简述因特网网络层数据报传输机制

1、 简述因特网网络层数据报传输机制 学号：2011302590181 姓名：洪浪 武汉大学遥感信息学院11012班摘要： 本文主要介绍网络层传输数据报的机制，目的是解释因特网网络层数据报传输机制，本文详细解释了IP数据报的组成，路由器的工作原理，IP数据报的转发流程，以及路由表的各种算法，网络层是传输数据的最高一层，向上提供简单灵活的，无连接的，尽最大努力交付的数据报服务，但是不提供服务质量的承诺。网络层解决的问题主要有将逻辑地址与物理地址的转换，寻找最佳路径。关键词： 网络层；IP；路由器；数据报；分组转发一、网络层概述1、网络层的任务 物理层的任务是原始比特流的传输；数据链路层负责相邻节点的

2、可靠数据传输；这两层留下了一些问题-a、需要协议负责源到主机的数据传输；b、如何实现数据传输中所遇到的网络类型不同、网络技术不同、通信协议、计算机系统体系结构、操作系统的不同；c、第2层使用平面结构的寻址模式(如MAC地址)来唯一标识网络中的主机，地址编 码中不含任何有关主机所 在网络的结构信息。 当网络规划增大时，利用 数据链路层的物理寻址方 法直接定位网络中的计算 机会因为网桥或交换机所 产生的大量广播转发（洪 泛，flooding）而可能导 致网络瘫痪 。故基于平面化物理地址的直接寻址方式只能适用于规 模非常小的网络环境。在网络互连规划增大时，需要提供一种包含主机所在位置信息的结构化地址

3、来实现跨越不同LAN、MAN和WAN的主机逻辑寻址。基于以上原因，网络层协议应运而生，其任务为将源主机发出的分组经由各种网络路径送达目的主机。具体化为-1、了解通信子网的拓扑结构，并通过一定的路由算法为分组实现进行最佳路径的选择路由（Routing)；2、在选择路径时要注意既不要使某些路径或通信线路处于超 负载状态，也不能让另一些路径或通信线路处于空闲状态 拥塞控制(link)/负载平衡；3、当从源主机到目标主机所经历的网络网络不属于同一种类 型时，协调好不同网络间的差异异构网络互连。网络层的功能及其实现机制由网络层协议来描述，并且集中体现在网络层协议数据单元分组（packet）中。为了实现这

4、个目标，网络层必须知道通信子网的拓扑结构，并且在拓扑结构中选择适当的路径。2、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”or“无连接”曾引起了长期的争论。争论的焦点实质是：在计算机通信中，可靠支付应当由谁负责？是网络？还是端系统？ a、面向连接的虚电路服务面向连接是指在数据传输之前双方需要为此建立一种连接，然后在该连接上实现有次序的分组传输，直到数据传送完毕连接才被释放有些人认为应该借鉴电信网的成功经验，让网络层负责可靠交付。当两个计算机进行通信时，应当先建立连接（但在分组交换中是建立一条虚电路VC（Virtual Circuit）。这种通信方式如果再

5、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，当然也不会丢失和重复。通信结束后要释放建立的虚电路（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）涉及虚电路逻辑连接的三个阶段：虚电路建立、数据传输和虚电路拆除(Link)虚电路分为永久虚电路(PVC)和呼叫虚电路(SVC)。示意图如下：b、无连接的数据报服务因特网的设计思路是这样的：网络层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（也就是IP数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）在这样的上下文环境

6、中，分组通常称为数据报，类似于电报，子网称为数据报子网。网络层不提供服务质量的承诺。也就是说，所传送的组可能出错，丢失，重复和失序（即不按序到达终点），当然也不保证分组交付的时限。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。示意图如下：C、两种服务的比较一条通信线路的失败对于使用了该线路的虚电路来说是致命的，但是如果使用了数据报的话，则这种失败很容易得到补偿二、网际协议IP1、IP协议介绍地位：TCP/IP网络层的核心协议，也是整个TCP/IP模型 中的核心协议，所有其他协议都以它为基础。 协议数据单元被称为IP分组。作用：通过网际网络传输IP分组。与 IP

