《网络与通信技术》第4章.ppt

网络与通信技术 第4章IP网络 第4章知识点 网络层上的通信是主机到主机的通信 发送计算机所要传输的分组在到达目的地计算机上 可能经过若干个LAN或WAN 这主要涉及四个方面的问题 逻辑寻址IP协议及其辅助协议路由算法和路由协议拥塞控制和服务质量 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 IPv4描述版本IP地址是互联网上一个设备连接的地址 它独立于IP层下面的网络 即与被互连的网络无关 地址范围IPv4的格式二进制格式 对于IPv4 就是用32比特表示 书写时每8比特之间留有一定空格 11000001100000110001101111111111十进制格式 193 131 27 255IPv4地址分为 有类别的地址和无类别的地址 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 IPv4有类别地址 描述IPv4使用了类的概念 称为分类寻址 将地址空间分为A B C D E五个类别 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 IPv4有类别地址 地址的层次结构 问题 一个单位获得一个B类地址 但要组建多个网络 子网 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 IPv4有类别地址 一个划分子网的例子某个大学分配了一个B类地址 他有35个系 每个系一个网络 而且每个网络内的主机数又大多超过256台 划分子网带来的问题有了子网的概念后 IP地址的网络标识和主机标识对外部来讲 就不好区分了 即在网络的外部 子网是不可见的 子网掩码长度也为32比特 它代表了网络标识 子网标识与主机标识的划分方案 用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识 例如 类型 网络标识 子网标识共用了22比特 主机标识占10比特11111111111111111111110000000000或写成255 255 252 0A类 B类 C类的掩码 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 IPv4有类别地址 子网掩码的作用便于网络设备尽快地区分本网段地址和非本网段的地址 区分方法 将IP地址与它们各自的子网掩码进行逻辑与操作 如果结果相同 则可确定它们在同一网络 不同 则不在同一网络 用于获得网络地址 主机首地址和末地址 及主机的个数 将子网进一步划分 缩小子网的地址空间 将一个网段划分为多个子网段 便于网络管理 例子 学院新建5个机房 每个房间有30台机器 如果给定一个C类网络地址 192 168 10 0 问如何将其划分为5个子网 子网掩码如何设置 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 IPv4有类别地址 IPv4有类别地址的缺点当初设计IP地址时就没有预料到因特网的发展速度有这样迅速 也没有预料到有今天这样多的用户数量 这种地址分类本身不合理 A类地址几乎不可能有 C类地址有时又觉得太小 B类地址对许多应用来说 也有点大 得到B类地址的用户总会有一些多余的地址不用 如何解决呢 使用下一代因特网协议 即IPv6 过渡方法 使用无类别地址 使用地址转换技术 使用动态地址分配方案 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 IPv4无类别地址 无类别地址的特点你要一块多大的地址 就可以分配多大的地址块给你 不存在大量多余地址的浪费问题 但对一个地址块有这样三个要求 地址块内的地址是连续的 地址的总数是2的幂 即为1 2 4 8 16 块内容的第1个地址能被地址数整除 无类别地址的表示x y z t n根据无类别地址可以可以求出这个连续地址块的大小 起始地址和最后一个地址 其计算方法 地址块的大小为232 n 首地址是将x y z t的右边 32 n 个比特均置为0 末地址是将x y z t的右边 32 n 个比特均置为1 例 