4 网络层 计算机网络 教案

计算机网络（第5版）,第4章网络层,第4章网络层,4.1网络层提供的两种服务4.2网际协议IP4.2.1虚拟互连网络拥塞控制(补充)4.2.2分类的IP地址4.2.3IP地址与硬件地址4.2.4地址解析协议ARP与逆地址解析协议RARP4.2.5IP数据报的格式4.3划分子网和构造超网4.3.1划分子网,网络层主要解决的问题,1路由选择2网络互连3拥塞控制(流量问题)4向上层提供服务,路由选择:存储-转发交换机制,存储-转发分组交换机制：如果有一台主机要发送一个分组，那么它将分组传送给最近的路由器，该路由器或在它自己的LAN上，或在一条通向承运商的点到点链路上。该分组被存储在路由器上，直到它完全到达路由器为止，所以路由器可以验证它的校验和。然后它被沿路转发到下一台路由器，直到到达目标主机为止，最后在目标主机上它被递交给相应的进程。,4.1网络层提供的两种服务,网络层服务设计目标：1.服务应与通信子网技术无关2.通信子网的数量、类型和拓扑结构对于传输层来说是隐蔽的。3.传输层所能获得的网络地址应采用同一的编号方式。网络层应该提供的服务类型：1.面向连接的服务因特网委员会支持（虚电路服务）2.无连接的服务电信公司支持（数据报服务）网络层提供的服务类型争论的实质是将复杂的功能放在何处的问题1.面向连接：置于网络层(通信子网)2.无连接：置于传输层(主机)3.该复杂功能为：分组排序、流量控制等。,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。,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1要和H5通信,主机H1先向主机H5发出一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机H5同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,同理，主机H2和主机H6通信之前，也要建立虚电路。,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量QoS(QualityofService)有较好的保证。,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。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。,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。,提供数据报服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1向H5发送分组,H2向H6发送分组,路径可能变化,网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。,提供数据报服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。,提供数据报服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,网络不保证所传送的分组不丢失也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机,提供数据报服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,当网络发生拥塞时网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃,提供数据报服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。实际上“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务。,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。,虚电路服务与数据报服务的对比,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,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,4.2.1虚拟互连网络,网络互联：两个或多个网络构成互联网。,一组相互连接的网络,网络互联的原因,多种不同网络（协议）存在的原因历史原因：不同公司的网络产品大量使用；价格原因：网络产品价格低，更多的人有权决定使用何种网络；技术原因：不同网络采用不同技术、不同硬件、不同协议。不同的网络(协议)：几乎所有UNIX厂商都运行TCP/IP协议很多大商业机构仍然使用运行IBMSNA的主机型计算机个人计算机组成的局域网以TCP/IP为主，但还有运行NovellNCP/IPX或AppleTalk电信局支持的ATM网络,网络互联的类型,互联类型：LAN-LANLAN-WANWAN-WANLAN-WAN-LAN,路由器在网络互连中的作用,直接交付和间接交付,间接交付,间接交付,间接交付,A,B,C,直接交付,间接交付,直接交付不需要使用路由器但间接交付就必须使用路由器,分组丢弃,若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的可用存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。,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（IP网）,虚拟互连网络的意义,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。,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,几种互连方式的对比,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,课件制作人：谢希仁,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,分级路由,随着网络规模的增长，路由器的路由表也成比例增长。不断增长的路由表不仅消耗路由器的内存，而且还需要更多的CPU时间来扫描路由表，需要更多的带宽来发送有关的状态报告，最终导致路由器无法完成需求，因此采取分级路由。在采取了分级路由之后，路由器被划分成区域，每个路由器知道任何将分组路由到自己所在区域内的目标地址，但对其他区域的内部结构完全未知。对于大型网络，需要多级路由，就像电话网络中那样。,拥塞控制,网络资源：计算机网络中的链路容量(即带宽)、交换节点中的缓存和处理机等。拥塞(congestion)：网络上有太多的包时，性能会下降，这种情况称为拥塞。,当流量太大时，拥塞就会发生（P325）,拥塞控制算法,拥塞发生条件：对资源的需求总和可用资源拥塞控制与流量控制的差异：-拥塞控制必须确保通信子网能运送待传送的数据，这是全局性的问题。包括：主机、路由器、路由器内部的存储-转发处理过程，以及所有可能削弱子网承载容量的因素。-流量控制只与某发送者和某接收者之间的点到点通信量有关。,拥塞控制的通用原则,从控制论角度，拥塞控制分：开环闭环开环：开环的关键在于，它致力于通过良好的设计来避免问题的出现，确保问题在一开始就不会发生。一旦系统安装并运行起来，就不再做任何中间阶段的更正。闭环：(反馈回路)1.监视系统，检测何时何地发生了拥塞。2.将此信息传送到可能采取行动的地方。3.调整系统运行以改正问题。,虚电路子网中的拥塞控制,方法1：准入控制(admissioncontrol)，即一旦出现拥塞的信号，就不再创建任何虚电路，直到拥塞解除。方法2：允许建立新的虚电路，但要仔细选择路由，使所有新的虚电路都绕开有问题的区域。,（a）一个拥塞子网；（b）消除拥塞后的子网（P329）,抖动控制,抖动：分组到达时间的变化量（即标准偏差）。