网络层与IP协议的相关概念网络层.ppt

2020 2 10 计算机网络 网络层1 1 网络层 1 分组交换网络层提供的两种服务IP协议与网络互连硬件地址与地址解析协议ARPIP数据报的格式 2020 2 10 计算机网络 网络层1 2 分组交换 1 3 2 教材P11 P15因特网的核心部分 路由器 采用分组交换的方式传输数据它与传统的电路交换 电话网使用 和报文交换 收发电报 是有区别的 2020 2 10 计算机网络 网络层1 3 1 电路交换的主要特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来 2020 2 10 计算机网络 网络层1 4 更多的电话机互相连通 5部电话机两两相连 需10对电线 N部电话机两两相连 需N N 1 2对电线 当电话机的数量很大时 这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比 2020 2 10 计算机网络 网络层1 5 使用交换机 当电话机的数量增多时 就要使用交换机来完成全网的交换任务 交换机 2020 2 10 计算机网络 网络层1 6 电路交换的特点 电路交换必定是面向连接的连接 可理解为拨通电话电路交换的三个阶段 建立连接通信释放连接 2020 2 10 计算机网络 网络层1 7 电路交换举例 A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 2020 2 10 计算机网络 网络层1 8 电路交换举例 C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 2020 2 10 计算机网络 网络层1 9 电路交换传送计算机数据效率低 计算机数据具有突发性 而一旦建立 连接是一直占用的 这导致通信线路的利用率很低 2020 2 10 计算机网络 网络层1 10 报文 2 分组交换的主要特点 在发送端 先把较长的报文划分成较短的 固定长度的数据段 2020 2 10 计算机网络 网络层1 11 数据 数据 数据 添加首部构成分组 每一个数据段前面添加上首部构成分组 首部 首部 首部 请注意 现在左边是 前面 2020 2 10 计算机网络 网络层1 12 分组交换的传输单元 分组交换网以 分组 作为数据传输单元 依次把各分组发送到接收端 假定接收端在左边 2020 2 10 计算机网络 网络层1 13 分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址等控制信息 分组交换网中的结点交换机根据收到分组首部中的地址信息 把分组转发到下一个结点交换机 用这样的存储转发方式 最后分组就能到达最终目的地 2020 2 10 计算机网络 网络层1 14 收到分组后剥去首部 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 2020 2 10 计算机网络 网络层1 15 数据 数据 数据 最后还原成原来的报文 最后 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错 在转发时也没有被丢弃 2020 2 10 计算机网络 网络层1 16 分组交换网的示意图 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 H2向H6发送分组 注意分组路径的变化 路由器 主机 2020 2 10 计算机网络 网络层1 17 路由器 路由器处理分组的过程是 把收到的分组先放入缓存 暂时存储 查找转发表 又称路由表 找出到某个目的地址应从哪个端口转发 把分组送到适当的端口转发出去 2020 2 10 计算机网络 网络层1 18 分组交换的特点及问题 分组交换的特点不需要事先建立连接每个分组独立选择转发路径分组交换的问题分组在各结点存储转发时可能需要排队 这会造成一定的时延 分组必须携带的首部 里面有必不可少的控制信息 也造成了一定的开销 2020 2 10 计算机网络 网络层1 19 更早的存储转发 报文交换 在20世纪40年代 电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换 messageswitching 与分组转发的主要区别以报文为转发单元 一般报文比较长 2020 2 10 计算机网络 网络层1 20 三种交换的比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 发送报文和存储转发的延时都比较长 发送时延 处理时延 传播时延 2020 2 10 计算机网络 网络层1 21 三种交换的时延 电路交换连接建立时延 发送时延 传播时延报文交换处理时延 发送时延 传播时延分组转发第1个分组与报文交换同之后的分组只加计首段链路的处理时延和发送时延 存储转发 2020 2 10 计算机网络 网络层1 22 特别习题 假设交换网具有下列参数 从源站到目的站的中继站数为N 即共经过N 1段链路 每段链路的传输时延为D s 需要传送的文件长度为L Byte 不包括首部 线路传输速率为B bps 在电路交换时 电路的建立时间为S s 在分组交换时 每个分组的长度 含分组的首部开销 为P Byte 分组交换时每个分组的首部开销 以及报文交换时的首部开销均为H Byte 结点交换机的处理 分组拆装等 时延忽略不计 设N 4 D 0 001 L 980000 B 10M S 0 2s P 1000 H 20计算电路交换 报文交换和分组交换的端到端时延 2020 2 10 计算机网络 网络层1 23 习题分析 处理时延 排队时延忽略不计发送时延 传播时延把各条链路的总时延累加注 电路交换得算上连接建立的时间 2020 2 10 计算机网络 网络层1 24 网络层 1 分组交换网络层提供的两种服务IP协议与网络互连硬件地址与地址解析协议ARPIP数据报的格式 2020 2 10 计算机网络 