数据通信与计算机网络清华因特网互联协议

1、第16讲 网络层之四因特网互联协议案例学习：Internet的网络层US backboneEuropean backboneAsia802.4802.3802.5ARPData LinkRARPIGMPIPICMPTCPUDPOSPFRIPBGP网络层的协议子集物理媒体1.IP的编址方案协议软件定义一个与底层物理地址无关的编址方案，给每台主机分配一个唯一的地址。物理地址不能满足要求。因为一个互联网可包括各种物理网络技术，而每种技术定义了自己的地址格式。协议地址 每台主机有一个32位二进制数作为其Internet地址 发送包必须包括32位的发送方和接收方地址 由网络ID和主机ID两部分构成一.

2、IP地址2.IP地址层次前缀 确定了计算机所属的物理网络-Network ID后缀 确定了网络上一台单独的计算机-Host ID0 Network Host 1 0 Network Host 1 1 0 Network Host 1 1 1 0 Multicast address 1 1 1 1 0 Reversed for future use ABCDE1.0.0.0 126.255.255.255地址范围128.0.0.0 191.255.255.255192.0.0.0 223.255.255.255224.0.0.0 239.255.255.255240.0.0.0 247.255.

3、255.255类折衷方案：将IP地址空间划分成三种基本类。3.IP地址分类Prefix 128.10Prefix 128.211Prefix 10Prefix 192.5.48128.10.0.1128.10.0.2128.211.28.4128.211.6.11510.0.0.3710.0.0.49192.5.48.3192.5.48.854.IP地址的表示将32位数中的每8位为1组，用十进制表示。利用句号分隔各部分。点分十进制:前缀 后缀 地址类型 用途全0 全0 本机 启动时使用全0 主机 主机 标识本网络中的主机网络 全0 网络 标识一个网络网络 全1 直接广播 在指定网络广播全1 全

4、1 有限广播 在本地网广播127 任意 回环 测试 5.特殊IP地址保留地址：一种特殊的地址格式，从不分配给主机。目的IP地址是广播或多播?目的IP地址是接口IP地址?ARP放在IP输入队列IP输出函数基于以太帧类型分用YY放在IP输入队列IP输入函数发送接收回环驱动器以太驱动器图 回环接口处理IP报的过程ethernetToken ring223.240.129.0Ethernet 131.108.0.0131.108.99.5223.240.129.2223.240.129.1778.0.0.176.路由器编址WAN 78.0.0.0IP地址并不标识一台特定的主机，而是标识一台主机与网络的

5、一个连接。一个有多个网络连接的计算机必须为每个连接分配一个 IP地址。巨大的网络地址管理开销路由器中路由表的急剧膨胀地址空间最终会用完7.IP的子网编址没有考虑增长的需要子网编址(Subnet addressing)某个网点(site)有两个或多个物理网络，只有本地路由器知道有多个物理网络，而且知道如何在它们中间选择路由；对其他自治系统的路由器来说，好象只存在一个物理网络。为了减少网络地址数目可多个物理网络共享同一IP地址前缀。网络 128.10.1.0网络 128.10.2.0128.10.1.1128.10.1.2128.10.2.1128.10.2.2例1:一个网点上有两个用子网编址的物

6、理网络，用一个B类地址标识。到128.10.0.0的所有交通路由器接收所有到该网点的交通，并基于第三个字节选择哪个物理网络。互联网其余部分Network Host Network Subnet Host 本地部分被细分例2.假设有五个物理网络的网点用一个B类地址对所有物理网络寻址 8位子网络标识8位主机标识 3位子网络标识13位主机标识子网该子网中某个主机子网掩码使用子网编址的网点必须为每个网络选择一个32位的子网掩码(Subnet mask)。子网掩码中取“1”的位对应于网络地址取“0”的位对应于主机标识例2：填表IP地址 地址类别 子网掩玛 子网号码202.212.5.121 C 255.

