第9章Intenet网络层

1、第第9章章 internet 网络层网络层互联网基本概念互联网基本概念 internet，互联网， internet 概念这里，internet或互联网都是指：- 用连接多个物理网络而成；采用的地址 ；是与物理网络地址无关的编址方案，是软件产生的逻辑地址。统一编址是以一个单一系统出现的互联网抽象的关键。互联网基本概念互联网基本概念互联网例互联网例以太网以太网令牌环fddi环以太网以太网atm网路由器ppp/tdm互联网的基本概念互联网的基本概念ip层在层在tcp/ip协议栈中的位置协议栈中的位置应用层协议传输层协议网卡驱动程序arpicmpip 地址地址 ip 地址唯一确定结点在互联网上的位置

2、。 32位 ip 地址的：10100110 01101111 00000001 00000110表示为：ip地址类型地址类型0 网络号(7)10主机地址(24位)网络号(14位)主机地址(16位)110主机地址(8)网络号(21位)1110多播地址1111保留e类08163124ip地址类型地址类型网络号网络号a，b，c三类可以适应不同大小的物理网络。网络号标识互联网中一个物理网络，网络号必须遵循的准则： 网络号必须。若在 internet上，网络号必须对 internet 唯一。 网络号不能是127，127.x.y.z 保留给回绕(loopback) 地址，自己连自己测试用。 网络号不能为

3、0，网络号 0 解释为本网，网络号为 0的主机地址解释为本网的主机。ip地址类型地址类型网络号网络号 (续续)类类 起起 始始 结结 束束 网络数网络数a a 1.x.y.z 126. x. y.z 126b b128.0.y.z 191.255. y.z 16384c c192.0.0.z 223.255.255.z 2097152ip地址类型地址类型主机地址主机地址主机地址标识某物理网络上一台主机或路由器端口。主机地址必须遵循的准则： 主机地址必须。 主机地址不能全 1，主机地址全 1 被解释为广播地址，在网络号所指的网络上广播。 主机地址不能全 0，主机地址全 0 被解释为标识一个网络。

4、ip地址类型地址类型主机地址主机地址(续续)类类 起起 始始 结结 束束 主机数主机数a aw.0.0.1 w.255.255.254 16777214b bw.x.0.1 w. x.255.254 65534c cw.x.y.1 w. x. y.254 254私用网络的私用网络的ip地址地址 internet的iana在rfc1918中建议了三块ip地址为私用互联网预留，它们是， 和，即1个a类网，16个连续的b类网(172.16172.31)，256个连续的c类网()。 决定内部使用这些ip地址的机构可以不必与 iana或apnic，ripe，arin等协调，所以这些地址可以被许多独立机构

5、同时在内部使用。 如果这些机构以后决定要与internet通信，则要重新编址或在边界路由器使用。子网编址和屏蔽码子网编址和屏蔽码(掩码掩码)包含子网地址的包含子网地址的 b类类 ip地址地址10网络号 主机地址子网地址01631子网编址和屏蔽码子网编址和屏蔽码默认的屏蔽码默认的屏蔽码类类 默认的屏蔽码默认的屏蔽码a a 255 0 0 0b b 255255 0 0c c 255255255 0子网编址和屏蔽码子网编址和屏蔽码高高4位用作子网地址的屏蔽码位用作子网地址的屏蔽码类类 屏蔽码屏蔽码a a 255240 0 0b b 255255240 0c c 255255255240ip地址和物

6、理地址的动态转换地址和物理地址的动态转换需求需求 主机要在物理网络上通信，最终必须依靠物理地址。 在一个以太网上，主机把帧传递给路由器，或者路由器把帧传递给主机，都必须有目标的物理地址。 从目标的 ip 地址如何知道它的物理地址？通过地址解析协议( ddress esolution rotocol)动态转换。ip地址和物理地址的动态转换地址和物理地址的动态转换我是166.111.1.8物理地址02608c.谁是166.111.1.6?a b arp 缓存表026081668090001666a b 谢谢!是我! 是我!166.111.1.6物理地址09000.arp 缓存表0900016660

