第4章 网络层(部分内容).pptx

第4章网络层 4 1网络层的功能和提供服务 位置 网络层位于计算机网络体系结构的第三层 它的下一层为数据链路层 上一层是运输层 网络层的传输单元是分组 或称为数据报 4 1 1网络层的功能 1 异构网络互联 a 互连网络 互连在一起的网络要进行通信 会遇到许多问题需要解决 如 不同的寻址方案不同的最大分组长度不同的网络接入机制不同的超时控制不同的差错恢复方法不同的状态报告方法不同的路由选择技术不同的用户接入控制不同的服务 面向连接服务和无连接服务 不同的管理与控制方式 4 1 1网络层的功能 虚拟互联网络所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络 它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的 但是我们利用协议就可以使这些性能各异的网络在网络层看起来好像是一个统一的网络 这种协议就是网络层重点讨论的IP协议 使用虚拟互连网络的好处是 当互联网上的主机进行通信时 就好像在一个网络上通信一样 而看不见互连的各具体的网络异构细节 4 1 1网络层的功能 网络互连使用的中间设备 中间系统或中继系统物理层中继系统 转发器 repeater 或集线器 hub 数据链路层中继系统 网桥或桥接器 bridge 网络层中继系统 路由器 router 网络层以上的中继系统 网关 gateway 中继系统是转发器或网桥时 一般并不称之为网络互连 因为这仅仅是把一个网络扩大了 而这仍然是一个网络 网关 Gateway 又称网间连接器 协议转换器 是最复杂的网络互连设备 仅用于两个高层协议不同的网络互连 网关由于比较复杂 目前使用的较少 互联网都是指用路由器进行互连的网络 4 1 1网络层的功能 2 路由与转发 路由选择 根据路由算法确定一个进来的分组应该被传送到那一条输出线路上 分组转发 路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去 路由表是根据路由选择算法得出的 而转发表是从路由表得出的 转发表的结构应当使查找过程最优化 路由表则需要对网络拓扑结构变化的计算最优化 在讨论路由选择的原理是 一般不区分转发表和路由表 而是笼统地使用路由表 4 1 1网络层的功能 3 拥塞控制 拥塞 在计算机网络中 由于出现过量的分组而引起网络性能下降的现象 需要采取拥塞控制方法 以确保网络不出现拥塞 或确保网络在出现拥塞时也能保持良好的性能 4 1 2网络层提供的服务 1 虚电路服务 虚电路 VirtualCircuit 是一种面向连接的通信方式 数据传输必须经过建立连接 数据通信和释放连接的3个过程 如果再使用可靠传输的网络协议 就可使所发送的分组无差错按序到达终点 4 1 2网络层提供的服务 2 数据报服务 网络层向上只提供简单灵活的 无连接的 尽最大努力交付的数据报服务 网络在发送分组时不需要先建立连接 每个数据分组是一个在网络传输的独立单元 称作数据报 每个分组按一定格式附加源与目的地址 分组编号等控制信息 以分组形式在网络中传输 网络层不提供服务质量的承诺 即所传送的分组可能出错 丢失 重复和失序 不按序到达终点 当然也不保证分组传送的时限 尽最大努力交付的好处 由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务 这就使网络中的路由器可以做得比较简单 而且价格低廉 如果主机 即端系统 中的进程之间的通信需要是可靠的 那么就由网络的主机中的运输层负责 包括差错处理 流量控制等 采用这种设计思路的好处是 网络的造价大大降低 运行方式灵活 能够适应多种应用 因特网能够发展到今日的规模 充分证明了当初采用这种设计思路的正确性 4 2网际协议IP 网际协议IP是TCP IP体系中两个最主要的协议之一 与IP协议配套使用的还有四个协议 地址解析协议ARP AddressResolutionProtocol 逆地址解析协议RARP ReverseAddressResolutionProtocol 网际控制报文协议ICMP InternetControlMessageProtocol 网际组管理协议IGMP InternetGroupManagementProtocol 网际层的IP协议及配套协议 由于网际协议IP是用来使互连起来许多计算机网络能够进行通信 因此TCP IP体系中的网络层常常成为网际层或IP层 4 2网际协议IP IPv4 InternetProtocolVersion4的缩写 是互联网协议IP的第四版 也是第一个被广泛使用 构成现今互联网技术的基石的协议 IPv6 InternetProtocolVersion6的缩写 是互联网协议IP的第六版 是互联网工程任务组IETF设计的用于替代现行把版本IPv4协议的下一代IP协议 4 2 1IPv4数据报的格式 一个IP数据报由首部和数据两部分组成 首部的前一部分是固定长度 共20字节 是所有IP数据报必须具有的 在首部的固定部分的后面是一些可选字段 其长度是可变的 固定部分 可变部分 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 区分服务 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 数据部分 首部 IP数据报 在TCP IP的标准中 各种数据格式常常以32位 即4个字节为对单位来表述 可变部分 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 区分服务 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 