计算机网络 课件 第6章：网络层

1、 本章学习要求本章学习要求 理解：理解： 网络层与网络互联的基本概念。网络层与网络互联的基本概念。 掌握：掌握： IPv4协议的基本内容。协议的基本内容。 掌握：掌握： IP地址、路由算法与路由协议的基本概念。地址、路由算法与路由协议的基本概念。 掌握：掌握： 地址解析地址解析ARP的基本概念与方法。的基本概念与方法。 掌握：掌握： 路由器与第三层交换的基本概念。路由器与第三层交换的基本概念。 掌握：掌握： IPv6协议的基本内容。协议的基本内容。 掌握：掌握： 移动移动IP的基本概念。的基本概念。 掌握：掌握： ICMP与与IGMP协议的基本概念。协议的基本概念。 掌握：掌握： MPLS协议

2、与虚拟专网协议与虚拟专网VPN的基本概念。的基本概念。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 2 本章知识点结构本章知识点结构 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 3 6.1 网络层与网络层与IP协议协议 6.1.1 网络层基本概念网络层基本概念 网络层通过路由选择算法，为网络层通过路由选择算法，为IP分组从源主分组从源主 机到目的主机选择一条合适的传输路径，为机到目的主机选择一条合适的传输路径，为 传输层端传输层端端数据传输提供服务。端数据传输提供服务。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 4 6.1.2 IP协议的发展与演变协议的发展与演变 计算机网

3、络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 5 6.2 IPv4协议的基本内容协议的基本内容 6.2.1 IP协议的主要特点协议的主要特点 IP协议是一种无连接、不可靠的分组传送服务的协议是一种无连接、不可靠的分组传送服务的 协议协议 IP协议是针对源主机协议是针对源主机路由器、路由器路由器、路由器路由器路由器 、路由器、路由器目的主机之间的数据传输的点目的主机之间的数据传输的点点的点的 网络层通信协议。网络层通信协议。 IP协议提供的是一种协议提供的是一种 “尽力而为（尽力而为（best-effort）” 的服务的服务。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 6 IP协议屏蔽了互联

4、的网络在数据链路层、物理层协议屏蔽了互联的网络在数据链路层、物理层 协议与实现技术上的差异协议与实现技术上的差异 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 7 6. 2. 2 I P v 4 分分 组组 格格 式式 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 8 版本字段版本字段 版本版本字段字段长度为长度为4位。位。 版本字段值为版本字段值为4，表示，表示IPv4；版本字段值为；版本字段值为6，表示，表示IPv6。 协议字段协议字段 协议字段长度为协议字段长度为8位。位。 表示表示使用使用IP协议的高层协议类型。协议的高层协议类型。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网

5、络层 9 表表6-1 协议字段值所表示的高层协议类型协议字段值所表示的高层协议类型 （3）长度）长度 长度长度 分组头长度字段分组头长度字段 分组头长度字段的长度为分组头长度字段的长度为4位，它定义了以位，它定义了以4字节为一个单字节为一个单 位的分组头的长度。位的分组头的长度。 分组头中除了分组头中除了IP选项字段与填充字段之外，其他各项是定选项字段与填充字段之外，其他各项是定 长的。长的。 分组头长度字段最小值为分组头长度字段最小值为5，最大长度为。最大长度为。 总长度字段总长度字段 总长度字段长度为总长度字段长度为16位，定义以字节为单位的分组总长度位，定义以字节为单位的分组总长度 ，是

6、分组头长度与数据长度之和。，是分组头长度与数据长度之和。 总长度字段长度为总长度字段长度为16位，它能表示的位，它能表示的IP分组最大长度为分组最大长度为 65535（2161）字节，其中包括分组头长度。）字节，其中包括分组头长度。 IP分组中高层协议的数据长度等于分组的总长度减去分组分组中高层协议的数据长度等于分组的总长度减去分组 头长度。头长度。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 10 服务类型字段服务类型字段 服务类型（服务类型（service type）字段的长度为）字段的长度为8位，用于指示路位，用于指示路 由器如何处理该分组。由器如何处理该分组。 服务类型由服务类型