7、26081668ip地址和物理地址的动态转换地址和物理地址的动态转换原理原理在同一物理网络内，当a想把b的ip地址转换成b 的物理地址时：，；收到此报文后，。 a收到应答后便知道b的物理地址。然后b的ip地址和物理地址映射项保存在a的快速缓存表。 在广播arp请求前先查arp快速缓存表，若已查到ip-物理地址映射项，就不再广播。ip地址和物理地址的动态转换地址和物理地址的动态转换arp报文格式报文格式硬件地址长度 协议地址长度操作 (1=请求，2=响应)协议类型 (0800表示ip)硬件类型 (1表示以太网)发送者硬件地址 (字节03)发送者硬件地址 (字节45)发送者协议地址 (字节01)发

8、送者协议地址 (字节23)目标硬件地址 (字节01)目标硬件地址 (字节25)目标协议地址01631位ipv4 和和 ip 数据报数据报无连接数据报传递服务无连接数据报传递服务网络1r1源主机网络2r2网络3目标主机r3网络4ip数据报ip数据报帧头1ip数据报ip数据报帧头2ip数据报ip数据报帧头3ip数据报无连接数据报传递服务无连接数据报传递服务(续续)。 ip数据报的传递是互相独立的； (osi 模型中x.25是有连接的，后来才增加无连接服务。)收到数据报时不发确认；对ip数据报的损坏、丢失、错序、重复 听之任之。 数据报的分段和重组。，不保证可靠。ip数据报格式数据报格式版本 报头长

9、服务类型总长度标识dfmf分段位移生存时间ttl协议号报头校验和源 ip地址目标 ip地址可选项填充数据01631ip数据报格式数据报格式(续续)绝大多数ip数据报包含20字节的报头：(4位)：ip协议版本，当前为4。(4位)：本数据报头的字数，每字4字节，范围是515，5即20字节，15即60字节，所以选项最多占40字节(8位)(type of service)：本数据报的服务质量参数，当前未实现，设置为0。(16位)：数据报最大长度为65535字节。ip数据报格式数据报格式(续续)(16位)：数据报编号，当路由器将本数据报分段时，此标识拷贝到每个段的ip报头。在分段重组时它用来确定该分段属

10、于哪个数据报。( ont ragment)(1位)：df=1禁止本报分段。(ore ragment)(1位)：mf=1表示后面还有本报的分段， mf=0表示是最后一个分段。：分段位移8指出本分段在原数据报中从第几字节开始。除最后一段外，其余分段的长度是8字节的倍数。这些字段是与分段和重组有关的。ip数据报格式数据报格式(续续)：指明数据报在互联网上逗留的最大时间。标准按秒计，实际上按跳数计。数据报每经过一个路由器，ttl减1，当ttl0 时数据报被丢弃。防止无法投递的报无限传递。(8位)：指明上一层协议，6表示上层是tcp，17表示上层是udp。(16位)：通过路由器时ttl减1，校验和要重新

11、计算。ipv6无校验和，.(32位)：数据报源主机的ip地址。(32位)：数据报目标主机的ip地址。ip数据报的分段和重组数据报的分段和重组 物理网络一般限制通过包的最大长度，如以太网允许最大帧长1518字节。若物理网络允许的包长小于ip数据报长，路由器的ip层要将该报分段成多个ip报转发。 分段后的数据报在被发送过程中还可以再分段。 由目标主机的ip层对分段报进行一次重组，ip不区分经一次或多次分段的报。ip数据报的路由和转发数据报的路由和转发主机和路由器如何为ip数据报确定路径： 源主机和目标主机位于同一物理网络：数据报在物理网络内传递。比如以太网，源主机将目标主机ip地址转换成物理地址,

12、 把数据报封装在以太网帧中直接发送。 源主机和目标主机位于不同物理网络：数据报经路由器转发。 源主机如何确定该发往哪个路由器？主机也有一张路由表，并配置默认网关。ip数据报的路由和转发数据报的路由和转发(续续)r3202.112.58.3r1202.112.58.150.0.0.1r2202.112.58.2128.1.0.2166.111.0.1ip数据报的路由和转发数据报的路由和转发(续续)路由器路由器r3的路由表的路由表 目目标标网网络络 屏屏蔽蔽码码下下一一站站 i ip p 地地址址 50.0.0.0 255.0.0.0 202.112.58.1 128.1.0.0 255.255.

