第三章-网络层PPT课件.ppt

第三章INTERNET网络层 2 第4章网络层 本章内容 网络层概述 网际协议IP 划分子网和地址聚合 网际控制报文协议ICMP协议 因特网的路由选择协议 3 本章重要的内容 虚拟互连网络的概念IP地址及其与物理地址的关系传统的分类的IP地址 包括子网掩码 路由选择协议的工作原理 4 3 1网络层概述 网络层功能为分组交换网上的不同主机提供通信服务 在发送数据时 网络层把传输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送 5 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 主机 6 注意分组的存储转发过程 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 主机 在结点交换机A暂存查找转发表找到转发的端口 在结点交换机C暂存查找转发表找到转发的端口 在结点交换机E暂存查找转发表找到转发的端口 最后到达目的主机H5 7 3 1网络层概述 网络层提供的两种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 8 3 1网络层概述 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建立虚电路 VirtualCircuit 以保证双方通信所需的一切网络资源 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 9 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 3 1网络层概述 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 虚电路服务 10 3 1网络层概述 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 而并不是真正建立了一条物理连接 11 3 1网络层概述 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 12 3 1网络层概述 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 与电信网的交换机相比较 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 13 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 3 1网络层概述 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 数据报服务 14 虚电路服务与数据报服务的对比 15 3 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 16 3 2网际协议IP 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 网际层的IP协议及配套协议 17 网络互相连接起来要使用一些中间设备 它们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 3 2网际协议IP 18 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 由于历史的原因 许多有关TCP IP的文献将网络层使用的路由器称为网关 3 2网际协议IP 19 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 20 3 2网际协议IP 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IP协议就可以使这些性能各异的网络从用户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 而看不见互连的各具体的网络异构细节 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 21 22 3 2网际协议IP 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 23 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址要使Internet上主机间能正常通信 必须给每个计算机分配至少一个全球都能接收和识别的唯一标识 它就是IP地址 IP的发展 目前是IPv4 由32bit组成地址空间232 4 294 967 296表示方法 点 十进制11000100110000011000000111010101196 193 129 211 24 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类从概念上讲 每个IP地址都是由两部分构成 网络号 主机号 其中 网络号标识某个网络 主机号标识在该网络上的一个特定的主机 根据网络的规模和用途分别分为A B C D E五类 其空间表示为 25 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类分类的方法 26 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类A B C三类IP地址的结构都是由两部分组成 网络号和主机号 A类 第一个字节的最高位是0 共128个子网 每个子网内可以有1600万台主机 B类 第一个字节的前两位是10 共16 384个子网 每个子网内可以有65 536台主机 C类 第一个字节的前三位是110 共200万个子网 每个C类子网内最多只能有256台主机 D类 第一个字节的前四位为1110E类 第一个字节的前五位为11110 27 