7、由4位的服务类型（位的服务类型（TOS）字段与）字段与3位的优先级（位的优先级（ 字段构成，字段构成，1位的保留位。位的保留位。 服务类型参数（服务类型参数（TOS）位有）位有4位，每位分别表示：位，每位分别表示：D（延（延 迟）、迟）、T（吞吐量）、（吞吐量）、R（可靠性）与（可靠性）与C（成本）。（成本）。 每位每位取取0或或1两个可能的取值。两个可能的取值。 每个服务类型参数每个服务类型参数4位组合中，最多只能有一位的值为位组合中，最多只能有一位的值为1， 其他其他3个位的值则为个位的值则为0。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 11 生存时间（生存时间（TTL）字段）字

8、段 生存时间生存时间TTL用来设定分组在用来设定分组在Internet中的中的“寿寿 命命”，它通常是用转发分组最多的路由器跳数，它通常是用转发分组最多的路由器跳数 （hop）来度量。）来度量。 生存时间生存时间TTL的初始值由源主机设置，经过一的初始值由源主机设置，经过一 个路由器转发之后，个路由器转发之后，TTL值减值减1。 当当TTL的值为的值为0时，丢弃分组并发送时，丢弃分组并发送ICMP报报 文通知源主机。文通知源主机。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 12 头校验和头校验和字段字段 头校验和字段长度为头校验和字段长度为8位。位。 设置头校验和是为了保证分组头部数据

9、完整性。设置头校验和是为了保证分组头部数据完整性。 IP分组只对分组头进行校验，不包括分组数据分组只对分组头进行校验，不包括分组数据。 IP分组头之外的部分属于高层数据，高层数据都分组头之外的部分属于高层数据，高层数据都 会有相应的校验字段，会有相应的校验字段，IP分组不对高层数据进行分组不对高层数据进行 校验。校验。 每经过一个路由器，每经过一个路由器，IP分组头都要改变一次，数分组头都要改变一次，数 据部分并不改变。设置头校验和只对变化部分进据部分并不改变。设置头校验和只对变化部分进 行校验是合理的，可以减少路由器对每个接收分行校验是合理的，可以减少路由器对每个接收分 组的处理时间，提高路

10、由器的运行效率。组的处理时间，提高路由器的运行效率。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 13 地址字段地址字段 分组头中最简单的部分是地址字段。分组头中最简单的部分是地址字段。 地址字段包括源地址与目的地址。地址字段包括源地址与目的地址。 源地址与目的地址字段长度都是源地址与目的地址字段长度都是32位，分别表示位，分别表示 发送分组的源主机与接收分组的目的主机的发送分组的源主机与接收分组的目的主机的IP地地 址。址。 在分组的整个传输过程中，无论采用什么样的传在分组的整个传输过程中，无论采用什么样的传 输路径或如何分片，源地址与目的地址始终保持输路径或如何分片，源地址与目的地址

11、始终保持 不变。不变。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 14 IP分组的分片与组装分组的分片与组装 在在IP分组头中，与分组的分片与组装相关的字段分组头中，与分组的分片与组装相关的字段 有：标识、标志与片偏移有：标识、标志与片偏移。 IP分组的最大长度为分组的最大长度为65535个字节。个字节。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 15 分片方法的例子分片方法的例子 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 16 分片与字段标识、标志与片偏移分片与字段标识、标志与片偏移 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 17 IP分组头选项分组头选项 设

12、置设置IP分组头选项的主要目的分组头选项的主要目的 设置设置IP分组头选项主要用于控制与测试。分组头选项主要用于控制与测试。 所有实现所有实现IP协议的硬件或软件都应该能够处理分组头协议的硬件或软件都应该能够处理分组头 选项选项。 选项的最大长度为选项的最大长度为40字节，如果用户使用的选项长度字节，如果用户使用的选项长度 不是不是4字节的整数倍，需要添加填充位，补成字节的整数倍，需要添加填充位，补成4字节的字节的 整数倍。整数倍。 分组头选项由选项码、长度与选项数据等分组头选项由选项码、长度与选项数据等3部分组成。部分组成。 选项码用于确定该选项的具体功能，例如源路由、记选项码用于确定该选项

13、的具体功能，例如源路由、记 录路由、时间戳等。长度表示出选项数据的大小。录路由、时间戳等。长度表示出选项数据的大小。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 18 源路由源路由 源路由是指由发送分组的源主机制定的传输路径，用来区源路由是指由发送分组的源主机制定的传输路径，用来区 别由路由器通过路由选择算法确定的路径。别由路由器通过路由选择算法确定的路径。 源路由分为严格源路由（源路由分为严格源路由（SRR）与松散源路由（）与松散源路由（LRR）。 严格源路由规定分组要经过的路径上每个路由器，相邻路严格源路由规定分组要经过的路径上每个路由器，相邻路 由器之间不能插入其他路由器，并且经过