13、0.0 202.112.58.2 166.111.0.0 255.255.0.0 直接传递202.112.58.0255.255.255.0 直接传递 * 166.111.0.1* 项是默认路由项，或叫默认网关(default gateway)ip数据报差错报告数据报差错报告互联网控制报文协议 ( nternet ontrol essage rotocol) 就是 ip 数据报差错报告机制，icmp 报文封装在 ip 数据报中发送。icmp差错报文： icmp信息报文： 目标不可达 回答请求/回答响应 数据报超时 (ping 用它测主机可达性) 数据报参数问题 时间戳/时间戳响应 报源减速 地

14、址屏蔽码请求/响应 重定向路由协议路由协议路由器的核心是网络层，包括 ip、icmp、arp，还有一个或多个。由于路由协议需要传输层协议支持，实际路由器还包括高层模块，还有网管模块。路由器功能路由器功能互联网中路由器的传统功能：与其它路由器交换网络拓扑和网段时延等信息；：基于路由信息计算、更新路由表，为数据报决定路由。internet是由许多as互联而成，所谓自治系统是由单一机构管理、操作下的路由器连接的互联网。路由协议分类路由协议分类internet的路由协议分两类： 内部路由协议或内部网关协议igp自治系统内部路由器交换路由信息的协议：( outing nformation rotocol

15、)，dv类。is-is，( pen hortest ath first)，ls类。 外部路由协议或外部网关协议egp 不同自治系统的路由器交换路由信息的协议：( order ateway rotocol)内部路由协议内部路由协议ospf原理原理是 每个路由器都有本链路状态信息，即它直接连接的路由器和网络，及到它们的“距离”。 周期地将本链路状态扩散(flooding)到所有结点。 所有的链路状态合在一起就是自治系统的拓扑数据库，每个路由器维持这个拓扑数据库。 每个路由器根据这个拓扑数据库构造一个以自身为根的最短路径树，从最短路径树生成它的路由表。内部路由协议内部路由协议ospf自治系统例子自治

16、系统例子n1n2r1r2n3r3n4r4r6r5r7r10n8r11n9r9n11r12n10n6r8n7331111286867588788661113241291213n12n13n14n12n15内部路由协议内部路由协议ospfr6的最短路径树的最短路径树n1n2r1r2n3r3n4r4r6r5r7r10n8r11n9r9n11r12n10n6r8n7331266788813412923n12n13n14n12n15内部路由协议内部路由协议ospf自治系统分区自治系统分区n1n2r1r2n3r3n4r4r6r5r7r10n8r11n9r9n11r12n10n6r8n73311112868

17、67588788661113241291213n12n13n14n12n15内部路由协议内部路由协议ospf自治系统分区自治系统分区 internet中有的自治系统很大，难管理，可分成若干区。 区和区的网络不重迭，每个区有自己的拓扑数据库，拓扑细节在区外不可见。 每个自治系统有一个主干区，编号0，主干区包括不在任一区的网，和它们相连的路由器，和属于多个区的路由器。外部路由协议外部路由协议bgp网络网络r2r3网络r1网络网络r5r6网络r7as1as2外部路由协议外部路由协议bgp(续续) 路由器r1属于自治系统as1，路由器r5属于 as2。r1和r5都实现外部路由协议bgp交换路由表，它们

18、也分别实现各自的自治系统内部路由协议，如ospf。 bgp基本上是距离向量路由算法，所不同的是它把到达某网络选择的整个路径告诉邻居，而不只是下一站。路径信息as_path中有所穿越的自治系统网络编号，利用as_path可进行环路检测，克服了“计数到无限”的问题。外部路由协议外部路由协议bgp(续续)bgp的主要功能： 建立、维护邻居关系 建立和维护可达网络数据库 - 可达的网络 - 到达该网络的路径 支持策略路由是改进的距离向量路由算法 .bgp的4种报文： open：请求邻居关系 keepalive：同意建立或确认邻居关系 update：传送所选路径信息(该路径可达网络的网络号列表, as_