抖动控制：通过计算出沿途每一跳的期望传输时间，就可以对抖动加以控制。当一个分组到达一台路由器的时候，该路由器对它进行检查，看这个分组比预定的时间来早了还是晚了。如果一个分组提前到达的话，那么它可以多停留一段时间，以便回到预定的时间点上。如果一个分组推后到达的话，路由器尽可能快地将它转发出去。,4.2.2分类的IP地址1.IP地址及其表示方法,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,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。,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:=,(4-1),:=代表“定义为”,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,点分十进制记法,采用点分十进制记法则进一步提高可读性,1,12811331,将每8位的二进制数转换为十进制数,2.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(272)112616,777,214B16,383(2141)128.1191.25565,534C2,097,151(2211)192.0.1223.255.255254,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。,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。,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.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,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.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,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.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,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.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,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.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,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.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,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.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,互联网,两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明IP地址。如指明IP地址，则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊“网络”。现在常不指明IP地址。,4.2.3IP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,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,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,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,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,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)，里面有所在的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,,,00-00-C0-15-AD-18,08-00-2B-00-EE-0A,我是，硬件地址是00-00-C0-15-AD-18我想知道主机的硬件地址,我是硬件地址是08-00-2B-00-EE-0A,A,Y,X,B,Z,,,00-00-C0-15-AD-18,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。,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。,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,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,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,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)。MF1表示后面“还有分片”。MF0表示最后一个分片。标志字段中间的一位是DF(DontFragment)。只有当DF0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,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,协议字段指出应将数据部分交给哪一个进程,运输层,网络层,首部,TCP,UDP,ICMP,IGMP,OSPF,数据部分,IP数据报,4.3划分子网和构造超网4.3.1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。,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,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:=,(4-2),划分子网的基本思路,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）,0,1,01,4,5,6,3,,,所有到网络的分组均到达此路由器,我的网络地址是,R1,R3,R2,一个未划分子网的B类网络,划分为三个子网后对外仍是一个网络,0,1,01,4,5,6,3,,,子网,子网,子网,所有到达网络的分组均到达此路由器,网络,R1,R3,R2,当没有划分子网时，IP地址是两级结构。划分子网后IP地址就变成了三级结构。划分子网只是把IP地址的主机号host-id这部分进行再划分，而不改变IP地址原来的网络号net-id。,划分子网后变成了三级结构,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,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,(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,网络地址,B类地址,默认子网掩码,网络地址,C类地址,默认子网掩码,host-id为全0,host-id为全0,默认子网掩码,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