7、255.255.224 202.212.5.96202.212.2.121 C 255.255.255.192 202.212.2.6415.1.93.6 A 255.255.0.0 15.1.0.0 153.50.6.27 B 255.255.255.0 153.50.6.0153.50.6.27 B 255.255.255.128 153.50.6.0224 = 1110,0000121 = 0111,1001128 = 1000,0000 = 27 64 = 0100,0000 = 26二、IP数据报1.IP数据报采用传统的硬件帧格式虚拟包一个独立于底层硬件的包格式。即IP数据报(dat

8、agram)Header data Vers. H.len Service type Total length Identification Flags Fragment offset Beginning of dataTime to live Protocol Header checksum Source IP addressDestination IP address IP options (may be omitted) Padding2.IP头Service type Precedence D T R unused20 bytesProtocol Keyword Protocol012

9、34568917294155-608092101-254255ICMPIGMPGGPIPSTTCPEGPIGPUDPISO-TP4SIPISO-IPMTPReservedInternet Control MessageInternet Group ManagementGateway-to-GatewayIP in IP (encasulation)StreamTransmission ControlExterior Gateway Protocolany private interior gatewayUser DatagramISO Transport Protocol Class 4Sim

10、ple Internet ProtocolUnassignedISO Internet ProtocolMulticast Transport ProtocolUnassignedReservedOption codeOption codeOption lengthdataCopy Class number 1B111b25Option code3.IP数据报选项Copy 1 该选项应被拷 贝到所有段中0 该选项仅被拷 贝到第一段中Class0 数据报或 网络控制 1 保留2 纠错和度量3 保留 表 八种可能的IP选项class number 长度 描述0 0 - 选项表结束0 1 - 无操作

11、0 2 11 安全和处理限制0 3 var 松散源路由(指定数据报的路由)0 7 var 记录路由(用来跟踪路由)0 8 4 流标识符0 9 var 严格源路由(指定数据报的路由)2 4 var Internet时间戳(记录路由时间)First hop IP addressSecond hop IP address图 记录路由选项的格式记录路由选项源主机生成一个IP地址的空表，由所有处理过该数据报的路由器把它们的IP地址填入表中。 Pointer( 0, 7 ) lengthFirst hop IP addressSecond hop IP address 图 源路由选项源路由选项严格源路由两

12、个相邻地址必须处在同一物理网络上松散源路由允许相邻两个地址之间跳过多个网络Pointer(0,3)/(0,9) length Second timestampFirst IP addressFirst timestamp Second IP address0 仅记录时间戳；忽略IP地址1 在每个时间戳之前记录IP地址(如上图所示)3 由发方指定IP地址； 如表中下一个IP地址与路由器的IP地址匹配， 则路由器仅记录时间戳。Flag meaning时间戳选项flag ( 2,4 )lengthPointeroflowIP header IP data area Frame header Fram

13、e data 三、IP封装，分段和重组1.IP封装封装：将IP数据报装进一个帧的数据区，网络硬件像对待普通帧一样对待包含着数据报的帧。4.分段时对选项的处理记录路由选项只拷贝到其中一个段中源路由选项必须拷贝到所有段中datagramdatagramdatagramdatagramSource hostDestination host图 IP的多次封装多次封装Net1 Net2Net3Header1datagramHeader2datagramHeader1datagram2.分段分段：当数据报的尺寸大于网络MTU时，路由器将数据报分成若干个较小部分称为段(fragment)。Net1 (MTU

14、 = 1500)Net2 (MTU = 1000)IP Header original datagram data area IP H1 data1 IP H2 data2 IP H3 data3 每一段携带取之原数据报的部分数据，具有一个类似与原报的报头。3.重组重组：在所有段的基础上重新产生原始数据报的过程。重组时机： 在每个路由器进行 在最终目的地进行IP标准规定只在最终目的地进行重组。Net1 (MTU = 1500)Net2 (MTU = 1000)Net3 (MTU = 1500)到某些目的地到其他目的地四IP数据报的路由选择1.IP数据报的转发每个路由器与两个或更多个物理网络有直

