计算机网络网络层

1、 第5章 网络层 5.3 地址解析协议 5.3.1 IP地址与物理地址地址与物理地址 nIP层及以上使用IP地址寻址，数据链路层使用物理地址(MAC地址，硬件地址)寻址。 IP地址和物理地址的使用 5.3.1 IP地址与物理地址地址与物理地址 R1中地址的查找和转换 IP地址和物理地址的使用 作用范围IP数据报首部MAC帧首部源地址目的地址源地址目的地址LAN1，从H1到R1IP1IP2HA1HA3LAN2，从R1到R2IP1IP2HA4HA5LAN3，从R2到H2IP1IP2HA6HA2 5.3.2 ARP地址解析机制地址解析机制 n动态绑定(dynamic binding) 5.3.2 A

2、RP地址解析机制地址解析机制nARP缓存(caching) n为进一步提高效率，ARP还采取了以下措施： n在ARP请求报文中也放入源站的IP地址和物理地址的映射，以免目标机紧接着为解析源站的物理地址而再进行一次动态绑定操作；n源站在广播自己的地址映射时，网上所有主机都将它存入自己的ARP缓存；n新的主机入网时，主动广播自己的地址映射，以免其他主机对它运行ARP。 5.4 因特网控制报文协议因特网控制报文协议ICMP 5.4.1 ICMP及其报文格式及其报文格式 nICMP（Internet Control Message Protocol）弥补了IP可靠性方面的不足，提供了一定的差错报告和控

3、制功能。nICMP数据的封装 5.4.1 ICMP及其报文格式及其报文格式nICMP报文类型 类型域ICMP报文类型03458910111213141718回应应答（echo reply）目的不可到达(destination unreachable)源抑制(source quench)重定向(redirect)回应请求(echo request)路由器通告(router advertisement)路由器恳求(router solicitation)数据报超时(datagram time exceeded)数据报参数错(datagram parameter problem)时间戳请求(time

4、stamp request)时间戳应答(timestamp reply)地址掩码请求(subnet mask request)地址掩码响应(subnet mask reply)5.4.2 ICMP报文报文n差错报告报文n具有以下特点： 提供差错报告，并不严格规定对差错应采取什么样的处理方式； 差错报告是伴随着抛弃出错的数据报而进行的； 路由器或目的站向源站进行报告，并不通知有关的路由器。n ICMP差错报告包括以下几种： (1) 目的不可到达报告 ； (2) 超时报告； (3) 参数出错报告 。 5.4.2 ICMP报文报文nICMP控制报文n源抑制报文: 路由器周期性测试每条输出线路，监视拥

5、塞的发生并发送源抑制报文。n重定向报文: 主机并不执行路由算法动态更新路由表，启动时路由表一般是由人工配置。ICMP重定向机制保证主机拥有一个动态的优化的路由表，它只用于同一网络上的主机与路由器之间。ICMP重定向机制的前提是路由器知道优化的路径，路由器的路由选择协议来解决。 5.4.2 ICMP报文报文nICMP请求/应答（request / reply）报文(1) 回应请求与应答(2) 时戳请求与应答(3) 子网掩码请求与应答 n路由器发现(router discovery)报文 路由器恳求(router solicitation)和路由器通告(router advertisement)两

6、种ICMP报文支持路由器发现。 5.6 路由协议路由协议 5.6.1 路由协议简介 n 静态路由（static routing ）和 动态路由（dynamic routing ），Internet使用动态路由。n主机或路由器在启动后都必须有一个初始的路由表，对于动态路由，初始路由表建立起来之后还要动态地更新。n路由协议（routing protocol），也称路由选择协议，用于路由器之间不断地交换路由信息，运行路由算法，优化更新路由。 5.6.1 路由协议简介n整个Internet并不是采用一种全局性的一致的路由算法。n自治系统AS(Autonomous System) Internet划分为

7、许多较小的自治系统，有一个全局管理的唯一的识别编号 ，自己有权决定在本自治系统内部采用哪种路由协议。n AS之间的路由称为域间路由（interdomain routing）, AS内部的路由称为域内路由（intradomain routing）两级路由。相应地，路由协议分为如下两类：n内部网关协议IGP（Interior Gateway Protocol） n外部网关协议EGP（External Gateway Protocol） 5.6.1 路由协议简介IGP和EGP 5.6.2 路由信息协议路由信息协议 RIP n距离矢量(distance-vector 路由算法 路由交换的报文包含（D，

