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（
） 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：
类别 IP 地址范围 最大主机数 私有 IP 地址范围 A 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255 16777214 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 B 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 65534 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 C 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 254 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 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。
| 类别 | IP 地址范围 | 最大主机数 / 用途 | 说明 |
|---|---|---|---|
| A | 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255 | 16777214 | 大型网络 |
| B | 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 | 65534 | 中型网络 |
| C | 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 | 254 | 小型网络 |
| D | 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 | 用于多播（Multicast） | 不用于主机分配 |
| E | 240.0.0.0 ~ 255.255.255.255 | 保留地址 | 实验性/预留用途 |
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：
，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）。
| 地址类型 | 前缀范围 | 用途 | 示例 |
|---|---|---|---|
| 全球单播地址 (Global Unicast) | 2000::/3 | 公共互联网（类似 IPv4 的公网 IP），由 IANA 分配给 ISP | 2408:8200::/32（中国联通） |
| 2000::/16~3fff::/16 | 具体分配给各区域（如亚太、欧洲、北美等） | 2001:0db8::/32（文档示例） | |
| 唯一本地地址 (ULA, Unique Local Address) | fc00::/7 | 私有网络（类似 IPv4 的 10.0.0.0/8），不可路由到公网 | fd00:1234:5678::/48 |
| 链路本地地址 (Link-Local) | fe80::/10 | 同一链路内通信（自动配置，无需 DHCP），如局域网内设备通信 | fe80:: 1（本地接口） |
| 多播地址 (Multicast) | ff00::/8 | 一对多通信（如视频会议、服务发现） | ff02:: 1（所有节点） |
| 回环地址 (Loopback) | :: 1/128 | 本地回环测试（类似 IPv4 的 127.0.0.1） | :: 1 |
| 未指定地址 (Unspecified) | ::/128 | 表示 “无地址”（用于初始化或占位） | :: |
| 文档示例地址 (Documentation) | 2001:db8::/32 | 仅用于文档和示例（实际网络中不可用） | 2001:db8:1:1::/64 |
国内运营商 IPv6
| 运营商 | IPv6 地址前缀（典型范围） | 地址类型 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 中国电信 | 240e::/20 | 固定宽带/IDC | 全国统一分配 |
| 240e:100::/28 ~ 240e:7f0::/28 | 移动网络(4G/5G) | 各省可能不同 | |
| 中国移动 | 2409:8000::/20 | 固定宽带/IDC | 全国统一分配 |
| 2409:8000::/24 ~ 2409:8fff::/24 | 移动网络(4G/5G) | 各省可能不同 | |
| 中国联通 | 2408:8000::/20 | 固定宽带/IDC | 全国统一分配 |
| 2408:8000::/24 ~ 2408:8fff::/24 | 移动网络(4G/5G) | 各省可能不同 |
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：
消息类型 内容 种类 0 回送应答 (Echo Reply) 查询 报文类型 3 目标不可达 (Destination Unreachable) 差错 报文类型 4 原点抑制 (Source Quench) 差错 报文类型 5 重定向或改变路由 (Redirect) 差错 报文类型 8 回送请求 (Echo Request) 查询 报文类型 11 超时 (Time Exceeded) 差错 报文类型
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。
- 低地址：内存中较小的地址值（如
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
- 大端：
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。
