连接层

地址解析协议：ARP协议(ARP介于连接层和网络层之间，ARP包需要包裹在一个帧中)的工作方式如下：主机会发出一个ARP包，该ARP包中包含有自己的IP地址和MAC地址。通过ARP包，主机以广播的形式询问局域网上所有的主机和路由：我是IP地址xxxx，我的MAC地址是xxxx，有人知道199.165.146.4的MAC地址吗？拥有该IP地址的主机会回复发出请求的主机：哦，我知道，这个IP地址属于我的一个NIC，它的MAC地址是xxxxxx。由于发送ARP请求的主机采取的是广播形式，并附带有自己的IP地址和MAC地址，其他的主机和路由会同时检查自己的ARP cache，如果不符合，则更新自己的ARP cache。

这样，经过几次ARP请求之后，ARP cache会达到稳定。如果局域网上设备发生变动，ARP重复上面过程。

(在Linux下，可以使用$arp命令来查看ARP的过程。ARP协议只用于IPv4。IPv6使用Neighbor Discovery Protocol来替代ARP的功能。)

网络层

网络层(network layer)是实现互联网的最重要的一层。正是在网络层面上，各个局域网根据IP协议相互连接，最终构成覆盖全球的Internet。更高层的协议，无论是TCP还是UDP，必须通过网络层的IP数据包(datagram)来传递信息。操作系统也会提供该层的socket，从而允许用户直接操作IP包。

IP协议是"Best Effort"式的，IP传输是不可靠的。但这样的设计成就了IP协议的效率。

ICMP(Internet Control Message Protocol)是介于网络层和传输层的协议。它的主要功能是传输网络诊断信息。

ICMP传输的信息可以分为两类，一类是错误(error)信息，这一类信息可用来诊断网络故障。我们已经知道，IP协议的工作方式是“Best Effort”，如果IP包没有被传送到目的地，或者IP包发生错误，IP协议本身不会做进一步的努力。但上游发送IP包的主机和接力的路由器并不知道下游发生了错误和故障，它们可能继续发送IP包。通过ICMP包，下游的路由器和主机可以将错误信息汇报给上游，从而让上游的路由器和主机进行调整。需要注意的是，ICMP只提供特定类型的错误汇报，它不能帮助IP协议成为“可靠”(reliable)的协议。另一类信息是咨询(Informational)性质的，比如某台计算机询问路径上的每个路由器都是谁，然后各个路由器同样用ICMP包回答。

(ICMP基于IP协议。也就是说，一个ICMP包需要封装在IP包中，然后在互联网传送。ICMP是IP套装的必须部分，也就是说，任何一个支持IP协议的计算机，都要同时实现ICMP。)

ICMP协议是实现ping命令和traceroute命令的基础。这两个工具常用于网络排错。

常见的ICMP包类型

回音

回音(Echo)属于咨询信息。ping命令就是利用了该类型的ICMP包。当使用ping命令的时候，将向目标主机发送Echo-询问类型的ICMP包，而目标主机在接收到该ICMP包之后，会回复Echo-回答类型的ICMP包，并将询问ICMP包包含在数据部分。ping命令是我们进行网络排查的一个重要工具。如果一个IP地址可以通过ping命令收到回复，那么其他的网络协议通信方式也很有可能成功。

源头冷却

源头冷却(source quench)属于错误信息。如果某个主机快速的向目的地传送数据，而目的地主机没有匹配的处理能力，目的地主机可以向出发主机发出该类型的ICMP包，提醒出发主机放慢发送速度(请温柔一点吧)。

目的地无法到达

目的地无法到达(Destination Unreachable)属于错误信息。如果一个路由器接收到一个没办法进一步接力的IP包，它会向出发主机发送该类型的ICMP包。比如当IP包到达最后一个路由器，路由器发现目的地主机down机，就会向出发主机发送目的地无法到达(Destination Unreachable)类型的ICMP包。目的地无法到达还可能有其他的原因，比如不存在接力路径，比如不被接收的端口号等等。