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 IPv4无类别地址 网络地址当一个组织机构拥有一个地址块时 该块的起始地址通常被用作一个特殊地址 它称为网络地址 定义该组织机构的网络 网络地址是路由器用来将报文发送到该组织机构外部的地址 无类别地址的层次结构对于无类别地址 同样也具有层次结构 他可以分成2层 3层或甚至多层结构 例子 某机构分配的IP地址为17 12 14 0 26 需要将这个地址划分成3个子块 一个子块含有32个地址 另2个含有16个地址 并画出网络和子网的结构 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 IPv4无类别地址 例子 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 IPv4无类别地址 无类别地址分配每一个ISP将分得的大块地址分成若干小块 再把这些小块地址分给他的客户 反过来 ISP先把用户需求的地址 逐级从很小的块聚集成较大的块 再将若干较大的块聚集成更大的块 最后聚集成一大块 并从ICANN哪里获得这个大块地址 这个过程称为地址会聚 例子 一个ISP分得一块地址190 100 0 0 16 ISP要把这块地址分给3组客户 要求如下 1 第1组有64个客户 每个客户需要256个地址 2 第2组有128个客户 每个客户需要128个地址 3 第3组有128个客户 每个客户需要64个地址 设计各个子块 并计算出还有多少剩余的地址 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 网络地址的转换技术 描述解决IPv4地址紧缺的另一个措施是网络地址转换 NetworkAddressTranslation NAT 在Internet的地址空间有一部分地址 如下表 没有全局特性 可用这些地址只能组成一个组织的内部网络 这些地址是因特网权威机构预留的三组地址作为专用地址 虽然可能两个组织使用了相同的地址 但是它们各自用在自己的专业网络内部 不会造成地址冲突 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 网络地址的转换技术 示例 用一个NAT路由器实现NAT路由具有内网地址 同时具有全局唯一的地址与外网internet相连 内部网络对外部internet是透明的 外部internet仅与具有地址为200 24 5 8的路由链接交换数据 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 网络地址的转换技术 示例 用一个NAT路由器实现地址变换 4 1逻辑寻址4 1 1IPv4地址 网络地址的转换技术 示例 用一个NAT路由器实现地址变换表 4 1逻辑寻址4 1 2IPv6地址 IPv6地址的格式IPv6地址采用128比特长度的IP地址 16字节 是IPv4地址空间的296倍 书写格式 二进制和十六进制FDEC 0074 0000 0000 0000 B0FF 0000 FFF0IPv6地址是有类型的 4 2IP协议4 2 1IPv4协议 IPv4协议IP协议是TCP IP协议栈的网络层协议 其功能是管理和控制IP分组的交付 也就是说 一个分组由源主机交付给目的主机的任务是由IP协议来完成的 在TCP IP协议中 IP层利用其下面的网络为传输层提供服务 4 2IP协议4 2 1IPv4协议 IPv4协议的特点IPv4是无连接的 不可靠的协议 IPv4是数据报网络尽力而为地传送分组 但不保证可靠传送 IP不提供差错控制和流量控制 由ICMP等协议协助完成 如果要求可靠传送 则IPv4必须与TCP配合 传输层协议是运行在用户主机上的程序 是独立于网络的 保证主机进程到另一主机进程的端到端的可靠通信 IPv4数据报IPv4数据报又称IP分组 包括两部分 协议头 首部 和可变长的数据 总的长度在20 65536字节之间 IP分组没有尾部 具体格式定义如下图 4 2IP协议4 2 1IPv4协议 4 2IP协议4 2 1IPv4协议 IPv4协议头的选项Ipv4数据报必须有一个20字节的协议头 此外还可以加选项 