15、接的连接；主机也需要选择把数据报发给R1还是R2。主机通常只与一个物理网络连接；R1R22.直接投递与间接投递直接投递间接投递指在一个物理网络上，数据报从一台机器直接传送到另一台机器。发方如何知道是否与目的地同处一个网络？发送方必须标识把数据报发送出去的路由器；这个路由器把数据报转发到目的网络。3.IP路由选择表IP路由表：存储有关可能的目的信息典型地 ( N , R )下一跳选择为每个目的网络存储下一跳的地址。省缺路由特定主机路由10.0.0.520.0.0.520.0.0.630.0.0.630.0.0.740.0.0.7目的网络 路由到20.0.0.0 直接投递30.0.0.0 直接投递

16、10.0.0.0 20.0.0.540.0.0.0 30.0.0.7例2: R2的下一跳路由选择R1R2R310.0.0.020.0.0.030.0.0.040.0.0.0网络1（非子网地址）网络2（地址N的子网）网络3（地址N的子网）4.子网路由选择一个给定IP地址的所有子网应是邻接的标准路由选择算法(网络地址，下一跳地址)基于路由表子网路由选择算法基于路由表 (子网掩码，网络地址，下一跳地址)掩码和数据报转发在这部分往往只包含目的地的网络地址目的地址掩码下一跳如果下一跳是一个路由器，则必须给出该路由器的IP地址。这部分决定了第一部分网络地址的长度if ( (Maski&D) = = Des

17、tinationi) forwarding to NextHopi从数据库中提取目的IP地址ID；计算目的网络的IP地址IN；if IN = 某直接相连网络的地址 then 通过该网络发送该数据报 （包括把ID转换成物理地址、封装数据报及发送该帧。）else for 路由表中的每一项 do N = ID逐位与子网掩码“与” if N = 该表项中的网络地址字段 then 将本数据报发往该表项中的下一跳地址所指定的路由器 endforloopelse if 表中包含了一个省缺路由 then 将本数据报发往该表项中的省缺路由器if 没有找到匹配的表项 then 宣布路由选择错误；算法：Route_

18、IP_Datagram(datagram, routing_table)30.0.0.740.0.0.740.0.0.8128.1.0.8128.1.0.9192.4.10.9例3: R2的路由表R1R2R330.0.0.040.0.0.0128.1.0.0192.4.10.9目的网络 掩 码 下一跳 30.0.0.0 255.0.0.0 40.0.0.740.0.0.0 255.0.0.0 直接投递128.1.0.0 255.255.0.0 直接投递192.4.10.0 255.255.255.0 128.1.0.9路由表IP软件中的路由选择算法路由的检查或更新要路由的数据报要发送的数据报使

19、用IP地址使用物理地址使用IP地址使路由易于检查或改变，并隐藏了物理地址的细节。5.用IP地址进行路由选择为什么IP软件在存储和计算路由时不用物理地址？6.尽力传递(best-effort)传递服务数据报重复延迟或乱序数据损坏数据包丢失任何使用IP的协议软件自行解决五. IP层工作过程路由表IP输出:计算下一跳路由器IP输入队列处理IP选项IP或广播地址?网络接口ICMPUDPTCPYN转发源路由IP层路由守护进程route命令netstat命令ICMP重定向六、IP的未来(IPv6)1.IP的成功与不足异构性扩展性 有限的地址空间新的Internet应用对复杂寻址和路由能力的需求 IP的功劳

20、变革的动机2.Ipv6的特性支持上百亿台主机减小路由表的长度简化协议更好的安全性增加服务类型有助于多播的实现有发展余地新旧协议共存与其他协议兼容地址大小头与IPv4头不同扩展头的引入支持音频和视频可扩展的协议 设计目标 IPv6的特性BaseHeaderExtensionHeader1ExtensionHeadernData area(a)数据报的一般格式VersFlow labelPayload lengthNext headerHop limitSource addressDestination address(b)IPv6数据报的基本头Pri 3.Ipv6数据报格式Base headerNext = TCPTCP dataBase headerNext = ROUTERoute headerNEXT = TCPTCP data(c) IPv6 包含一个基本头和数据(d) IPv6 包含一个基本头、一个路由头和数据Next header 标识紧接着的类型0