数据部分 首部 IP数据报 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 数据部分 首部 IP数据报 固定部分 区分服务 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 区分服务 1 IP数据报首部的固定部分中的各字段 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 区分服务 当IP分组的首部长度不是4字节整数倍时 必须利用最后的填充字段加以填充 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 区分服务 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 总长度 占16位 指首部和数据之和的长度 单位为字节 因此数据报的最大长度为65535字节 总长度必须不超过最大传送单元MTU 当数据报长度超过网络所容许的最大传输单元MTU时 就必须把过长的数据报进行分片后才能在网络上传送 这时 数据报首部中的 总长度 字段不是指未分片前的数据报长度 而是指分片后的每一个分片的首部长度与数据长度的总和 区分服务 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 标识 identification 占16位 它是一个计数器 每产生一个数据报 计算器就加1 并将此值赋给标识字段 当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片时 这个标识字段的值就被复制到所有的数据片的标识字段中 相同的标识字段的值使分片后的各数据报片最后能正确地重装为原来的数据报 区分服务 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 区分服务 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 标志 flag 占3位 目前只有前两位有意义 标志字段的最低位是MF MoreFragment MF 1表示后面 还有分片 MF 0表示最后一个分片 标志字段中间的一位是DF Don tFragment 只有当DF 0时才允许分片 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 区分服务 偏移 0 8 0 偏移 0 8 0 偏移 1400 8 175 偏移 2800 8 350 1400 2800 3799 2799 1399 3799 需分片的数据报 数据报片1 首部 数据部分共3800字节 首部1 首部2 首部3 字节0 数据报片2 数据报片3 1400 2800 字节0 例4 1 IP数据报分片 偏移 0 8 0 偏移 1400 8 175 偏移 2800 8 350 1400 2800 3799 2799 1399 数据报片1 首部1 首部2 首部3 字节0 数据报片2 数据报片3 例4 1 IP数据报分片 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 生存时间 8位 记为TTL TimeToLive 数据报在网络中可通过的路由器数的最大值 区分服务 路由器在转发数据报之前就把生存时间的值减1 若生存时间的值减小到0 就丢弃这个数据报 不再转发 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 区分服务 运输层 网络层 首部 TCP UDP ICMP IGMP OSPF 数据部分 IP数据报 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 区分服务 发送端 接收端 16位 字1 16位 字2 16位 字n 数据报首部 IP数据报 16位 字1 16位 字2 16位 字n 数据部分 首部 0 4 8 16 19 24 31 版本 标志 生存时间 协议 标识 总长度 片偏移 填充 首部检验和 源地址 目的地址 可选字段 长度可变 位 首部长度 数据部分 固定部分 可变部分 区分服务 IP首部的可变部分就是一个选项字段 用来支持排错 测量以及安全等措施 内容很丰富 选项字段的长度可变 从1个字节到40个字节不等 取决于所选择的项目 增加首部的可变部分是为了增加IP数据报的功能 但这同时也使得IP数据报的首部长度成为可变的 这就增加了每一个路由器处理数据报的开销 实际上这些选项很少被使用 2 IP数据报首部的可变部分 4 2 2IPv4地址 把整个因特网看成为一个单一的 抽象的网络 IP地址就是给每个连接在因特网上的主机 或路由器 分配一个在全世界范围是唯一的32位的标识符 IP地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers 进行分配 IP地址的编址方法 分类的IP地址 这是最基本的编址方法 在1981年就通过了相应的标准协议 子网的划分 这是对最基本的编址方法的改进 其标准 RFC950 在1985年通过 构成超网 这是比较新的无分类编址方法 1993年提出后很快就得到推广应用 IP地址 1 分类IP地址 每一类地址都由两个固定长度的字段组成 其中一个字段是网络号net id 它标志主机 或路由器 所连接到的网络 而另一个字段则是主机号host id 它标志该主机 或路由器 两级的IP地址可以记为 代表 定义为 分类IP地址的格式 net id24位 host id24位 net