网络层1 25 4 1网络层提供的两种服务 虚电路服务和数据报服务在计算机网络领域 网络层应该向运输层提供怎样的服务 面向连接 还是 无连接 曾引起了长期的争论 争论焦点的实质就是 在计算机通信中 可靠交付应当由谁来负责 是网络还是端系统 2020 2 10 计算机网络 网络层1 26 电信网的成功经验让网络负责可靠交付 面向连接的通信方式 据此计算机网络应建立虚电路 VirtualCircuit 以保证双方通信所需的一切网络资源 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 27 应用层运输层网络层数据链路层物理层 应用层运输层网络层数据链路层物理层 虚电路服务 H1 H2 虚电路 H1发送给H2的所有分组都沿着同一条虚电路传送 即虚拟的电路交换 2020 2 10 计算机网络 网络层1 28 虚电路是逻辑连接 虚电路表示这只是一条逻辑上的连接 分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送 并未建立物理连接 只有传输分组时才占用资源分组首部不需要地址 只需虚电路号请注意 电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接 因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似 但并不完全一样 2020 2 10 计算机网络 网络层1 29 因特网采用的设计思路 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 每一个分组 即IP数据报 独立发送 与其前后的分组无关 不进行编号 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 30 尽最大努力交付的好处 路由器制作简单 价格低廉可由主机中的运输层负责可靠传输 包括差错处理 流量控制等 网络的造价大大降低 运行方式灵活 能够适应多种应用 网络发展之初带宽贫乏 由网络层负责可靠传输 意味着所有应用都要担负可靠传输的代价 2020 2 10 计算机网络 网络层1 31 应用层运输层网络层数据链路层物理层 应用层运输层网络层数据链路层物理层 数据报服务 H1 H2 IP数据报 丢失 H1发送给H2的分组可能沿着不同路径传送 2020 2 10 计算机网络 网络层1 32 虚电路服务与数据报服务的对比 类似电路交换与分组交换的对比 2020 2 10 计算机网络 网络层1 33 网络层 1 分组交换网络层提供的两种服务IP协议与网络互连硬件地址与地址解析协议ARPIP数据报的格式 2020 2 10 计算机网络 网络层1 34 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 在网络层与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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 35 网际层的IP协议及配套协议 各种应用层协议 网络接口层 HTTP FTP SMTP等 物理硬件 运输层 TCP UDP 应用层 ICMP IP RARP ARP 与各种网络接口 网络层 网际层 IGMP 2020 2 10 计算机网络 网络层1 36 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 2 1虚拟互连网络 2020 2 10 计算机网络 网络层1 37 中间设备又称为中间系统或中继 relay 系统 物理层中继系统 转发器 repeater 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 网桥和路由器的混合物 桥路器 brouter 网络层以上的中继系统 网关 gateway 网络互相连接起来要使用一些中间设备 2020 2 10 计算机网络 网络层1 38 当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 网关由于比较复杂 目前使用得较少 互联网都是指用路由器进行互连的网络 网络互连使用路由器 2020 2 10 计算机网络 网络层1 39 互连网络与虚拟互连网络 网络 网络 网络 网络 网络 a 互连网络 b 虚拟互连网络 路由器 虚拟互连网络 互联网 ATM X 25 帧中继 下层像是使用同一种技术 IP协议要达到的目的 2020 2 10 计算机网络 网络层1 40 虚拟互连网络的意义 所谓虚拟互连网络的含义互连起来的各种物理网络本来存在差异 但是利用IP协议可以使这些性能各异的网络从用户角度看起来好像是一个统一的网络 使用IP协议的虚拟互连网络可简称为IP网 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 不需要看见互连的各个具体网络的细节 2020 2 10 计算机网络 网络层1 41 54321 主机H1 主机H2 R1 R4 R5 R2 R3 R1 R2 R3 H1 R5 H2 R4 间接交付 间接交付 间接交付 间接交付 间接交付 直接交付 分组在互联网中的传送 ATM X 25 帧中继 X 25 ATM 不同的广域网拥有不一样的第2层和第1层 2020 2 10 计算机网络 网络层1 42 从网络层看IP数据报的传送 如果我们只从网络层考虑问题 那么IP数据报就可以想象是在网络层中传送 网络层 网络层 网络层 网络层 网络层 网络层 网络层 IP数据报 H1 R1 R2 R3 R4 R5 H2 2020 2 10 计算机网络 网络层1 43 网络层 1 分组交换网络层提供的两种服务IP协议与网络互连硬件地址与地址解析协议ARPIP数据报的格式 2020 2 10 计算机网络 网络层1 44 4 2 3IP地址与硬件地址 链路层及以下使用硬件地址 