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类类型最低地址最高地址A1 0 0 1126 255 255 254B128 0 0 1191 255 255 254C192 0 0 1223 255 255 254 D224 0 0 0239 255 255 255E240 0 0 0247 255 255 255 28 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类 特殊的地址私有地址 Privateaddress 作为内网或者试验 10 0 0 0 10 255 255 255172 16 0 0 172 31 255 255192 168 0 0 192 168 255 255 29 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类 特殊的地址广播地扯 所有主机号部分为 1 的地址是广播 broadcast 地址 广播地址分为两种 直接广播地址和有限广播地址在一特定子网中 主机地址部分为全1的地址称为直接广播地址 directbroadcast 一台主机使用直接广播地址 可以向任何指定的网络直接广播它的数据报 很多IP协议利用这个功能向一个子网上广播数据 例如 在子网地址为162 105 130 0的网络上 162 105 130 255就是该网络的广播地址 协议规定 每台主机和路由器等都要接收和处理目的地址为本子网广播地址的数据报 不在这个子网 162 105 130 0 内的主机 如IP地址为202 112 7 12的机器 也可以用广播地址162 105 130 255向该子网上所有的主机广播信息 30 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类 特殊的地址广播地扯 32个比特全为1的IP地址 即255 255 255 255 被称为有限广播地址 limitedbroadcastaddress 或本地网广播地址 localnetworkbroadcastaddress 该地址被用作在本网络内部广播 使用有限广播地址 主机在不知道自己的网络地址的情况下 也可以向本子网上所有的其它主机发送消息 无论哪种广播地址都不能像其它的IP地址那样分配给某台具体的主机 因为它是指满足一定条件的一组机器 广播地址只能作为IP报文的目的地址 表示该报文的一组接收者 31 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类 特殊的地址组播地址 D类IP地址就是组播地址 multicast 即在224 0 0 0 239 255 255 255范围内的每个IP地址 实际上代表一组特定的主机 它与广播地址相似之处是都只能作为IP报文的目的地址 表示该报文的一组接收者 而不能把它分配给某台具体的主机 组播地址和广播地址区别 广播地址是按主机的物理位置来划分各组的 属于同一个子网 而组播地址指定一个逻辑组 参与该组的机器可能遍布整个Internet网 32 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类 特殊的地址组播地址组播地址主要用于电视会议 视频点播等应用 我们可以想象一个由多方参与的电视会议 正在发言的一方的声音和图像要被传送到其他参与者的主机上 实际上 一个组播IP地址唯一地标志一个逻辑组 每个要求参与组播接收的主机使用IGMP协议 主动登记到希望加人的组中去 网络中的路由器根据参与的主机的位置 为该组播的通信组形成一棵发送树 服务器在发送数据时 只需发送一份数据报文 该报文的目的地址为相应的组播地址 路由器根据已经形成的发送树依次转发 只是在树的分岔点处复制数据报 向多个网络转发一份拷贝 经过多个路由器的转发后 则该数据报可以到达所有登记到该组的主机处 这样就大大减少了源端主机的负担和网络资源的浪费 33 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类 特殊的地址 零 地址网络号 主机号为零的IP地址 从来不分配给任何一个单个的主机主机号为零 例如 202 112 7 0就是一个典型的C类网络地址 表示该网络本身 主机号 网络号为 0 的IP地址 指的是本网络上的某台主机 例如 如果一台主机 IP地址为202 112 7 13 接收到一个IP报文 它的目的地地址中网络号部分为 0 而主机号部分与它自己的地址匹配 即 IP地址为0 0 0 13 则接收方把该IP地址解释成为本网络的主机地址 并接收该IP数据报 0 0 0 0 代表本主机地址 网络上任何主机都可以用它来表示自己 主要用于DHCP和缺省路由 34 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址IP地址分类 特殊的地址回送地址 也称回馈地址任何一个以数字127开头的IP地址 127 any any any 都叫做回送地址 loopbackaddress 它是一个保留地址 最常见的表示形式为127 0 0 1 在每个主机上对应于IP地址127 0 0 1有个接口 称为回送接口 loopbackinterface IP协议规定 当任何程序用回送地址作为目的地址时 计算机上的协议软件不会把该数据报向网络上发送 而是把数据直接返回给本主机 因此 网络号等于127的数据报文不能出现在任何网络上 主机和路由器不能为该地址广播任何寻径信息 回送地址的用途是 可以实现对本机网络协议的测试或实现本地进程间的通信 35 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址掩码MASK掩码是一个与IP地址对应的32位数字 掩码的一些位为1 另一些位为0 通过掩码可以把IP地址中的主机号再分为两部分 子网号和主机号 其工作原理是掩码与IP地址逐位相 与 36 第三章INTERNET的网络层 IP协议IP地址掩码MASK掩码开始连续的几位设为1 IP地址与掩码中为1的位相对应的部分为子网号 其他为0的位则表示的是主机号 使用了掩码后 我们通常把原来的网络号和新划分的子网号合在一起称为网络号 