id16位 net id8位 IP地址中的网络号字段和主机号字段 0 A类地址 host id16位 B类地址 C类地址 0 1 1 D类地址 1110 多播地址 E类地址 保留为今后使用 1111 0 1 采用点分十进制记法则进一步提高可读性 128 11 3 31 12811331 将每8位的二进制数转换为十进制数 IP地址的表示方法 1 分类IP地址 IP地址中的全0表示 这个this 网络号字段全0的IP地址是个保留地址 表示 本网络 网络号127保留作为本地软件环回测试本主机的进程之间的通信之用 若主机发送一个目的地址为环回地址的IP数据报 则本主机中的协议软件就处理数据报中的数据 而不会把数据报发送给任何网络 常用的三种类别的IP地址 全0的主机号字段表示该IP地址是 本主机 所连接到的单个网络地址 如 5 6 7 8 该主机所在网络地址为 5 0 0 0主机号全1表示 所有的all 因此全1的主机号表示该网络上的所有主机 如 126 255 255 255 表示在网络126 0 0 0上的所有主机A类地址的每一个网络上的最大主机数是 常用的三种类别的IP地址 10000000000000001000000000000001 100000001111111110000001000000001000000100000001 1000000111111111 10111111000000001011111100000001 1011111111111111 B类网络地址128 0 0 0是不指派的 可以指派的B类最小网络地址128 1 0 0 因此B类地址可指派的网络数为 1 常用的三种类别的IP地址 全0的主机号字段表示该IP地址是 本主机所连接到的单个网络地址 如 130 6 7 8 该主机所在网络地址为 130 6 0 0主机号全1表示 所有的all 因此全1的主机号表示该网络上的所有主机 如 130 6 255 255 表示在网络130 6 0 0上的所有主机B类地址的每一个网络上的最大主机数是 常用的三种类别的IP地址 110000000000000000000000 192 0 0 0110000000000000000000001 192 0 1 0 110000000000000011111111 192 0 255 0110000000000000100000000 192 1 0 0110000000000000100000001 192 1 1 0 110000000000000111111111 192 1 255 0 110111111111111100000000 223 255 0 0110111111111111100000001 223 255 1 0 110111111111111111111111 223 255 255 0 C类网络地址192 0 0 0也是不指派的 可以指派的C类最小网络地址是192 0 1 0 因此C类地址可指派的网络总数是 1 常用的三种类别的IP地址 全0的主机号字段表示该IP地址是 本主机所连接到的单个网络地址 如 192 0 1 25 该主机所在网络地址为 192 0 1 0主机号全1表示 所有的all 因此全1的主机号表示该网络上的所有主机 如 192 0 1 255 表示在网络192 0 1 0上的所有主机每一个C类地址的最大主机数量是254 常用的三种类别的IP地址 常用的三种类别的IP地址 6种特殊的IP地址 主机号全1的地址 路由器使用这种地址把一个分组发送到一个特定网络上的所有主机 所有主机都会收到具有这种类型的目的地址的分组 6种特殊的IP地址 例4 2 2011年统考真题 在子网192 168 4 0 30中 能接收目的地址为192 168 4 3的IP分组的最大主机数是 A 0B 1C 2D 3 网络192 168 4 0 30中只有两位主机号 取值范围如下 192 168 4 00000000 192 168 4 00000011 6种特殊的IP地址 例4 3 2012年统考真题 某主机的IP地址为180 80 77 55 子网掩码为255 255 252 0 若该主机向其所在子网发送广播分组 则目的地址可以是 A 180 80 76 0B 180 80 76 255C 180 80 77 255D 180 80 79 255 子网掩码 255 255 11111100 0主机IP地址 180 80 01001101 55广播地址 180 80 01001111 255 6种特殊的IP地址 IP地址为255 255 255 255 用于定义在当前网络 绝对不是因特网 注意出选择题 上的广播地址 一个主机要想把报文发送给所有其他主机 就可以使用这样的地址作为分组中的目的地址 但是路由器会把这种类型地址阻拦 使这样的广播仅局限于本地局域网 应注意 这种地址属于E类地址 6种特殊的IP地址 IP地址为0 0 0 0 表示这个网络上的主机 这发生在某个主机在运行程序时但又不知道自己的IP地址 主机为了发现自己的IP地址 就给引导服务器发送IP分组 并使用这样的地址做为源地址 并且使用255 255 255 255作为目的地址 此外 该地址永远是一个A类地址 不管网络是什么类型 这种全0地址使A类地址网络减少一个 6种特殊的IP地址 具有全0的网络号的IP地址表示在这个网络上的特定主句 用于当某个主机向同一网络上的其他主机发送报文 因为分组被路由器挡住了 所以这是把分组限制在本地网络上的一种方法 IP地址的一些重要特点 IP地址是一种分等级的地址结构 分两个等级的好处是 IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号 