7、协议配套使用的还有四个协议：地址解析协议 ARP(Address Resolution Protocol)逆地址解析协议 RARP(Reverse Address Resolution Protocol)网际控制报文协议ICMP (Internet Control Message Protocol)网际组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)特点：a、提供无连接的、不可靠的数据报传输服务“无连接”：传输分组前不需要建立连接，也不维护IP分组发送后的任何状态信息，每个分组的处理相对独立，不同分组可以走不同的路径。“不可靠”:不提供差错控制和确认机

8、制，不保证每个IP 分组能被送达目的节点或被正确接收，也不保证IP分组传输顺序的正确性。“尽力而为(best-effort)”b、支持异构网络的互连介质无关性以统一的IP分组传输提供了对异构网络互连的支持；向传输层屏蔽了底层通信子网中的不同网络技术在物理层 和数据链路层的差异；IP编址模式实现了跨越不同LAN、MAN和WAN的主机寻址。2、互连与互连设备：网络互连使用路由器 ，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

9、网络层使用的路由器称为网关。 3、虚拟互联网络因为用户的需求是多种多样的，没有一种单一的网络能够适应所有用户的需求。从一般的概念来讲，将网络互相连接起来要使用一些中间设备，网络层使用的中间设备叫做路由器。由于参加互连的计算机网络都是用相同的网络协议IP（Internet Protocol），因此可以把互连以后的计算机网络看成一个虚拟互连网络（internet）。所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，它的意思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在网络层上看起来好像是一个统一的网络。互联网可以由多种异构网络互连组成。虚拟互连网络的意义 ：所

10、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。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。 3、分类的IP地址a、IP地址及其表示方式整个的因特网就是一个单一的、抽象的网络。IP地址就是给因特网上的每一个主机（或路

11、由器）的每一个接口分配一个全世界范围是唯一的32位的标识符。“分类的IP地址”就是将IP地址划分为若干个固定类，每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中第一个字段就是网络号（net-id），它标志该主机（或路由器）。一个主机号在它前面的网络号所指明的网络号所指明的网络范围内必须是惟一的。对主机或路由器来说，IP地址都是32位的二进制代码。为了提高可读性，把32位的IP地址中的每8位用其等效的十进制数字表示，并且在这些数字之间加上一个点，即点分十进制记法（dotted decimal notation）。b、IP地址分类和编址每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段网络号 net-i

12、d，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 := <网络号>, <主机号> := 代表“定义为”IP 地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配 c、IP地址具有以下一些重要特点：1，IP地址是一种分等级的地址结构，由网络号和主机号组成。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

13、 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。 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(multihomed host)。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。 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

14、，具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连。4，在IP地址中，所有分配到网络号的网络都是平等的。d、IP地址组织结构IP地址是一个32位的地址，以4个字节表示，每个字节上的十进制数范围是0255，且每个十进制数字之间用点隔开。因特网协会定义了A，B，C，D，E五种地址以适合不同容量的网络，其中A类地址前8位为网络号，后24位为主机号，B类前16位为网络号，后16位为主机号，C类前24位为网络号，后8位为主机号，D，E类为特殊地址。因特网寻址方式为：在信息传输的中转路径中，先按IP地址的网络标示号找到相应的下个节点，直到找到目的主机所在子网，再利用主机ID4、IP地址与硬件地址物理地址是数据

15、链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部。在网络层和网络层以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的事硬件地址。在IP层抽象的互联网上只能看到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；在局域网的链路层，只能看见MAC帧；IP层抽象的互联网屏蔽了下层复杂的细节，只要在网络层上讨论问题，就能够使用统一的。抽象的IP地址研究主机和主机或路由器之间的通信。5、地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARPIP地址和物理地址之间的映射过程叫地址解析，主机和路由器在需要向同一物理网络的

16、另一台计算机发送数据时解析地址，一台计算机无法直接解析远程网络上的计算机地址。A、地址解析协议（ARP）n 为使所有计算机对用于地址解析的消息在精确格式和含义上达成一致，TCP/IP协议组含有一个地址解析协议，定义了两类基本的消息：一类是请求，另一类是应答。地址解析协议隐藏了物理寻址的细节。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(ARP cache)，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

17、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。B、 反向地址解析协议（RARP）RARP协议实现MAC地址到IP地址的转换，在一台无盘工作站启动后，工作站首先以广播方式发出自己的RARP请求，RARP服务器收到这个请求后，就会根据RARP请求中提供的MAC地址为该工作站分配一个IP地址。6、IP数据报格式IP数据报是网络层传输数据的基本单位。A、数据报格式1、版本占4位，指IP协议的版本，通信双方使用的版本号必须一致。2、首部长度占4位，这个字段单位是32位字，当IP分组的首部长度不是4字节的整