14、的路由器顺序不由器之间不能插入其他路由器，并且经过的路由器顺序不 能改变。能改变。 松散源路由规定分组一定要经过的路由器，但不是一条完松散源路由规定分组一定要经过的路由器，但不是一条完 整的传输路径，中途可以经过其他路由器。整的传输路径，中途可以经过其他路由器。 记录路由记录路由 记录路由是将分组经过的每个路由器记录路由是将分组经过的每个路由器IP地址记录地址记录下来。下来。 记录路由选项常用于网络测试。记录路由选项常用于网络测试。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 19 时间戳（时间戳（TS） 时间戳可以记录分组经过每个路由器的本地时间戳可以记录分组经过每个路由器的本地 时间

15、。时间。 时间戳采用格林威治时间，单位是毫秒。时间戳采用格林威治时间，单位是毫秒。 网络管理员可以利用它追踪路由器的运行状网络管理员可以利用它追踪路由器的运行状 态，分析网络吞吐率、拥塞与负荷情况等。态，分析网络吞吐率、拥塞与负荷情况等。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 20 校验和计算方法校验和计算方法 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 21 6. 3 I P v 4 地地 址址 6.3.1 IP地址的基本概念地址的基本概念 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 22 6.3.2 标准分类标准分类 IP地址地址 网络接口与网络接口与 IP地址的关

16、系地址的关系 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 23 I P 地地 址址 分分 配配： 连接到连接到Internet的每一个主机（计算机或路由器）的每一个主机（计算机或路由器） 至少有一个至少有一个IP地址。地址。 IP地址是分配给网络接口的。地址是分配给网络接口的。 多归属主机可以有多个多归属主机可以有多个IP地址。地址。 一个网络接口也可以分配多个一个网络接口也可以分配多个IP地址。地址。 网桥、网桥、Ethernet交换机、集线器交换机、集线器Hub属于数据链属于数据链 路层设备，使用路层设备，使用MAC地址，不属于网络层设备，地址，不属于网络层设备， 不分配不分配IP地

17、址。地址。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 24 标准分类的标准分类的IP地址地址 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 25 标准分类的标准分类的IP地址地址覆盖范围覆盖范围 A类地址类地址：1.0.0.0127.255.255.255 B类地址：类地址：128.0.0.0191.255.255.255 C类地址：类地址：192.0.0.0223.255.255.255 D类类IP地址：地址：224.0.0.0239.255.255.255 E类类IP地址：地址：240.0.0.0247.255.255.255 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层

18、26 特特 殊殊 I P 地地 址址 直接广播地址直接广播地址：A类、类、B类与类与C类类IP地址中地址中 主机号是全主机号是全1的的IP地址，地址，如如191.1.255.255 受限广播受限广播地址地址：网络号与主机号为全网络号与主机号为全1的的IP 地址（地址（255.255.255.255） “这个网络上的特定主机这个网络上的特定主机”地址地址：网络号是网络号是 全全0（如（如0.0.0.25） 回送地址回送地址：127.0.0.0是回送地址是回送地址 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 27 专用专用IP地址地址 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 28

19、保留的专用地址保留的专用地址 6. 3. 3 划划 分分 子子 网网 的的 三三 级级 地地 址址 结结 构构 子网掩码的概念子网掩码的概念 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 29 一个一个B类地址划分为类地址划分为64个子网的例子个子网的例子 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 30 可变长度子网掩码（可变长度子网掩码（VLSM）技术）技术 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 31 6. 3. 4 无无 类类 别别 域域 间间 路路 由由 C I D R 一个划分一个划分CIDR地址块的例子地址块的例子 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网

20、络层 32 划分划分CIDR地址块后的校园网结构地址块后的校园网结构 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 33 CIDR及对应及对应 的掩码的掩码 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 34 6. 3. 5 网网 络络 地地 址址 转转 换换 N A T ISP使用使用NAT技术技术 的结构示意图的结构示意图 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 35 NAT工作过程示意图工作过程示意图 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 36 6.4 路由选择算法与分组交付路由选择算法与分组交付 6.4.1 分组交付和路由选择的基本概念分组交付和路由选择的