8、V）序偶的列表，D是到该目的网络的距离，V标识目的网络，称为矢量。交换处理的过程是一个分布式处理过程。 距离矢量路由算法例子 5.6.2 路由信息协议路由信息协议 RIP距离矢量路由算法, 设： 网络所有结点的集合为N ;D(i)表示N 中任意结点i到某一目的结点d 的距离；L(i,j)表示N 中两个结点i 和j 之间的距离，i j，并有如下原始数据： 当i和j直接相连接时，L(i, j) 就是图右图所标的距离； 当i和j不直接相连接时，L(i, j) =。求各结点i 到目的结点d 的最短距离D(i) 的算法如下：(1) 初始化 D(i) = ，iN 但 id； D(d) = 0 。(2) 更

9、新最小距离 对每个iN 但 id： D(i) = min L(i, j) + D(j) ；重复步骤（2），直至迭代中所有D(i)不再变化。5.6.2 路由信息协议路由信息协议 RIP迭代轮次结点A结点B结点C结点E结点F结点G初始化(no, )(no, )(no, )(no, )(no, )(no, )1(no, )(no, )(D, 3)(D, 5)(no, )(no, )2(no, )(C, 5)(D, 3)(D, 5)(E, 12)(C, 7)3(B, 10)(C, 5)(D, 3)(D, 5)(E, 12)(B, 6)4(B, 10)(C, 5)(D, 3)(D, 5)(E, 12)(

10、B, 6) 上述例子中各结点到目的结点D的路由的迭代过程 5.6.2 路由信息协议路由信息协议 RIP所有路由器周期性地和邻接路由器（称邻站，neighbor）交换路由信息。 如，A与B是邻站，当B收到A发来的A的路表之后，下述 4 种情况下B将修改其路由表： A知道去某个目的网络距离更短的路由； A给出了B不知道的路由； B到某个目的网络的路由经过A而且A到该网络的距离 有了变化（变小或变大）； 在规定的时间内收不到A的路由报文，则下一跳为A的 表项，距离修改为最大值。路由信息报文的交互顺序具有随机性，导致不同的路由更新过程，最终会收敛到同样的优化路由。 5.6.2 路由信息协议路由信息协议

11、 RIP 路由更新的例子 5.6.2 路由信息协议路由信息协议 RIPnRIP：简单，规定“距离”为到达目的网络的跳数，最大跳数为15，达到16时，即认为不可达。每个RIP路由器每隔30秒钟周期性地向所有邻站广播自己的路由表。nRIP2报文格式 5.6.3 开放最短路径优先协议开放最短路径优先协议Dijkstra算法示例 n最短路径优先SPF（Shortest Path First）路由算法SPF算法的每个路由器都要知道全部的网络拓扑结构信息。Dijkstra算法可以从单个源点开始计算到其他所有目的结点的最短路径。 以 a为根的最短路径树 5.6.3 开放最短路径优先协议开放最短路径优先协议n

12、 SPF算法，设： D(i)表示任意结点i到源结点s之间的距离，i s; L(i, j)表示结点i和j之间的链路距离， i j， 当i和j直接相连接时，L(i, j)就是图上所标的距离， 当i和j不直接相连接时，L(i, j) =； N为集一个集合，它包含了到s的最短距离已得到的诸结点，NC为其补集； 那么，Dijkstra算法可按下述步骤进行： (1) 初始化 N = s ； D(i) = L(i,s)， iNC 。 (2) 迭代 寻找结点jNC使得 ： D(j) = min D(i) ， iNC 将结点j加入集合N ； 如果 NC为空，结束；否则进入（3）。 (3) 更新最小距离 对每个结

13、点iNC ： D(i) = min D(i), L(i, j) + D(j) ; 返回到(2)。 5.6.3 开放最短路径优先协议开放最短路径优先协议上述例子的计算过程 迭代轮次集合N结点b结点c结点d结点e结点f初始化a(a,10)(no,)(a,20)(a,50)(no,)1a，b(a,10)*(b,30)(a,20)(b,40)(no,)2a，b，d(b,30)(a,20)*(b,40)(no,)3a，b，d，c(b,30)*(b,40)(c,70)4a，b，d，c，e(b,40)*(e,60)5a，b，d，c，e，f(e,60)* 5.6.3 开放最短路径优先协议开放最短路径优先协议n