网络层及以上使用IP地址 虚拟 真实 2020 2 10 计算机网络 网络层1 45 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 主机H1 主机H2 路由器R1 硬件地址 路由器R2 HA2 IP1 IP2 局域网 局域网 局域网 通信的路径H1 经过R1转发 再经过R2转发 H2 查找路由表 查找路由表 2020 2 10 计算机网络 网络层1 46 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 主机H1 主机H2 路由器R1 硬件地址 路由器R2 HA2 IP1 IP2 局域网 局域网 局域网 IP1 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 HA2 IP6 主机H1 主机H2 路由器R1 IP层上的互联网 MAC帧 IP2 IP4 IP3 IP5 路由器R2 MAC帧 MAC帧 IP数据报 从协议栈的层次上看数据的流动 2020 2 10 计算机网络 网络层1 47 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 主机H1 主机H2 路由器R1 硬件地址 路由器R2 HA2 IP1 IP2 局域网 局域网 局域网 IP1 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 HA2 IP6 主机H1 主机H2 路由器R1 IP层上的互联网 MAC帧 IP2 IP4 IP3 IP5 路由器R2 MAC帧 MAC帧 IP数据报 从虚拟的IP层上看IP数据报的流动 2020 2 10 计算机网络 网络层1 48 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 主机H1 主机H2 路由器R1 硬件地址 路由器R2 HA2 IP1 IP2 局域网 局域网 局域网 IP1 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 HA2 IP6 主机H1 主机H2 路由器R1 IP层上的互联网 MAC帧 IP2 IP4 IP3 IP5 路由器R2 MAC帧 MAC帧 IP数据报 在链路上看MAC帧的流动 2020 2 10 计算机网络 网络层1 49 IP1 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 HA2 IP6 主机H1 主机H2 路由器R1 IP层上的互联网 MAC帧 IP2 IP4 IP3 IP5 路由器R2 MAC帧 MAC帧 IP数据报 在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报图中的IP1 IP2表示从源地址IP1到目的地址IP2两个路由器的IP地址并不出现在IP数据报的首部中 2020 2 10 计算机网络 网络层1 50 IP1 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 HA2 IP6 主机H1 主机H2 路由器R1 IP层上的互联网 MAC帧 IP2 IP4 IP3 IP5 路由器R2 MAC帧 MAC帧 IP数据报 路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择 2020 2 10 计算机网络 网络层1 51 IP1 HA1 HA5 HA4 HA3 HA6 HA2 IP6 主机H1 主机H2 路由器R1 IP层上的互联网 IP2 IP4 IP3 IP5 路由器R2 IP数据报 在具体的物理网络的链路层只能看见MAC帧而看不见IP数据报 链路层如何将MAC帧转发到正确的目的地 这就需要硬件地址 链路层地址 2020 2 10 计算机网络 网络层1 52 基于IP的虚拟互连网 抽象的网络层屏蔽了下层的复杂细节能够使用统一的 抽象的IP地址研究主机和主机或主机和路由器之间的通信真正的分组转发却是一段一段链路转发利用链路两个端点的硬件地址进行 2020 2 10 计算机网络 网络层1 53 IP分组转发过程的分解 首先 分组转发是分段进行的每段又称 跳 包含直接相连的两个结点在每一跳 分组的转发包含两个步骤第一 网络层根据路由表确定下一跳IP第二 查找下一跳IP对应的硬件地址 通过数据链路层将分组转发给下一跳 需要一个协议 由IP地址查找到硬件地址 2020 2 10 计算机网络 网络层1 54 4 2 4地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP IP地址 物理地址 ARP 物理地址 IP地址 RARP 2020 2 10 计算机网络 网络层1 55 地址解析协议ARP 不管网络层使用的是什么协议 在实际网络的链路上传送数据帧时 最终还是必须使用硬件地址 每个主机都设有ARP高速缓存 里面有局域网上各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表 若主机A欲向局域网上的主机B发送IP数据报就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址 如有 就可查出其对应的硬件地址并将其写入MAC帧 然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址 否则 必须利用ARP协议查询主机B的硬件地址 2020 2 10 计算机网络 网络层1 56 A Y X B Z 主机B向A发送ARP响应分组 主机A广播发送ARP请求分组 ARP请求 ARP请求 ARP请求 209 0 0 5 209 0 0 6 00 00 C0 15 AD 18 08 00 2B 00 EE 0A 我是209 0 0 5 硬件地址是00 00 C0 15 AD 18我想知道主机209 