21、基本概念 分组交付的基本概念分组交付的基本概念 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 37 评价路由选择的依据评价路由选择的依据: : 算法必须是正确、稳定和公平的算法必须是正确、稳定和公平的 算法应该尽量简单算法应该尽量简单 算法必须能够能够适应网络拓扑和通信量算法必须能够能够适应网络拓扑和通信量 的变化的变化 算法应该是最佳的算法应该是最佳的 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 38 路由选择算法的主要参数路由选择算法的主要参数 跳数（跳数（hop count）：一个分组从源主机到达目的主机的一个分组从源主机到达目的主机的 路径上，转发分组的路由器数量。路径上，转

22、发分组的路由器数量。 带宽（带宽（bandwidth）：链路的传输速率。链路的传输速率。 延时（延时（delay）：一个分组从源主机到达目的主机花费的一个分组从源主机到达目的主机花费的 时间。时间。 负载（负载（load）：通过路由器或线路的单位时间通信量。通过路由器或线路的单位时间通信量。 可靠性（可靠性（reliability）：传输过程中的分组丢失率。传输过程中的分组丢失率。 开销（开销（overhead）：传输过程中的耗费，通常与所使用的传输过程中的耗费，通常与所使用的 链路长度、数据速率、链路容量、安链路长度、数据速率、链路容量、安 全、传播延时与费用等因素相关。全、传播延时与费用等

23、因素相关。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 39 路由选择算法的分类路由选择算法的分类 静态路由表静态路由表 静态路由表是由人工方式建立。静态路由表是由人工方式建立。 简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。 动态路由表动态路由表 大型互联网络通常采用动态路由表。大型互联网络通常采用动态路由表。 在网络系统运行时，系统将自动运行动态路由选择协在网络系统运行时，系统将自动运行动态路由选择协 议，建立路由表。议，建立路由表。 当当互联网络互联网络结构变化时，动态路由选择协议就会自动结构变化时，动态路由选择协议就会自动 更新所有路

24、由器中的路由表。更新所有路由器中的路由表。 不同的网络需要选择不同的动态路由选择协议。不同的网络需要选择不同的动态路由选择协议。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 40 路由表的生成与使用路由表的生成与使用 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 41 IP路由汇聚路由汇聚 最长前缀匹配原则最长前缀匹配原则 路由汇聚是减少路由表项数量的重要手段。路由汇聚是减少路由表项数量的重要手段。 路由表项由路由表项由“网络前缀网络前缀”和和“下一跳地址下一跳地址”组成。组成。 路由选择路由选择是是选择具有最长网络前缀的路由的过选择具有最长网络前缀的路由的过 程，这就是程，这就是“

25、最长前缀匹配最长前缀匹配”的路由选择原则。的路由选择原则。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 42 CIDR的路由汇聚过程示意图的路由汇聚过程示意图 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 43 路由器路由器RG的路由表的路由表 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 44 汇聚后的路由器汇聚后的路由器RG的路由表的路由表 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 45 6. 4. 2 路路 由由 表表 的的 建建 立、立、 更更 新新 与与 路路 由由 选选 择择 协协 议议 解决解决Internet路由选择协议的基本思路路由选择协议的基本思路 在

26、结构如此复杂的在结构如此复杂的Internet环境中，试图建立一个能适用环境中，试图建立一个能适用 于整个于整个Internet环境的全局性的路由选择算法是不切实际环境的全局性的路由选择算法是不切实际 的。在路由选择问题上也必须采用分层的思路，以的。在路由选择问题上也必须采用分层的思路，以“化整化整 为零为零”、“分而治之分而治之”的办法来解决这个很复杂的问题。的办法来解决这个很复杂的问题。 路由选择算法与路由选择协议是有区别的。路由选择算法与路由选择协议是有区别的。 设计路由选择算法的目标是生成路由表，为路由器转发设计路由选择算法的目标是生成路由表，为路由器转发IP 分组找出适当的下一跳路由

27、器分组找出适当的下一跳路由器。 设计路由选择协议的目标是实现路由表中路由信息的动态设计路由选择协议的目标是实现路由表中路由信息的动态 更新。更新。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 46 自治系统的基本概念自治系统的基本概念 自治系统的核心是路由选择的自治系统的核心是路由选择的“自治自治”。 一个自治系统内部路由器之间能够使用动态的路由选择协一个自治系统内部路由器之间能够使用动态的路由选择协 议，及时地交换路由信息，精确地反映自治系统网络拓扑议，及时地交换路由信息，精确地反映自治系统网络拓扑 的当前状态。的当前状态。 自治系统内部的路由选择称为域内路由选择；自治系统之自治系统内