14、OSPF路由协议nOSPF是一种分布式的链路状态协议，所有的OSPF路由器都维持一个链路状态数据库LSDB，存储的链路状态信息描绘了整个AS的网络拓扑以及各个链路的度量。 n OSPF路由器之间要不断地相互交换链路状态信息并扩散到整个AS，以保持LSDB的动态性和在AS范围内的一致性，即LSDB同步。路由器在此基础上执行Dijkstra算法，计算出以自己为根的最短路径树,再得到路由表。 5.6.3 开放最短路径优先协议开放最短路径优先协议nOSPF报文 OSPF设计有五种类型的报文： 1 问候报文Hello ； 2 数据库描述报文DBD(DataBase Description) 3 链路状态

15、请求报文LSR(Link State Request) 4 链路状态更新报文LSU( Link State Update) 5 链路状态确认报文LSAck(Link State Acknowledgment) 5.6.3 开放最短路径优先协议开放最短路径优先协议nOSPF报文格式 5.6.3 开放最短路径优先协议开放最短路径优先协议n单区OSPF操作 （1）建立与维护与邻 站的邻接关系 （2）选举指定路由器 和备份指定路由器 （3）同步LSDB （4）计算最短路径树 并生成路由表OSPF生成最短路径的例子 5.6.3 开放最短路径优先协议开放最短路径优先协议n路由状态信息的分区管理nInter

16、net中有的AS很大，可以将AS划分成若干个区，采取层次结构的区划分，每个AS有一个主干区 ，连通所有的其他区，主干区内还有一个路由器和其它AS相连接。每个区至少有一个路由器连到主干区。 nOSPF的分区管理把路由器分为了4类：（1）内部路由器（internal router） （2） 区界路由器(area boarder router) （3）主干路由器（backbone router） （4）自治系统边界路由器（AS boundary router） 5.6.3 开放最短路径优先协议开放最短路径优先协议n跨区传送的路径分三段计算：n从源到区界路由器的源区内路径段；n 源区和目的区之间的主干

17、区路径段；n 目的区内路径段。OSPF自治系统分区示例 5.6.4 边界网关协议边界网关协议BGPn路径矢量（path-vector）协议 边界网关协议BGP（Border Gateway Protocol）是一种EGP，用来在不同AS的路由器之间交换路由信息 。 BGP交换的路由信息主要是到目的网络的路径和目的网络地 址，是一种路径矢量协议。BGP不通报距离，是一种可达性协议，而不是最优路由协议，原因： Internet规模太大， AS之间的路由选择非常困难； 对各个AS之间计算最优路径也是不现实的； AS之间路由选择必须考虑有关策略。5.6.4 边界网关协议边界网关协议BGPnBGP路由

18、选择机制 BGP路由 选择示例 5.6.4 边界网关协议边界网关协议BGPnBGP的3个功能步骤：n邻站关系的建立, 即邻站探测（neighbor acquisition）；n邻站关系的维护，即邻站可达性（neighbor reachability）；n可达网络数据库的建立与维护，即网络可达性（network reachability）。nBGP报文n打开报文 Open；n保活报文 Keepalive；n更新报文 Update；n通知报文 Notification。 5.6.4 边界网关协议边界网关协议BGPnBGP报文交换过程 假设R1.1通过RIP得到了关于子网N1.2和N1.3的新的路由

19、消 息，R1.1可以给AS2的R2.1发送一个BGP Update报文，报 告这一新路由，主要路由信息是：nAS path：AS1标识；nNext Hop：R1.1的IP地址；nNLRI：N1.2网络ID，N1.3网络ID。 R2.2将通过一个新的Update报文将从R2.1收到的消息转发 到R3.1： nAS Path：AS2标识，AS1标识；n Next Hop：R2.1的IP地址；n NLRI：N1.2网络ID，N1.3网络ID。 5.6.4 边界网关协议边界网关协议BGPBGP路由信息交换 5.7 IP 多多 播播 5.7.1 IP多播简介多播简介nIP多播 IP多播并不是发送者向多个