而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配 这样就方便了IP地址的管理 路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组 而不考虑目的主机号 这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少 从而减小了路由表所占的存储空间 IP地址的一些重要特点 实际上IP地址是标志一个主机 或路由器 和一条链路的接口 当一个主机同时连接到两个网络上时 该主机就必须同时具有两个相应的IP地址 其网络号net id必须是不同的 这种主机称为多归属主机 multihomedhost 由于一个路由器至少应当连接到两个网络 这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络 因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址 IP地址的一些重要特点 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络 因此这些局域网都具有同样的网络号net id 所有分配到网络号net id的网络 范围很小的局域网 还是可能覆盖很大地理范围的广域网 都是平等的 互联网中的IP地址 B 222 1 1 222 1 1 1 222 1 1 2 222 1 1 3 222 1 1 4 R1 222 1 2 5 222 1 2 2 222 1 2 1 222 1 2 3 222 1 2 4 222 1 2 222 1 6 1 222 1 5 1 222 1 5 2 222 1 6 2 222 1 4 1 222 1 4 2 222 1 3 3 222 1 3 2 222 1 3 1 R3 R2 222 1 3 LAN3 N3 N2 222 1 4 222 1 5 222 1 6 N1 LAN2 LAN1 互联网 在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的 图中的网络号就是IP地址中的net id 互联网中的IP地址 B 222 1 1 222 1 1 1 222 1 1 2 222 1 1 3 222 1 1 4 R1 222 1 2 5 222 1 2 2 222 1 2 1 222 1 2 3 222 1 2 4 222 1 2 222 1 6 1 222 1 5 1 222 1 5 2 222 1 6 2 222 1 4 1 222 1 4 2 222 1 3 3 222 1 3 2 222 1 3 1 R3 R2 222 1 3 LAN3 N3 N2 222 1 4 222 1 5 222 1 6 N1 LAN2 LAN1 互联网 在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的 图中的网络号就是IP地址中的net id 互联网中的IP地址 B 222 1 1 222 1 1 1 222 1 1 2 222 1 1 3 222 1 1 4 R1 222 1 2 5 222 1 2 2 222 1 2 1 222 1 2 3 222 1 2 4 222 1 2 222 1 6 1 222 1 5 1 222 1 5 2 222 1 6 2 222 1 4 1 222 1 4 2 222 1 3 3 222 1 3 2 222 1 3 1 R3 R2 222 1 3 LAN3 N3 N2 222 1 4 222 1 5 222 1 6 N1 LAN2 LAN1 互联网 在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的 图中的网络号就是IP地址中的net id 互联网中的IP地址 B 222 1 1 222 1 1 1 222 1 1 2 222 1 1 3 222 1 1 4 R1 222 1 2 5 222 1 2 2 222 1 2 1 222 1 2 3 222 1 2 4 222 1 2 222 1 6 1 222 1 5 1 222 1 5 2 222 1 6 2 222 1 4 1 222 1 4 2 222 1 3 3 222 1 3 2 222 1 3 1 R3 R2 222 1 3 LAN3 N3 N2 222 1 4 222 1 5 222 1 6 N1 LAN2 LAN1 互联网 在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的 图中的网络号就是IP地址中的net id 互联网中的IP地址 B 222 1 1 222 1 1 1 222 1 1 2 222 1 1 3 222 1 1 4 R1 222 1 2 5 222 1 2 2 222 1 2 1 222 1 2 3 222 1 2 4 222 1 2 222 1 6 1 222 1 5 1 222 1 5 2 222 1 6 2 222 1 4 1 222 1 4 2 222 1 3 3 222 1 3 2 222 1 3 1 R3 R2 222 1 3 LAN3 N3 N2 222 1 4 222 1 5 222 1 6 N1 LAN2 LAN1 互联网 路由器总是具有两个或两个以上的IP地址 路由器的每一个接口都有一个不同网络号的IP地址 互联网中的IP地址 B 222 1 1 222 1 1 1 222 1 1 2 222 1 1 3 222 1 1 4 R1 222 1 2 5 222 1 2 2 222 1 2 1 222 1 2 3 222 1 2 4 222 1 2 222 1