28、部的路由选择称为域内路由选择；自治系统之 间的路由选择称为域间路由选择。间的路由选择称为域间路由选择。 对应于自治系统的结构，路由选择协议也分为两大类：对应于自治系统的结构，路由选择协议也分为两大类： 内部网关协议（内部网关协议（IGP）、外部网关协议（）、外部网关协议（EGP）。）。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 47 自治系统与自治系统与IGP、EGP之间的关系之间的关系 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 48 6.4.3 路由信息路由信息 协议协议RIP 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 49 6.4.4 最短路径优先协议最短路径优先协

29、议OSPF OSPF主干区域与区域的概念主干区域与区域的概念 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 50 OSPF协议执行过程协议执行过程 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 51 OSPF域最短路径选择过程域最短路径选择过程 一个自治系统划分为多个区域的结构一个自治系统划分为多个区域的结构 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 52 计算最短路径的拓扑图计算最短路径的拓扑图 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 53 根据最小开销计算方法得出的最短路径根据最小开销计算方法得出的最短路径 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 54

30、以以R8为根的最短路径树为根的最短路径树 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 55 6.4.5 外部网关协议外部网关协议BGP 外部网关协议的基本设计思想外部网关协议的基本设计思想 外部网关协议是不同自治系统的路由器之间交换外部网关协议是不同自治系统的路由器之间交换 路由信息的协议。路由信息的协议。 1998年，公布了年，公布了BGP-4（文档文档RFC2283）。 在配置在配置BGP时，每个自治系统的管理员要选择至时，每个自治系统的管理员要选择至 少一个路由器（通常是少一个路由器（通常是BGP边界路由器）作为该边界路由器）作为该 自治系统的自治系统的“BGP发言人发言人”。 一

31、个一个BGP发言人与其他自治系统中的发言人与其他自治系统中的BGP发言人发言人 要交换路由信息，如增加的路由、撤销过时的路要交换路由信息，如增加的路由、撤销过时的路 由、差错信息等。由、差错信息等。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 56 BGP发言人与自治系统的关系发言人与自治系统的关系 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 57 自治系统连接的树形结构自治系统连接的树形结构 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 58 6.4.6 路由器与第三层交换技术路由器与第三层交换技术 路由器结构路由器结构 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 59

32、 路路 由由 器器 技技 术术 演演 变变 与与 发发 展展 第一代单总线单第一代单总线单CPU结构的路由器结构的路由器 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 60 第第 二二 代代 多多 总总 线线 多多 C P U 结结 构构 路路 由由 器器 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 61 第第 三三 代代 交交 换换 结结 构构 的的 G b p s 路路 由由 器器 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 62 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 63 第四代多级交换路由器第四代多级交换路由器 第三代交换结构第三代交换结构Gbps路由器的性

33、能得到大幅度提高，但路由器的性能得到大幅度提高，但 是也会存在一些问题。专用是也会存在一些问题。专用ASIC芯片使得系统的成本增芯片使得系统的成本增 高，同时硬件对新的应用需求与协议变化的适应能力差。高，同时硬件对新的应用需求与协议变化的适应能力差。 针对这种情况，研究人员提出网络处理器（针对这种情况，研究人员提出网络处理器（NP）的概念）的概念 ，通过采用多微处理器的并行处理模式，使，通过采用多微处理器的并行处理模式，使NP具有与具有与 ASIC芯片相当的功能，同时具有很好的可编程能力，使芯片相当的功能，同时具有很好的可编程能力，使 得用得用NP设计的路由器性能得到大幅度提高，又能适应未设计

34、的路由器性能得到大幅度提高，又能适应未 来发展的需要。来发展的需要。 第四代路由器应该是采用并行处理、光交换技术的多级交第四代路由器应该是采用并行处理、光交换技术的多级交 换路由器。换路由器。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 64 第三层交换的基本概念第三层交换的基本概念 90年代中期，网络设备制造商提出年代中期，网络设备制造商提出“第三层交换第三层交换”的概念。的概念。 将第三层成熟的路由技术与第二层高性能的硬件交换技术将第三层成熟的路由技术与第二层高性能的硬件交换技术 相结合，可以达到快速转发，保证服务质量（相结合，可以达到快速转发，保证服务质量（QoS），提），提 高路