20、目的站进行多次单播，多播过程仅在传输路径必须分岔时才将IP数据报复制后继续转发 。 多播组的成员可以是动态的，一台主机可以在任何时候加入或退出一个多播组。而且，一台主机可以是多个多播组的成员。 在多个网络上，转发IP多播数据报需要特殊的多播路由器，通常是给常规的路由器增加多播功能。 5.7.1 IP多播简介多播简介nIP多播地址 IP使用D类地址支持IP多播2.68亿个组，地址范围是224.0.0.0 到 239.255.255.255。 以太网支持多播。以太网的物理地址为48比特，其中第1字节的最低位为1则为组地址，用于多播的以太网地址范围是0 x01005E000000 0 x01005E

21、7FFFFF，共有223个地址，有800多万个。 当IP多播数据报交到底层以太网进行传送时，IP多播地址要转换为以太网多播物理地址。 nIP多播协议 因特网组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)支持 IP多播。 多播路由（multicast routing）协议，也分为域内和域间多播路由协议。 5.7.2 因特网管理协议因特网管理协议IGMPnIGMP报文类型组地址发送者意义0 x11填入0路由器一般组成员关系查询0 x11使用路由器特定组成员关系查询0 x16使用主机组成员关系报告0 x17使用主机离组0 x12使用主机组成员关系报告（IG

22、MPv1使用） 5.7.2 因特网管理协议因特网管理协议IGMPn IGMP运行机制 多播路由器的每个端口它都动态地维护一张多播组表，表中记录了与该端口连接的网络上的主机当前所加入的多播组地址。对于每个端口，不管是一台还是多台主机属于某一个多播组，多播组表中只包含一个该组的组地址。 主机如果欲加入某一新的多播组，通过发送IGMP报告报文来声明。本地多播路由器接收到这个报告报文后，检查接收该报文的端口的多播组表，如果没有声明的组地址，便将它加入表中。 5.7.2 因特网管理协议因特网管理协议IGMP 多播路由器是通过周期性地轮询本地网络上的主机，动态维护多播组表。轮询通过发送IGMP查询报文实现

23、。 主机通过发送IGMP报告报文来响应多播路由器的查询。一个主机中可能有一个或多个进程加入不同的组，对每个组都要发回IGMP报告。当主机检测到参加某个组的进程全部都退出后，对于这个组，就不再发回IGMP响应报文。另外，也可使用离组报告报文声明退出多播组。 5.7.2 因特网管理协议因特网管理协议IGMPn提高IGMP运行效率 为了提高效率，IGMP采用了一些措施： 多播路由器的查询报文，一般并不针对某一多播组 。 当同一个网络上有多个多播路由器选择其中一个负责 查询主机的多播成员关系。 当一台主机上有多个进程要求加入同一个多播组时， 则只有一个进程发出声明成员关系的报告报文。 当主机收到查询后

24、，延迟一个随机时间再响应 。 5.7.3 距离矢量多播路由协议距离矢量多播路由协议n逆向路径转发和广播树 DVMRP多播路由器使用逆向路径多播RPM（Reverse Path Multicastng）算法构造了以多播源为根的多播树，多播路由器通过多播树转发数据报的副本。 RPM基于广播和剪枝（broadcast and prune）策略。广播使用逆向路径转发RPF（Reverse Path Forwarding）算法，RPF在多播数据报的传送过程中构造一个以多播源为根的广播树，广播树又经剪枝生成多播树。 多播树适合描述多播路径，应该具有以下特点：n 多播数据报的路径不构成环路；n 多播数据报的

25、路径应该是最短路径；n 接收者能够收到且只能收到一个多播数据报副本；n 应该支持动态的多播组成员关系。 5.7.3 距离矢量多播路由协议距离矢量多播路由协议n逆向路径转发和广播树 RPF的逆向路径转发处理过程是： 当多播数据报到达路由器时，记住其输入端口（记为I），并提取 多播数据报的源网络地址（记为S）； 反过来把S作为目的网络地址查找常规的单播路由表，在匹配的 表项中找到对应的转发端口。如果这个端口与I一致，路由器就由 除I之外的所有其它端口都转发一个多播数据报副本；如果与I不 一致，则丢弃该数据报。 因为单播路由表是经过优化的，也就是说从路由器到多播源的路径是最优的。逆向路径也是最优的。因此，对于某一个源发送的多播数据报，RPF路由器实际上只转发由最优路径传送来的多播数据报。这样，最终到达目的站的多播数据报走过的路径也是最优的。 5.7.3 DVMRP RPF不能保证每个网络只收到一个多