18、数倍时，必需利用最后的填充字段加以填充。3、区分服务占8位，用来获得更好的服务，这个字段在旧标准中叫做服务类型，实际上一直没用过，只有在使用区分服务时，这个字段才起作用，一般情况下不使用这个字段。4、总长度：指首部和数据之和的长度，单位为字节，当数据报长度超过网络中所允许的最大传送单元时，必须把过长的数据报进行分片，这时，数据报首部中总长度字段不是指未分片前的数据报长度。5、标志：占16位，目前只有两位有意义。6、片位移指出在较长的分组分片后，某片在原组中的相对位置。7、生存时间数据报在网络中的寿命，由发出数据报的源点设置这个字段，防止无法交付的数据报在网络中兜圈子。8、协议：指出此数据报携带

19、的数据所使用何种协议，以便主机的IP层知道应将数据部分传给哪个处理过程。9、首部检验和：只检验数据报的首部，不包括数据部分。10、源地址。11、目的地址。12、数据部分。7、IP层转发分组的流程数据报都是被封装在帧中被传输，帧中地址是通过机器上软件执行ARP地址联编而得到，是一个物理地址，在一次传输中封装只发生一次，路由器在选好下一站之后，将数据报封装在一个帧中，通过物理层转发到下一站，当帧到达下一站时，接收软件从帧中取出数据报，然后丢弃这一帧，如果数据报必须通过另一个网络转发时就会产生一个新的帧。路由器分组转发算法如下：先从数据报的首部提出目的主机IP地址，得出其网络地址，若此网络地址就是与

20、路由器直接相连的某个网络地址，则进行直接交付，否则就执行间接交付。间接交付中，若路由表中有此目的地址的特地主机路由，则把数据报传送给路由表中下一跳路由器，否则若路由表中有到达其网络的路由，就把数据报传送给路由表中指明的下一跳路由器，如果都没有，转发给路由表中的默认路由。默认路由会选择路由。如果都没有，则转发数据报出错。n A、查找路由表：根据目的网络地址就能确定下一跳路由器，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，才试图向目的主机进行直接交付。B、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

21、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。C、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。这种转发方式在一个网络只有很少的对外连接时是很有用的。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。D、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(

22、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。 三、划分子网和构造超网3、1划分子网1、1从两级IP地址到三级IP地址从今天看来，在ARPANET的早起，IP地址的设计不够合理：第一，IP地址空间的利用率有时很低；第二，给每一个物理网络分配一个网络号会使路由器变得太大因而使网络型能变坏；第三，两级I

23、P地址不够灵活。为解决上述问题，从1985年起在IP地址中又增加一个“子网号字段”，使两级IP地址变成三级IP地址，即划分子网，或子网寻址或子网路由选择。划分子网的基本思路如下：1、单位以外的网络看不见这个网络是由多少个子网组成，这个单位对外仍然表现为一个网络。2、三级IP地址：网络号、子网号、主机号。3、路由器在收到IP数据报后，再按目的网络号和子网号找到目的子网，把IP数据报交付给目的主机。1、2子网掩码子网掩码是一种来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网以及哪些位标识的是主机的位掩码。子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。3.2 使用子网时分组

24、的转发使用子网划分后，路由表必须包含以下三项内容：目的网络地址、子网掩码和下一条地址。3.3 无分类编址CIDR（构造超网）CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，CIDR把32位的IP地址划分为两个部分，前面的部分是“网络前缀”（network-prefix）用来指明网络，后面部分用来指明主机，是无分类的两级编址。CIDR把网络前缀都相同的连续IP地址组成一个“CIDR地址块”，只要知道CIDR地址块中的任何一个地址，就可以知道这个地址块的起始地址（即最小地址）和最大地址，以及地址块的地址数。在使用CIDR时，IP地址由网络前缀和主机号这两个部分组成，因此在路由表中的项目也要有相应的改变，在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果，应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由，即最长前缀匹配（longest-prefix matching）。寻找最长前缀匹配使用二叉线索查找路由表。4、路由选择4.1 路由器