19、path)，或撤消路径信息 notification:错误信息无类别域间路由无类别域间路由cidr 随着internet的指数式爆炸增长，它将很快用完200多万个网络号。 ip地址分成a、b、c三类，对大部分机构来说分配一个a类或b类网都太大，许多ip地址就这样浪费了！到1996年80%的a类地址，50%的b类地址，10%的c类地址已分配。 bgp路由器的路由表项指数式增长。1992年1月nsfnet主干网路由器的路由表约4700项, 此数从1988到1991每10月翻一番。无类别域间路由无类别域间路由cidr(续续)1993年fuller等提出一种ip地址的分配和路由信息集成的策略：无类别域

20、间路由，即取消分类： 将200万个c类网切成大小可变的连续块来分配； 地址分配要便于路由信息的集成。 例如，分配217个连续的c类网，即225个ip地址：选194.0.0.0195.255.255.255 (c2 00 00 00c3 ff ff ff)，采用屏蔽码254.0.0.0 (fe 00 00 00)， 它们的路由信息可集成为一项，即194.0.0.0。无类别域间路由无类别域间路由cidr(续续)地区 分配的地址 屏蔽码地地址址前前缀缀欧洲 194.0.0.0195.255.255.255254.0.0.0194.0.0.0北美 198.0.0.0199.255.255.255254

21、.0.0.0198.0.0.0中美南美200.0.0.0201.255.255.255254.0.0.0200.0.0.0亚太地区202.0.0.0203.255.255.255254.0.0.0202.0.0.0无类别域间路由无类别域间路由cidr(续续) 每个区分配了217=131072个，即(约3200万)。 采用屏蔽码254.0.0.0(fe000000)，每块的225个地址的前缀都与第一个地址相同。这样路由表项可以集成。 这四块地址的，。无类别域间路由无类别域间路由cidr(续续)同样的想法也用于各个区的地址分配。例： 单位甲需2000个ip地址，分配2112048个地址， 例如分配

22、。 单位乙需4000个ip地址，分配2124096个地址，例如分配。 丙、丁各需1000个ip地址，分配2101024个地址，例如分配，。无类别域间路由无类别域间路由cidr(续续)采用cidr策略，分配地址的原则： 为用户分配一块，包含； 这块地址的；。 起始地址和屏蔽码构成一集成路由表项。无类别就是放弃原a、b、c分类规则。特别当n=24、16、8时即对应原a、b、c类。无类别域间路由无类别域间路由cidr(续续) cidr缓解了路由表项快速增长问题，普遍认为cidr。bgp-4提供对cidr的支持。 在1998年 ipv4 的主干网路由器约包含 5万 个路由表项，到2001 年已超过10

23、万个表项。虽然因采用 cidr 增长速度已放慢，但.。 长期目标是采用新一代ip协议ipv6。新一代新一代ipipv6 ipv4的问题：32位约43亿个地址，大大少于全球人口数(60亿)，将于2008年用完；骨干网路由表信息爆炸。ipv6的主要设计特点的主要设计特点！128位地址采用层次结构，地球每平方米的地址数保守估计1564，乐观估计3911016。 精简的基本报头格式(8字段)，简化了报头处理。 支持服务质量控制：通信流等级(traffic class)将ip包分为不同的服务类别。流标号(flow label)可为特定的ip包流申请资源和优先级。 可选项支持身份认证和数据加密。ipv6的

24、主要设计特点的主要设计特点(续续) 基本头和扩展头编码方式改进了性能，增加了扩展的灵活性基本头 扩展头1扩展头n传输层包40字节可选.ipv6基本头格式基本头格式版本通信流等级流标号负载长度后续头部跳数限制源地址 (128位)目标地址 (128位)031ipv6基本头格式基本头格式(续续)(version)：6。(traffic class)：用于服务质量控制。(flow label)：路由器对流中报同样处理。(payload length)：除基本头外负载字节数。(next header)：标识基本头后头部类型。(hop limit)：数据源设定, 经路由器减1。(source addres