35、由器性能的目的。高路由器性能的目的。 第三层交换机通过内部路由选择协议（例如第三层交换机通过内部路由选择协议（例如RIP或或OSPF） 创建和维护路由表。出于安全方面的考虑，第三层交换机创建和维护路由表。出于安全方面的考虑，第三层交换机 通常提供防火墙分组过滤等服务功能。通常提供防火墙分组过滤等服务功能。 由于第三层交换机设计的重点放在如何提高接收、处理和由于第三层交换机设计的重点放在如何提高接收、处理和 转发分组速度，减小传输延迟上，其功能是由硬件实现的转发分组速度，减小传输延迟上，其功能是由硬件实现的 ，使用专用集成电路，使用专用集成电路ASIC，而不是路由处理软件。交换机，而不是路由处理

36、软件。交换机 执行的协议是硬件固化的，因此它只能用于特定的网络协执行的协议是硬件固化的，因此它只能用于特定的网络协 议。议。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 65 6. 5 I n t e r n e t 控控 制制 报报 文文 协协 议议 I C M P 6.5.1 ICMP的作用与特点的作用与特点 ICMP本身是网络层的一个协议，但是它的报文本身是网络层的一个协议，但是它的报文 要封装成要封装成IP分组，然后再传送给数据链路层。分组，然后再传送给数据链路层。 从协议体系上看，从协议体系上看，ICMP只是要解决只是要解决IP协议可能协议可能 出现的不可靠问题，不能独立于出现

37、的不可靠问题，不能独立于IP协议，是协议，是IP协协 议的一个组成部分。议的一个组成部分。 ICMP设计的初衷是用于设计的初衷是用于IP协议在执行过程中由协议在执行过程中由 路由器来向源主机报告传输出错的原因。路由器来向源主机报告传输出错的原因。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 66 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 67 6. 5. 2 I C M P 报报 文文 类类 型型 ICMP报文类型报文类型：差错报告报文和查询报文：差错报告报文和查询报文 ICMP差错报文差错报文： 目的主机不可达目的主机不可达 源主机抑制源主机抑制 超时超时 参数问题参数问题 重

38、定向重定向 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 68 重定向报文重定向报文与与改变路由的过程改变路由的过程 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 69 ICMP查询报文查询报文： 回应请求和应答回应请求和应答 时间戳请求和应答时间戳请求和应答 地址掩码请求和应答报文地址掩码请求和应答报文 路由器询问和通告路由器询问和通告 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 70 6. 5. 3 P i n g 与与 T r a c e r o u t e 命命 令令 一台主机一台主机Ping另一台主机的过程另一台主机的过程 Ping命令执行过程示意图命令执行过程示意图

39、计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 71 Tracert命令的应用命令的应用 Tracert工作原理工作原理 Tracert命令执行过程命令执行过程 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 72 6.6 IP多播与多播与IGMP协议协议 6.6.1 IP多播的基本概念多播的基本概念 IP单播与多播单播与多播 的过程比较的过程比较 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 73 6.6.2 IP多播地址多播地址 6.6.2 IP多播地址多播地址 IP多播：在多播：在Internet范围内进行多播，在局域网内进行多播范围内进行多播，在局域网内进行多播 标准分类的标准

40、分类的D类地址是为类地址是为IP多播地址多播地址，地址的范围在地址的范围在 224.0.0.0239.255.255.255。 Ethernet硬件多播地址硬件多播地址 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 74 6. 6. 3 I G M P 协协 议议 的的 基基 本本 内内 容容 定义了一个组地址。每个组代表一个或多个发送者与定义了一个组地址。每个组代表一个或多个发送者与 一个或多个接收者的一个会话。一个或多个接收者的一个会话。 接收者可以用多播地址通知路由器，它希望加入（或接收者可以用多播地址通知路由器，它希望加入（或 退出）哪个多播组。退出）哪个多播组。 发送者使用多播地

41、址发送分组，无需了解接收者的位发送者使用多播地址发送分组，无需了解接收者的位 置信息与状态信息。置信息与状态信息。 路由器建立一棵从发送者分支出去的多播传递树，这路由器建立一棵从发送者分支出去的多播传递树，这 棵树延伸到所有的、其中至少有一个棵树延伸到所有的、其中至少有一个IP多播成员的网多播成员的网 络中。利用这棵传递树，路由器把多播分组转发到有络中。利用这棵传递树，路由器把多播分组转发到有 多播组成员的网络中。多播组成员的网络中。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 75 IGMP的操作的操作 加入一个组加入一个组 继续组成员关系继续组成员关系 监视组成员的关系监视组成员的关

