IP层相关协议

IP

1、IP是TCP/IP协议族中最核心的协议。基本上很多协议（TCP/UDP/ICMP/IGMP）的数据都依靠IP数据报格式传输。IP包在网络中传输过程中源IP和目的IP始终不变（如果使用源路由选项则要变），但是MAC层的地址会变。
IP是不可靠、无连接的数据传输服务。

• 不可靠，即不能保证IP数据报能成功到达目的地，IP只提供最好的传输服务（尽力而为），
  当IP数据包传输错误时，会有一个简单的错误处理算法–ICMP发送回来。
• 无连接，IP每个数据报的处理都是独立的，IP数据报的发送数据也可以是无序的。

2、IP数据报格式如下

从中选取个别字段记录:

• 版本，一般就是IPV4和IPV6
• 首部长度，最大就是15*4=60字节。由于IP首部固定20字节，因此后面留给选项和选项对应数据的最多40字（介绍选项）。
• 服务类型（TOS），用于质量服务（QOS）,前3bit是优先权字段，后面4bit分别是最小延迟、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用，最后一bit必须为0(无意义）
• 总长度，2^16=65535字节。
• 标识，用于ip包的id标识，每发一个包id自动++，被分片后的id不变，方便接收端把同一个id的分片包组合起来。
• 标识。
  第一个是DF位：决定要不要分片；如果是1，那么就告诉路由器不要分片，直接丢包，并返回应该ICMP报文告诉我是哪台路由器丢的包。
  第二位是MF位：（more frame）是用来判断后面还有没有分片；1-说明该包后面还有分片包，0-当前包已经是最后一个分片包。
• 偏移量，标记分片的数据位置
• 生存时间(TTL)，每经过一个路由器就–，减到0就说明不可达（主要用于traceroute，通过发送TTL递增的探测包，逐跳发现路径上的路由器。）
• 协议，上一层用的什么协议。（1-ICMP;6-TCP;17-UDP）
• 首部校验和，用于校验首部数据有没有被破坏。
• 选项。拓展选项
  记录几个选项
  记录路径
  时间戳
  宽松的源站路由
  严格的源站路由
• 数据部分。一般不能成功MTU，超过的IP包需要分片。

3、特殊IP

• 0.0.0.0 没有IP向DHCP服务器申请IP的请求包中的原地址介绍全0
• 广播地址（略
• 环回地址（略

4、IP源站选路的操作机制
严格源站路由：目的IP地址必须直连；宽松的源站路由则不用。
数据报根据指定的IP传输列表进行传递（需要提前知道网络的拓扑结构）

5、IP分片
在IP分片后，每一片都是独立的，因此在传输时会走不同的路由路径，最终倒数到达目的地时会失序，但是由于IP首部有分片信息让接收到根据这些信息正确组装数据报分片。如果在传输过程在一个包的某一个分片未能正确
到达目的地，那么只能把其它分片全部丢弃然后重传整个数据报

ARP

1、ARP时位IP地址到硬件地址之间提供动态映射

2、ARP工作原理

• ARP请求（广播）
  当主机A需要与主机B通信（已知B的IP，但未知其MAC）时，
  会先检查ARP缓存主机A先查询本地ARP表，若没有B的MAC记录，则广播发起ARP请求包：|发送方IP-A的IP|发送方MAC-A的MAC|目标IP-B的IP|目标MAC-00:00:00:00:00:00|
  局域网内所有主机接收该包，但只有IP匹配的主机B会响应。

• ARP响应（单播）
  主机B收到ARP请求后,会记录A的IP和MAC到本地ARP表（更新ARP缓存表），然后单播回复ARP响应包给A：|发送方IP-B的IP|发送方MAC-B的IP的MAC|目标IP-A的IP|目标MAC-A的MAC|
  主机A收到响应后，更新ARP表，完成通信准备。

3、ARP报文格式
从中选取个别字段记录：

• 帧类型：0806 ARP （0806-IP)
• 硬件类型,以太网
• 协议类型，IP
• 硬件地址长度，对于以太网：6
• 协议地址长度，对于IP：4
• op操纵符，2bit共4种操作类型，分别是：ARP请求、ARP应答、RARP请求、RARP应答。
• 目的地以太网地址，发送arp请求时一般是全0，ARP应答时目的主机把自己的MAC地址塞进去再发送。

4、ARP代理
大致流程：
主机A（IP: 192.168.1.10）—–（接口1: 192.168.1.1）路由器（接口2: 192.168.2.1）—–主机B（IP: 192.168.2.20）
A未配置默认网关。路由器启用ARP代理。
当主机A发送ARP请求（广播）后；路由器拦截请求，发现目标IP 192.168.2.20 属于其另一接口的子网。于是代理响应：以自身接口1的MAC地址回复主机A，假装是192.168.2.20的MAC。
然后主机A收到响应，将192.168.2.20的MAC记录为路由器的接口1 MAC（Router-MAC-1）。因此后续发往B的流量实际发给路由器，由路由器转发到B。

一个问题：

5、免费ARP
免费ARP是主机主动广播自己的IP和MAC映射，不请求任何信息，而是用于声明或检测。
发生场景

• 当一台主机配置或获取到一个IP地址（如DHCP分配）时，会发送免费ARP请求，以检查局域网内是否有其他设备已经使用了该IP。如果收到响应：说明IP冲突，主机可能拒绝使用该IP
• 当主机的MAC地址发生变化（如更换网卡、虚拟机迁移）时，发送免费ARP，通知局域网内其他设备更新ARP缓存，避免因旧MAC导致通信失败。

问题：容易被攻击

ICMP

1、简介
ICMP通常用于传递差错报文以及其它需要注意的信息，通常被IP层或者TCP/UDP使用，一些ICMP报文把差错报文返回给用户进程。ICMP报文是在IP数据报内部进行传输的。

2、报文格式

• 类型和代码，用于描述特定类型的ICMP报文，结合代码字段进一步描述不同条件。
  
  ICMP报文分为查询报文和差错报文。当发送语法ICMP差错报文是，报文会始终包含IP首部和产生ICMP差错报文的IP数据报前8个字节（根据端口号将差错报文发送给原来的程序）
  对于差错报文，为防止差错报文对广播分组响应，带来广播风暴有以下几种情况不会产生差错报文：ICMP差错报文；目的地址是广播/多播地址；作为数据链路层广播的数据报；
  不是IP分片的第一片（只有第一片才有端口号等信息）；源地址不是单个主机的数据报，即零地址、环回地址、广播/多播地址。

3、使用 ICMP 的ping程序

ping -R 记录路由选项。使用了IP结构种的记录路由选项，但是由于IP首部除去固定20字节后只剩下40字节，因此也记录不了啥路由，感觉有点鸡肋。
IP时间戳选项，和记录路由选项类似。
记录IP包传输经过的路由有一个程序叫Tracerote（unix），是利用TTL来记录路由的。（疑问：利用TTL会发多次包，它怎么确保每个包都走一条路径？）
具体流程：Traceroute程序会发送UDP数据报给目的主机。设置目的端口号>33434（用于区分是否到达目的主机），发送第一个探测包（TTL=1),到第一个路由器后TTL减到0，路由器丢弃包并返回ICMP超时，
发送第二个探测包（TTL=2），到第二个路由器时返回ICMP超时，重复此过程直到到达目的主机，由于端口号太大，会找不到该端口号，返回ICMP端口不可达。（不同操作系统记录路由实现不一样，但原理类似）。
4、ICMP重定向差错。