与掩码为1的位相对应 把掩码划分后的新的主机号叫做主机号 与掩码为0的位相对应 A类地址相对应的标准掩码是 255 0 0 0B类地址相对应的标准掩码是 255 255 0 0C类地址相对应的标准掩码是 255 255 255 0 37 IP地址我们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 3 2网际协议IP 38 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 IP地址 3 2网际协议IP 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 39 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 A类地址的网络号字段net id为1字节 40 41 用二进制表示时 A类地址的最高位为0 因此第一个八位组的最大值 01111111 转换成十进制数为127 最小值为00000000 转换成十进制数为0 规定 0和127两个数保留使用 不能用作网络地址 所以 任何IP地址的第一个八位组的取值范围在1 126之间的都是A类地址 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 B类地址的网络号字段net id为2字节 42 43 用二进制表示时 B类地址的前两位总是10 因此 第1个八位组的最大值 10111111 转换成十进制数为191 最小值10000000 转换成十进制为128 任何IP地址的第一个八位组的取值范围在128 191之间的都是B类地址 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 C类地址的网络号字段net id为3字节 44 45 用二进制表示时 C类地址的前三位总是110 因此 第1个八位组的最大值 11011111 转换成十进制数为223 最小值11000000 转换成十进制为192 任何IP地址的第一个八位组的取值范围在192 223之间的都是C类地址 46 net id24位 host id24位 net id16bit net id8位 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 47 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 点分十进制记法 3 2网际协议IP 48 说明 可以根据IP地址第一个八位组的值来确定地址的类别 127用作回环测试 不能分配给网络 总结 49 常用的三种类别的IP地址 IP地址的使用范围 网络最大第一个最后一个每个网络类别网络数可用的可用的中最大的网络号网络号主机数A126 27 2 112616 777 214B16 383 214 1 128 1191 25565 534C2 097 151 221 1 192 0 1223 255 255254 50 主机标识的有关规定全 1 和全 0 的地址是专用的 不能进行分配 每一台主机都必须有一个非零的主机标识 全 1 的主机标识保留作为该网络的广播地址 全 0 的主机标识用于代表该网络本身 127 0 0 0是保留地址 不能作为网络地址 127 0 0 1称为自返或回送 Loopback 地址 用于回路测试 51 从一个IP数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分 使用子网掩码 subnetmask 可以找出IP地址中的子网部分 2 子网掩码 52 IP地址的各字段和子网掩码 145 13 3 10 两级IP地址 子网号为3的网络的网络号 三级IP地址 主机号 子网掩码 net id host id 子网的网络地址 0 net id subnet id host id 145 13 145 13 3 3 10 53 IP地址 AND 子网掩码 网络地址 网络号net id 主机号host id 两级IP地址 网络号 三级IP地址 主机号 子网号 子网掩码 子网的网络地址 net id subnet id 0 逐位进行AND运算 54 111111111111111111111111 00000000 0000000000000000 1111111111111111 11111111 000000000000000000000000 net id net id host id为全0 net id 网络地址 A类地址 默认子网掩码255 0 0 0 网络地址 B类地址 默认子网掩码255 255 0 0 网络地址 C类地址 默认子网掩码255 255 255 0 host id为全0 host id为全0 默认子网掩码 55 子网掩码是一个重要属性 子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性 路由器在和相邻路由器交换路由信息时 必须把自己所在网络 或子网 的子网掩码告诉相邻路由器 路由器的路由表中的每一个项目 除了要给出目的网络地址外 还必须同时给出该网络的子网掩码 若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码 56 141 14 01000000 111111111111111111000000 例 已知IP地址是141 14 72 24 子网掩码是255 255 192 0 试求网络地址 a 点分十进制表示的IP地址 c 子网掩码是255 255 192 0 00000000 141 14 72 24 141 14 64 0 0 01001000 141 14 24 b IP地址的第3字节是二进制 d IP地址与子网掩码逐位相与 e 网络地址 点分十进制表示 57 141 14 01000000 111111111111111111100000 例 在上例中 若子网掩码改为255 255 224 0 试求网络地址 讨论所得结果 a 点分十进制表示的IP地址 