42、系 离开一个组离开一个组 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 76 6. 6. 4 多多 播播 路路 由由 器器 与与 I P 多多 播播 中中 的的 隧隧 道道 技技 术术 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 77 6.7 MPLS协议协议 6.7.1 资源预留协议资源预留协议RSVP与区分服务与区分服务DiffServ RSVP的基本概念的基本概念 资源预留协议（资源预留协议（RSVP）的核心是对一个应用会话的数）的核心是对一个应用会话的数 据流提供服务质量保证。据流提供服务质量保证。 资源预留协议的设计思想是：源主机和目的主机在会话资源预留协议的设计思想是：源

43、主机和目的主机在会话 之前建立一个连接，路径上的所有路由器都要预留出此之前建立一个连接，路径上的所有路由器都要预留出此 次会话所需要的带宽与缓冲区资源。次会话所需要的带宽与缓冲区资源。 由于由于RSVP是基于单个数据流的端是基于单个数据流的端端资源预留、调度端资源预留、调度 处理和缓冲区管理、状态维护机制太复杂，开销太大，处理和缓冲区管理、状态维护机制太复杂，开销太大， 不适用于大型网络。不适用于大型网络。 单纯的单纯的RSVP结构实际上无法让业界接受，也无法在互结构实际上无法让业界接受，也无法在互 联网上得到广泛的应用。联网上得到广泛的应用。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层

44、 78 DiffServ与与RSVP的区别主要表现在的区别主要表现在： RSVP是基于某一个会话流，而是基于某一个会话流，而DiffServ是基于某一类是基于某一类 应用的。以应用的。以IP电话为例，电话为例，RSVP只为一对通话的用户提只为一对通话的用户提 取建立一个连接，预约带宽与缓冲区，以保证这一对用取建立一个连接，预约带宽与缓冲区，以保证这一对用 户的通话质量户的通话质量，而而DiffServ是针对是针对IP电话这一类应用。电话这一类应用。 RSVP要求所有的路由器都要修改软件，以支持基于流要求所有的路由器都要修改软件，以支持基于流 的传输服务服务。而的传输服务服务。而DiffServ

45、只需要一组路由器（如只需要一组路由器（如ISP 网络中的路由器）支持，就可以实现网络中的路由器）支持，就可以实现DiffServ服务。服务。 当当IETF完成了完成了RSVP与与DiffServ协议的研究，有些路由协议的研究，有些路由 器厂商又提出了更好的改善器厂商又提出了更好的改善IP分组传输质量的方案，那分组传输质量的方案，那 就是多协议标识交换就是多协议标识交换MPLS技术。技术。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 79 6. 7. 2 多多 协协 议议 标标 识识 交交 换换 M P L S 的的 基基 本本 概概 念念 MPLS的基本概念的基本概念 从设计思想上来看，

46、从设计思想上来看，MPLS将数据链路层的第二层交换技将数据链路层的第二层交换技 术引入网络层，实现快速术引入网络层，实现快速IP分组交换。分组交换。 在这种网络结构中，核心网络是在这种网络结构中，核心网络是MPLS域，构成它的路由域，构成它的路由 器是标记交换路由器（器是标记交换路由器（LSR），在），在MPLS域边缘连接其他域边缘连接其他 子网的路由器是边界标记交换路由器子网的路由器是边界标记交换路由器E-LSR。 MPLS在在E-LSR之间建立标记交换路径（之间建立标记交换路径（LSP），这种标），这种标 记交换路径记交换路径LSP与与ATM虚电路虚电路VC非常相似。非常相似。 MPLS减

47、少减少IP网络中每个路由器逐个分组处理的工作量，网络中每个路由器逐个分组处理的工作量， 可以进一步提高路由器性能和传输网络的服务质量。可以进一步提高路由器性能和传输网络的服务质量。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 80 MPLS可以提供的四个主要的服务功能可以提供的四个主要的服务功能： 提供面向连接与保证提供面向连接与保证QoS的服务的服务 合理利用网络资源合理利用网络资源 支持虚拟专网支持虚拟专网VPN服务服务 支持多协议支持多协议 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 81 MPLS的基本工作原理的基本工作原理 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层