超时

超时(Time Exceeded)属于错误信息。IPv4中的Time to Live(TTL)和IPv6中的Hop Limit会随着经过的路由器而递减，当这个区域值减为0时，就认为该IP包超时(Time Exceeded)。Time Exceeded就是TTL减为0时的路由器发给出发主机的ICMP包，通知它发生了超时错误。

traceroute就利用了这种类型的ICMP包。traceroute命令用来发现IP接力路径(route)上的各个路由器。它向目的地发送IP包，第一次的时候，将TTL设置为1，引发第一个路由器的Time Exceeded错误。这样，第一个路由器回复ICMP包，从而让出发主机知道途径的第一个路由器的信息。随后TTL被设置为2、3、4，...，直到到达目的主机。这样，沿途的每个路由器都会向出发主机发送ICMP包来汇报错误。traceroute将ICMP包的信息打印在屏幕上，就是接力路径的信息了。

重新定向

重新定向(redirect)属于错误信息。当一个路由器收到一个IP包，对照其routing table，发现自己不应该收到该IP包，它会向出发主机发送重新定向类型的ICMP，提醒出发主机修改自己的routing table。

IPv6的Neighbor Discovery

ARP协议用于发现周边的IP地址和MAC地址的对应。然而，ARP协议只用于IPv4，IPv6并不使用ARP协议。IPv6包通过邻居探索(ND, Neighbor Discovery)来实现ARP的功能。ND的工作方式与ARP类似，但它基于ICMP协议。ICMP包有Neighbor Solicitation和Neighbor Advertisement类型。这两个类型分别对应ARP协议的询问和回复信息。

总结

ICMP协议是IP协议的排错帮手，它可以帮助人们及时发现IP通信中出现的故障。基于ICMP的ping和traceroute也构成了重要的网络诊断工具。然而，需要注意的是，尽管ICMP的设计是出于好的意图，但ICMP却经常被黑客借用进行网络攻击，比如利用伪造的IP包引发大量的ICMP回复，并将这些ICMP包导向受害主机，从而形成DoS攻击。而redirect类型的ICMP包可以引起某个主机更改自己的routing table，所以也被用作攻击工具。许多站点选择忽视某些类型的ICMP包来提高自身的安全性。

传输层

UDP协议和IP协议一样通过数据包(datagram)的形式传递，同样也是不可靠的，可以将其视为是IP协议暴露在传输层的一个借口。那么，我们为什么不直接使用IP协议而要额外增加一个UDP协议呢？ 一个重要的原因是IP协议中并没有端口(port)的概念。IP协议进行的是IP地址到IP地址的传输，这意味者两台计算机之间的对话。但每台计算机中需要有多个通信通道，并将多个通信通道分配给不同的进程使用。一个端口就代表了这样的一个通信通道。UDP协议实现了端口，从而让数据包可以在送到IP地址的基础上，进一步可以送到某个端口。

尽管UDP协议非常简单，但它的产生晚于更加复杂的TCP协议。早期的网络开发者开发出IP协议和TCP协议分别位于网络层和传输层，所有的通信都要先经过TCP封装，再经过IP封装(应用层->TCP->IP)。开发者将TCP/IP视为相互合作的套装。但很快，网络开发者发现，IP协议的功能和TCP协议的功能是相互独立的。对于一些简单的通信，我们只需要“Best Effort”式的IP传输就可以了，而不需要TCP协议复杂的建立连接的方式(特别是在早期网络环境中，如果过多的建立TCP连接，会造成很大的网络负担，而UDP协议可以相对快速的处理这些简单通信)。UDP协议随之被开发出来，作为IP协议在传输层的"傀儡"。这样，网络通信可以通过应用层->UDP->IP的封装方式，绕过TCP协议。由于UDP协议本身异常简单，实际上只为IP传输起到了桥梁的作用。

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