c 子网掩码是255 255 224 0 00000000 141 14 72 24 141 14 64 0 0 01001000 141 14 24 b IP地址的第3字节是二进制 d IP地址与子网掩码逐位相与 e 网络地址 点分十进制表示 不同的子网掩码得出相同的网络地址 但不同的掩码的效果是不同的 58 IP地址的一些重要特点 1 IP地址是一种分等级的地址结构 分两个等级的好处是 第一 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 第二 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 59 IP地址的一些重要特点 2 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 60 IP地址的一些重要特点 3 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 4 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 61 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 62 63 MAC地址 硬件地址 MAC地址是一个48位地址 如00 80 c8 4b eb 0a MAC地址分为两部分 前24位表示网卡制造厂家的标识号 VendorCode 由IEEE统一分配 后24位是网卡的系列号 由网卡的生产厂家自行分配 MAC地址也叫物理地址 硬件地址或链路地址 由网络设备制造商生产时写在硬件内部 这个地址与网络无关 也即无论将带有这个地址的硬件 如网卡 集线器 路由器等 接入到网络的何处 它都有相同的MAC地址 MAC地址一般不可改变 不能由用户自己设定 64 IP地址与硬件地址 TCP报文 IP数据报 MAC帧 应用层数据 首部 首部 尾部 首部 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 65 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 66 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 67 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 68 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 69 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 70 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 71 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 IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节在抽象的网络层上讨论问题 就能够使用统一的 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 72 73 两个重要问题 1 如何知道某一个主机或路由器的硬件地址 2 IP数据报如何找到下一站路由器 74 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 75 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 每一个主机都设有一个ARP高速缓存 ARPcache 里面有所在局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表 当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时 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 再将此硬件地址写入MAC帧 然后通过局域网将该MAC帧发往此硬件地址 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 76 77 ARP高速缓存的作用 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 这对主机B以后向A发送数据报时就更方便了 78 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 79 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 80 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 81 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 82 IP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 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 83 84 两个重要问题 1 如何知道某一个主机或路由器的硬件地址 2 IP数据报如何找到下一站路由器 85 IP层转发分组的流程 有四个A类网络通过三个路由器连接在一起 每一个网络上都可能有成千上万个主机 可以想像 若按目的主机号来制作路由表 则所得出的路由表就会过于庞大 但若按主机所在的网络地址来制作路由表 那么每一个路由器中的路由表就只包含4个项目 这样就可使路由表大大简化 网110 0 0 0 网440 0 0 0 网330 0 0 0 网220 0 0 0 10 0 0 4 40 0 0 4 30 0 0 2 20 0 0 9 20 0 0 7 目的主机所在的网络 下一条地址 20 0 0 