选项的长度不等 选项有两个限制 一是最大长度为40字节 而且选项若不是4直接的倍数 必须填充 使得选项占有为4字节的倍数 选项功能主要用于测试网络和诊断网络故障 4 2IP协议4 2 1IPv4协议 协同IPv4工作的协议为了更好地使得IP层能完好地提供服务 只有Ipv4还不够 还需要以下相应辅助协议 地址解释协议 ARP 是由IP地址求其对应的物理地址的协议 逆地址解释协议 RARP 有已知物理地址求其对应的逻辑地址的技术 如无盘工作站和使用临时分配的IP地址的用户 因特网控制报文协议 ICMP 主要是因为IPv4不支持流量控制和错误控制 也缺乏对应网络的测试和诊断功能 所以就由ICMP协议来弥补IPv4的不足 因特网组管理协议 IGMP 是为了在Internet上实现多播的辅助协议 4 2IP协议4 2 2IPv6协议 IPv4与IPv6网络层的比较为了适应IPv6的需要 原来支持IPv4的一些辅助协议也应该修改 ICMPv6是对IPv4的ICMP的更新 修改后 ICMPv6包括了原来的ICMP ARP IGMP三个协议的功能 并舍弃了RARP 4 2IP协议4 2 2IPv6协议 IPv6数据报的格式它由必备的40字节长的基本协议头和最大为65535字节的可变长度的净负荷组成 而净负荷又由0个或多个扩展协议头和来自上层协议的数据组成 扩展协议头 可有可无 但基本协议头是不可缺少的 4 2IP协议4 2 2IPv6协议 IPv6数据报的格式 4 3路由算法和路由协议4 3 1路由算法 描述IP分组在从源主机送到目的主机的过程中 根据最佳的路径 由路径上的路由器逐一转发完成 那么如何得到最佳路径哪 路由算法 为源主机到目的主机寻找路由的方法 路由算法的基本要求 正确性 简单性 健壮性 稳定性 公平性 最佳性 路由算法的分类 静态路由和动态路由路由器承担了两项任务一是交换路由信息 不断更新路由表 二是根据路由表转发分组 路由器又是如何转发分组的 4 3路由算法和路由协议4 3 1路由算法 分组的传递 转发和路由选择传递 是指在网络层控制下 用底层的物理网络对一个分组进行处理的方法 直接传输 源和目的在物理上属于同一网络的传输 或在最后一个路由和目的主机之间的传输 如果目的主机和源主机不在同一网络 分组传输则是非直接传输 转发 是指将一个分组传递到下一个站点的方法 路由表 路由选择 是指在转发过程中创建路由表的方法 4 3路由算法和路由协议4 3 1路由算法 转发技术 描述转发是指将分组路由到它的目的端 它要求主机或路由器具有路由表 问题 由于互联网越来越大 简单的查询路由表的方法效率很低 下面一些方法可用来简化路由表 下一跳方法与路由方法 4 3路由算法和路由协议4 3 1路由算法 转发技术 特定网络方法与特定主机方法特定主机方法是指对连接在同一物理网络上的所有主机都有一个地址项 特定网络方法是指不对连接在同一物理网络上的所有主机都有一个地址项 而是仅用一个记录来定义这个目的网络本身的地址 4 3路由算法和路由协议4 3 1路由算法 转发技术 默认方法默认方法是一种简化路由表的技术 例 网络N1通过两个路由与外界相连 路由R1连接网络N2 Internet其他部分通过路由R2与网络N1相连 4 3路由算法和路由协议4 3 1路由算法 转发过程 描述在无类寻址中 路由表对涉及到的每一个地址块都需要有一行信息 路由表需要根据网络地址 地址块的第一个地址 进行查询 但很遗憾 在分组中只有目的地址而没有网络地址 4 3路由算法和路由协议4 3 1路由算法 转发过程 m3 4 3路由算法和路由协议4 3 1路由算法 转发过程 地址聚合地址聚合目的 减少路由表中的记录数 思路 是把多个小的地址块聚集起来 形成一个大的地址块 如果有m个地址块 因特网上路由器的路由表就应该有m条记录 如果聚合成一个块 就只要一条记录 下图说明地址聚合的原理 4 3路由算法和路由协议4 3 1路由算法 转发过程 最长掩码匹配有时一个目的IP地址会与路由表的多个网络地址匹配 但是真正匹配的网络应该只有一个 它就是最长掩码匹配的网络 为什么呢 因为小块是大块的一部分 应该匹配到小块最精确 即最长掩码的块 通常路由表的记录就按掩码的长短从大到小的排列 最先匹配的就是正确的结果 4 3路由算法和路由协议