25、s)：数据报源地址。(destination address)：数据报目标地址。ipv6基本头格式与基本头格式与ipv4比较比较 ipv4报头中有报头长度，ipv6基本头定长。 ipv4报头中有报头校验和，ipv6没有。paxson经统计发现：通过链路层crc校验的包约0.02%有校验和错误。stone等收集了约22亿个包，其中约48万个包有ip、udp或tcp校验和错误。1278个包ip校验和错。 ipv6的路由器不对数据报分段， ipv6的可选项在扩展报头，路由器一般不需要处理可选项。ipv6地址地址有三类ip地址：单播、任播、多播地址地址的冒分十六进制表示地址的冒分十六进制表示 将128

26、位地址分成 段，每段16位用表示，段之间用冒号“”隔开。例2080:0000:0000:0000:0123:4567:89ab:cdef, ff01:0000:0000:1234:89ab:0000:0000:0000, 但“:”在一个地址中只能, 各段数字开始的0可省略。如ff01:0:0:1234:89ab: 地址前缀用“ipv6地址/前缀位数”表示，前缀位数是十进制数。例如：3ffe:3200:/24。 :1是回绕地址(loopback), 用于自己给自己发送。可集成的全局单播地址可集成的全局单播地址(aggregatable global unicast address) 格式前缀(f

27、ormat prefix)：为。 顶级集成标识( op- evel ggregation )：指定internet顶级机构，即服务提供者网络号。 下一级集成标识( ext- evel ggregation )：由tla id指定的服务提供者用于区分它的用户网络号fptla idresnla idsla idinterface id3138241664可集成的全局单播地址可集成的全局单播地址(续续) 场所级集成标识( ite- evel ggregation )：用户用来构建用户网络的编址层次，标识用户网络内的特定子网。 接口标识(interface id)：用于标识链路接口，一般是数据链路层地

28、址，如48位以太网地址。 保留(reserved)：留给将来使用。对于每个internet服务提供者的网络号tla id，internet的主干路由器必须有一表项与之对应。保留的8位是为tla id和/或nla id扩展预留。局部使用的单播地址局部使用的单播地址1111 1110 100接口标识1111 1110 110子网标识接口标识105464 (位)本链路使用(link-local-use)的单播地址格式10381664 (位)本场所使用(site-local-use)的单播地址格式局部使用的单播地址局部使用的单播地址(续续) 若源/目标地址为本链路使用的地址，则数据报只转发到该单一链路

29、，如中继器或网桥连接的以太网链路，不转发到其它链路。 若源/目标地址为本场所使用的地址，则路由器不把数据报转发到场所以外。一个场所可以是由路由器连接的多个以太网链路。 局部使用的地址无需申请地址前缀，若要连到internet，可加全局前缀自动重编址。嵌入嵌入ipv4地址的地址的ipv6地址地址ipv4向ipv6的过渡： 在过渡时期ipv4地址和ipv6地址必须共存。过渡期有的结点实现双ip协议栈，同时支持ipv4和ipv6，被称为 。 采用“”： 在ipv4路由拓扑的基础上将ipv6数据报外加ipv4报头转发，即封装ipv4报头。隧道可以是源到目标路径的一段, 开始和结束端是ipv6/ipv4

30、结点。嵌入嵌入ipv4地址的地址的ipv6地址地址(续续) 实施隧道技术的ipv6/ipv4结点被指定特殊的ipv6单播地址，称为“与ipv4兼容的ipv6地址(ipv4-compatible ipv6 address)”。隧道端结点的ipv4地址可从这种ipv6地址自动导出。000000 0000ipv4地址801632 位嵌入嵌入ipv4地址的地址的ipv6地址地址(续续) “映射ipv4的ipv6地址(ipv4-mapped ipv6 address)”用来表示只实现ipv4不支持ipv6的结点。 在ipv4和ipv6混合网中，上述地址可用冒分十六进制和点分十进制结合的形式表示为： x:x:x:x:x:x:d.d.d.d，如 :202.112.58.200000000 ffffipv4地址801632 (位)任播地址任播地址 任播地址是从单播地址空间分配的，当一个单播地址被分配给一个以上接口时就变成任播地址。 任播地址不能用作源地址；不能指定给主机，。 发送到任播地址的数据报被送到“最近”的结点。任播地址可表示连到特定子网的一组路由器，或属于一个机构的一组