0 30 0 0 0 10 0 0 0 40 0 0 0 20 0 0 7 30 0 0 1 直接交付 接口1 直接交付 接口0 路由器R2的路由表 30 0 0 1 10 0 0 4 40 0 0 4 30 0 0 2 20 0 0 9 20 0 0 7 30 0 0 1 链路4 链路3 链路2 链路1 R2 R3 R1 0 1 R2 R3 R1 在路由表中 对每一条路由 最主要的是 目的网络地址 下一条地址 86 87 查找路由表 根据目的网络地址就能确定下一条路由器 这样做的结果是 IP数据报最终一定可以找到目的主机所在目的网络上的路由器 可能要通过多次的间接交付 只有到达最后一个路由器时 才试图向目的主进行直接交付 88 特定主机路由 这种路由是为特定的目的主机指明一个路由 采用特定主机路由可使网络管理人员能更方便地控制网络和测试网络 同时也可在需要考虑某种安全问题时采用这种特定主机路由 89 默认路由 路由器还可采用默认路由以减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间 默认路由在主机发送IP数据报时往往更能显示出它的好处 如果一个主机连接在一个小网络上 而这个网络只用一个路由器和因特网连接 那么在这种情况下使用默认路由是非常合适的 N1 R1 因特网 目的网络下一条N1直接N2R2默认R1 路由表 N2 R2 只要目的网络不是N1和N2 就一律选择默认路由 把数据报先间接交付路由器R1 让R1再转发给下一个路由器 90 91 必须强调指出 IP数据报的首部中没有地方可以用来指明 下一跳路由器的IP地址 当路由器收到待转发的数据报 不是将下一跳路由器的IP地址填入IP数据报 而是送交下层的网络接口软件 网络接口软件使用ARP负责将下一跳路由器的IP地址转换成硬件地址 并将此硬件地址放在链路层的MAC帧的首部 然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器 分组转发算法 1 从数据报的首部提取目的主机的IP地址D 得出目的网络地址为N 2 若网络N与此路由器直接相连 则把数据报直接交付目的主机D 否则是间接交付 执行 3 3 若路由表中有目的地址为D的特定主机路由 则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器 否则 执行 4 4 若路由表中有到达网络N的路由 则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器 否则 执行 5 5 若路由表中有一个默认路由 则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器 否则 执行 6 6 报告转发分组出错 92 93 3 3划分子网 1 从两级IP地址到三级IP地址在ARPANET的早期 IP地址的设计确实不够合理 IP地址空间的利用率有时很低 给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏 两级的IP地址不够灵活 94 从1985年起在IP地址中又增加了一个 子网号字段 使两级的IP地址变成为三级的IP地址 这种做法叫作划分子网 subnetting 划分子网已成为因特网的正式标准协议 三级的IP地址 95 划分子网纯属一个单位内部的事情 单位对外仍然表现为没有划分子网的网络 从主机号借用若干个位作为子网号subnet id 而主机号host id也就相应减少了若干个位 IP地址 划分子网的基本思路 96 凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报 仍然是根据IP数据报的目的网络号net id 先找到连接在本单位网络上的路由器 然后此路由器在收到IP数据报后 再按目的网络号net id和子网号subnet id找到目的子网 最后就将IP数据报直接交付目的主机 划分子网的基本思路 续 145 13 3 10 145 13 3 11 145 13 3 101 145 13 7 34 145 13 7 35 145 13 7 56 145 13 21 23 145 13 21 9 145 13 21 8 所有到网络145 13 0 0的分组均到达此路由器 我的网络地址是145 13 0 0 R1 R3 R2 一个未划分子网的B类网络145 13 0 0 97 划分为三个子网后对外仍是一个网络 145 13 3 10 145 13 3 11 145 13 3 101 145 13 7 34 145 13 7 35 145 13 7 56 145 13 21 23 145 13 21 9 145 13 21 8 子网145 13 21 0 子网145 13 3 0 子网145 13 7 0 所有到达网络145 13 0 0的分组均到达此路由器 网络145 13 0 0 R1 R3 R2 98 99 当没有划分子网时 IP地址是两级结构 网络号 主机号划分子网后IP地址就变成了三级结构 网络号 子网号 主机号划分子网只是把IP地址的主机号 这部分进行再划分 而不改变IP地址原来的网络号 划分子网后变成了三级结构 100 子网 Subnet 划分 例如 三个LAN 主机数为20 25 48 均少于C类地址允许的主机数 为这三个LAN申请3个C类IP地址显然有点浪费 101 子网划分举例 例如 C类网络192 10 1 0 主机号部分的前三位用于标识子网号 即 110000000000101000000001xxxyyyyy 网络号 子网号 新的主机号部分 子网号为全 0 全 1 不能使用 于是划分出23 2 6个子网 子网地址分别为 11000000000010100000000100100000 192 10 1 3211000000000010100000000101000000 192 10 1 6411000000000010100000000101100000 192 10 1 9611000000000010100000000110000000 192 10 1 