0 0 6的硬件地址 我是209 0 0 6硬件地址是08 00 2B 00 EE 0A A Y X B Z 209 0 0 5 209 0 0 6 00 00 C0 15 AD 18 2020 2 10 计算机网络 网络层1 57 发送端的 IP 硬件地址映射 为了减少网络上的通信量 主机A在发送其ARP请求分组时 就将自己的IP地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组 当主机B收到A的ARP请求分组时 就将主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中 这样主机B以后向A发送数据报时就更方便了 2020 2 10 计算机网络 网络层1 58 应当注意的问题 ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题 如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上 那么就要通过ARP先找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址 然后把分组发送给这个路由器 让这个路由器把分组转发给下一个网络 剩下的工作就由下一个网络来做 2020 2 10 计算机网络 网络层1 59 应当注意的问题 续 从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的 主机的用户对这种地址解析过程是不知道的 只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信 ARP协议就会自动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址 2020 2 10 计算机网络 网络层1 60 使用ARP的四种典型情况 发送方是主机 要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机 这时用ARP找到目的主机的硬件地址 发送方是主机 要把IP数据报发送到另一个网络上的一个主机 这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址 剩下的工作由这个路由器来完成 发送方是路由器 要把IP数据报转发到本网络上的一个主机 这时用ARP找到目的主机的硬件地址 发送方是路由器 要把IP数据报转发到另一个网络上的一个主机 这时用ARP找到本网络上的一个路由器的硬件地址 剩下的工作由这个路由器来完成 2020 2 10 计算机网络 网络层1 61 为什么在网络层不直接使用硬件地址进行通信 由于全世界存在着各式各样的网络 它们使用不同的硬件地址 要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作 这几乎是不可能的事 连接到因特网的主机都拥有统一的IP地址 它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便 因为调用ARP来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算机软件自动进行的 对用户来说是看不见这种调用过程的 2020 2 10 计算机网络 网络层1 62 逆地址解析协议RARP 逆地址解析协议RARP使只知道自己硬件地址的主机能够知道其IP地址 这种主机往往是无盘工作站 因此RARP协议目前已很少使用 2020 2 10 计算机网络 网络层1 63 硬件地址与ARP解析的演示 arp apingIP地址 2020 2 10 计算机网络 网络层1 64 网络层 1 分组交换网络层提供的两种服务IP协议与网络互连硬件地址与地址解析协议ARPIP数据报的格式 2020 2 10 计算机网络 网络层1 65 以后会遇到多种报文的格式TCP报文 UDP报文链路层报文等报文一般包括首部和数据两部分 重点在首部首部由多个字段构成 应了解每个字段长度 含义 作用如何使用 2020 2 10 计算机网络 网络层1 66 4 2 5IP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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 67 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 68 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 69 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 70 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 71 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 72 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 73 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 74 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 75 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 76 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 77 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 2020 2 10 计算机网络 网络层1 78 首部 0 4 8 16 19 24