48、 82 6. 7. 3 M P L S V P N 的的 应应 用用 VPN结构示意图结构示意图 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 83 MPLS VPN原理示意图原理示意图 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 84 6.8 地址解析协议地址解析协议ARP 6.8.1 IP地址与物理地址的映射地址与物理地址的映射 在描述一个网络的工作过程时，实际上是做了一个假在描述一个网络的工作过程时，实际上是做了一个假 设：已经知道通信的目的主机的设：已经知道通信的目的主机的IP地址，并且知道对地址，并且知道对 应这个应这个IP地址的目的主机物理地址。地址的目的主机物理地址。

49、这个假设成立的条件是：在任何一台主机或路由器中这个假设成立的条件是：在任何一台主机或路由器中 必须有一张必须有一张“IP地址地址MAC地址映射表地址映射表” 。 通过通过“静态映射静态映射”的方法，从一个已知的的方法，从一个已知的IP地址获取与地址获取与 之对应的之对应的MAC地址。但是，这是非常理想的一种解决地址。但是，这是非常理想的一种解决 方案，在一个小型的互联网络系统中实现起来比较容方案，在一个小型的互联网络系统中实现起来比较容 易，这在大型网络中几乎是不可能实现的。易，这在大型网络中几乎是不可能实现的。 在在Internet中必须设计一种中必须设计一种“动态映射动态映射”的方法，以解

50、决的方法，以解决 IP地址与地址与MAC地址映射的问题。地址映射的问题。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 85 6. 8. 2 地地 址址 解解 析析 工工 作作 过过 程程 地址解析协议与地址解析协议与IP地址地址/MAC地址关系地址关系 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 86 ARP执行过程执行过程 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 87 A R P 协协 议议 的的 四四 种种 情情 况况 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 88 6.9 移动移动IP协议协议 6.9.1 移动移动IP协议的基本概念协议的基本概念 早期的早期

51、的Internet主机都是通过固定方式接入主机都是通过固定方式接入Internet。 随着移动通信技术的广泛应用，人们希望通过笔记本随着移动通信技术的广泛应用，人们希望通过笔记本 计算机、智能手机、计算机、智能手机、PDN或其他数字移动终端设备，或其他数字移动终端设备， 在任何地点、任何时间都能方便地访问在任何地点、任何时间都能方便地访问Internet。 移动移动IP技术就是在这个背景下产生和发展的，它是技术就是在这个背景下产生和发展的，它是 Internet技术与通信技术高度发展、密切结合的产物，技术与通信技术高度发展、密切结合的产物， 是一个交叉学科研究课题，也是目前和今后研究的一是一个

52、交叉学科研究课题，也是目前和今后研究的一 个热点问题。个热点问题。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 89 6.9.2 移动移动IP的设计目标与主要特征的设计目标与主要特征 移动移动IP要与现有的要与现有的Internet协议兼容。协议兼容。 移动移动IP协议与底层所采用的物理传输介质类型协议与底层所采用的物理传输介质类型 无关。无关。 移动移动IP协议对传输层及以上的高层协议是透明协议对传输层及以上的高层协议是透明 的。的。 移动移动IP协议应该具有良好的可扩展性、可靠性协议应该具有良好的可扩展性、可靠性 和安全性。和安全性。 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层

53、 90 6.9.3 移动移动IP的结构与基本术语的结构与基本术语 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 91 使用隧道传输移动主机的使用隧道传输移动主机的IP分组分组 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 92 6. 9. 4 移移 动动 I P v 4 基基 本本 工工 作作 原原 理理 移动移动IP代理的发现机制代理的发现机制 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 93 通过外地代理转发注册请求通过外地代理转发注册请求 移动主机直接到家乡代理注册移动主机直接到家乡代理注册 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 94 分组路由分组路由 单播分组

54、路由单播分组路由 移动主机接收单播分组的过程移动主机接收单播分组的过程 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 95 移动主机发送单播分组的过程移动主机发送单播分组的过程 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 96 多播分组路由多播分组路由 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 97 移动主机发送多播分组移动主机发送多播分组 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 98 6.9.5 移动移动IPv4中移动主机和通信主机的基本操作中移动主机和通信主机的基本操作 计算机网络第计算机网络第6 6章章 网络层网络层 99 6.10 IPv6协议协议 6.10.1 IPv6协议的基本概念协议的基本概念 1993年，年，IETF成立研究下一代成立研究下一代IP协议的协议的IPng工作组；工作组； 1