（如
2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001），可省略前导零或连续全零段。地址数量：$2^{128}$，约 340 万亿亿亿个地址。
优势：
更大的地址空间。
自动配置（无状态地址自动配置，SLAAC）。
更好的路由效率和安全性（内置 IPSec 支持）。
IPv6 网段
[!note]
/20是 IPv6 地址的网络前缀，表示前 20 位固定，后 108 位可自由分配。
IPv4 的 CIDR 表示法（如
192.168.1.0/24）与 IPv6 的/20概念相同，但 IPv6 的前缀长度通常更小（即地址块更大）。
国内运营商 IPv6
浏览器访问 IPv6
格式：将 IPv6 地址用
[]括起来，后接端口（如有）。http://[2404:6800:4005:80c::200e]/部分网站（如百度、京东等）已支持 IPv6，直接输入域名即可，浏览器会自动选择 IPv6 或 IPv4。
NAT 网络地址转换协议
概述
NAT（Network Address Translation）是一种将私有 IP 地址转换为公网 IP 地址的技术，用于缓解 IPv4 地址短缺问题。
功能
将私有 IP 地址（如
192.168.1.10）映射到公网 IP 地址（如203.0.113.1）。允许多台设备共享一个公网 IP。
类型
静态 NAT：一对一固定映射。
动态 NAT：从公网 IP 池中动态分配。
PAT（端口地址转换）：多台设备通过不同端口共享一个公网 IP（也称 NAPT）。
应用场景
家庭/企业网络连接互联网。
隐藏内部网络结构，增强安全性。
NAT 转换
NAPT 网络地址转换协议
概述
NAPT（Network Address Port Translation）是 NAT 的一种形式，允许多个私有 IP 通过端口号复用一个公网 IP。
工作原理：
路由器维护一张 NAT 表，记录私有 IP: 端口到公网 IP: 端口的映射。
例如：
192.168.1.10:12345映射到203.0.113.1:54321。
优劣
优势：
最大化公网 IP 利用率。
支持大规模设备接入。
局限性：
可能影响某些需要固定端口的协议（如 P2P 应用）。
端口号耗尽可能导致连接失败。
NAPT 转换
网络层——ICMP 协议
[!tip]
关闭 TUN（虚拟网卡模式），否则在用 Wireshark 抓包时，会抓取到虚拟的 IP。
ICMP 概述
ICMP（Internet Control Message Protocol）是网络层协议，用于诊断和错误报告，常用于网络故障排查。
功能：
错误报告：如目标不可达、超时。
诊断：如 Ping（回显请求/响应）、Traceroute（跟踪路由）。
常见消息类型：
高低地址与大小端
高低地址：
低地址：内存中较小的地址值（如
0x1000）。高地址：内存中较大的地址值（如
0x1001）。网络协议（如 ICMP）通常使用大端序，确保跨平台一致性。
大小端（Big-Endian vs Little-Endian）：
大端序（BE）：高位字节存储在低地址（如网络字节序，TCP/IP 使用）。
小端序（LE）：低位字节存储在低地址（如大多数现代 CPU）。
示例：数值
0x1234在内存中：大端：
12 34小端：
34 12
ICMP 抓包示例
使用 Wireshark 捕获 Ping 数据包：
输入过滤规则
icmp。运行
ping命令，观察 ICMP 回显请求/应答包。
网络层——ARP 协议
ARP 概述
ARP（Address Resolution Protocol）用于将 IP 地址解析为 MAC 地址，适用于局域网通信。
工作原理：
设备发送 ARP 请求（广播），询问目标 IP 的 MAC 地址。
目标设备响应其 MAC 地址。
发送方缓存 IP-MAC 映射，存储在 ARP 缓存表中，第二次访问，默认不再通过广播询问 mac 地址。
ARP 缓存：
存储 IP 与 MAC 地址的映射，减少重复请求。
查看/管理命令：
arp -a #查看ARP缓存表 arp -d #清除ARP缓存表，需管理员
抓包 ARP
[!note]
target mac address是00:00:00，表明是广播包。
打开 Wireshark，设置过滤规则
arp。以管理员权限运行
arp -d清空缓存。计算机立即广播 ARP 请求，Wireshark 捕获请求/响应包，显示 IP-MAC 映射。
ARP 欺骗攻击
ARP（Address Resolution Protocol）用于将 IP 地址解析为 MAC 地址。ARP 欺骗 是一种网络攻击手段，攻击者通过伪造 ARP 响应包，欺骗目标设备将错误的 MAC 地址与 IP 地址绑定，从而劫持或监听流量。
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