12811000000000010100000000110100000 192 10 1 16011000000000010100000000111000000 192 10 1 192 102 从一个IP数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分 使用子网掩码 subnetmask 可以找出IP地址中的子网部分 2 子网掩码 103 IP地址的各字段和子网掩码 145 13 3 10 两级IP地址 子网号为3的网络的网络号 三级IP地址 主机号 子网掩码 net id host id 子网的网络地址 0 net id subnet id host id 145 13 145 13 3 3 10 104 IP地址 AND 子网掩码 网络地址 网络号net id 主机号host id 两级IP地址 网络号 三级IP地址 主机号 子网号 子网掩码 子网的网络地址 net id subnet id 0 逐位进行AND运算 111111111111111111111111 00000000 0000000000000000 1111111111111111 11111111 000000000000000000000000 net id net id host id为全0 net id 网络地址 A类地址 默认子网掩码255 0 0 0 网络地址 B类地址 默认子网掩码255 255 0 0 网络地址 C类地址 默认子网掩码255 255 255 0 host id为全0 host id为全0 默认子网掩码 105 106 子网掩码是一个重要属性 子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性 路由器在和相邻路由器交换路由信息时 必须把自己所在网络 或子网 的子网掩码告诉相邻路由器 路由器的路由表中的每一个项目 除了要给出目的网络地址外 还必须同时给出该网络的子网掩码 若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码 141 14 01000000 111111111111111111000000 例 已知IP地址是141 14 72 24 子网掩码是255 255 192 0 试求网络地址 a 点分十进制表示的IP地址 c 子网掩码是255 255 192 0 00000000 141 14 72 24 141 14 64 0 0 01001000 141 14 24 b IP地址的第3字节是二进制 d IP地址与子网掩码逐位相与 e 网络地址 点分十进制表示 107 141 14 01000000 111111111111111111100000 例 在上例中 若子网掩码改为255 255 224 0 试求网络地址 讨论所得结果 a 点分十进制表示的IP地址 c 子网掩码是255 255 224 0 00000000 141 14 72 24 141 14 64 0 0 01001000 141 14 24 b IP地址的第3字节是二进制 d IP地址与子网掩码逐位相与 e 网络地址 点分十进制表示 不同的子网掩码得出相同的网络地址 但不同的掩码的效果是不同的 108 109 通过子网掩码划分子网 以B类地址135 50 0 0为例 2 10 Host id 2 本地分配 B类地址 6位 10bit 10 Host id Subnet id 子网号 主机号 增加子网号 子网掩码 0000000000 111111 11111111 11111111 8个 8个 6个 10个 110 通过子网掩码划分子网 B类的一个网络地址为130 50 0 0 其用二进制表示为 10000010001100100000000000000000 说明 subnet id 子网号 6位 可表示子网号62个 全 1 0 不用 26 2 主机号 host id 10位 可表示1022个主机 全 1 全 0 不用 210 2 子网可使用的IP地址 第一子网 从130 50 4 1开始 130 50 7 254 第二子网 从130 50 8 1开始 111 子网地址计算 子网掩码 IP地址 结果就是该IP地址的网络号 例如 IP地址202 117 1 207 子网掩码255 255 255 22411001010011101010000000111001111 1111111111111111111111111110000011001010011101010000000111000000 子网地址为 202 117 1 192主机号为 15主机之间要能够通信 它们必须在同一子网内 否则需要使用路由器 或网关 实现互联 112 子网规划举例 网络分配了一个C类地址 201 222 5 0 假设需要20个子网 每个子网有5台主机 试确定各子网地址和子网掩码 1 对C类地址 要从最后8位中分出几位作为子网地址 24 20 25 选择5位作为子网地址 共可提供30个子网地址 2 检查剩余的位数能否满足每个子网中主机台数的要求 子网地址为5位 故还剩3位可以用作主机地址 而23 5 2 所以可以满足每子网5台主机的要求 3 子网掩码为255 255 255 248 11111000B 248 4 子网地址可在8 16 24 32 240共30个地址中任意选择20个 113 子网划分举例 某企业需要5个子网 每个子网可支持20台主机 并申请了一个C类地址192 168 10 0 给出子网掩码以及每个子网的主机地址范围 114 子网划分举例 学院新建4个机房 每个房间有25台机器 给定一个网络地址空间 192 168 10 0 给出子网掩码以及每个子网的主机地址范围 115 在不划分子网的两级IP地址下 从IP地址得出网络地址是个很简单的事 但在划分子网的情况下 从IP地址却不能唯一地得出网络地址来 这是因为网络地址取决于那个网络所采用的子网掩码 但数据报的首部并没有提供子网掩码的信息 因此分组转发的算法也必须做相应的改动 使用子网掩码的分组转发过程 128 30 33 1 0 128 30 33 13 H1 子网1 网络地址128 30 33