计算机网络课件网络层11

计算机网络

computernetworks蔡丽QQ:3663279第4章网络层

4.1网络层提供的两种服务4.2网际协议IP 4.2.1虚拟互连网络

4.2.2分类的IP地址

4.2.3IP地址与硬件地址

4.2.4地址解析协议ARP与逆地址解析协议

RARP 4.2.5IP数据报的格式

4.2.6IP层转发分组的流程第4章网络层（续）4.3划分子网和构造超网

4.3.1划分子网

4.3.2使用子网时分组转发

4.3.3无分类编址CIDR（构造超网）4.4网际控制报文协议ICMP4.4.1ICMP报文的种类

4.4.2ICMP的应用举例4.5因特网的路由选择协议

4.5.1有关路由选择协议的几个基本概念

4.5.2内部网关协议RIP 4.5.3内部网关协议OSPF 4.5.4外部网关协议BGP 4.5.5路由器的构成第4章网络层（续）4.6IP多播

4.6.1IP多播的基本概念

4.6.2在局域网上进行硬件多播

4.6.3因特网组管理协议IGMP和多播路由选择协议4.7虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT4.7.1虚拟专用网VPN4.7.2网络地址转换NAT

本章的主要内容网络层提供的两种服务网络层协议网际协议IP地址解析协议ARP和逆地址解析协议RARP网际控制报文协议ICMP路由器及路由选择协议IP多播，VPN，NAT网络层主要任务通过路由选择算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径；网络层使用数据链路层的服务，实现路由选择、与网络互联等基本功能，向传输层的端到端传输连接提供服务。

4.1网络层提供的两种服务虚电路服务数据报服务争论在计算机网络领域，网络层应该向运输层提供怎样的服务（“面向连接”还是“无连接”）曾引起了长期的争论。争论焦点的实质就是：在计算机通信中，可靠交付应当由谁来负责？是网络还是端系统？电信网的成功经验

让网络负责可靠交付面向连接的通信方式。建立虚电路(VirtualCircuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源。如果再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。虚电路发送任何分组之前，首先建立一条预定的路由呼叫请求分组和呼叫接受分组建立连接（逻辑连接）在逻辑连接期间该路由是固定的，就好象电路交换中的一条电路，故称为虚电路每个分组中除数据外还包含虚电路号而不是目的地址使用同一虚电路的分组只需要做一次路由选择清除请求分组可以终止连接两种虚电路服务虚调用通过动态的呼叫建立和呼叫清除过程建立的虚电路永久虚电路DTE之间不需要呼叫建立和拆除过程的虚电路提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1

要和

H5

通信主机

H1

先向主机H5发出一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机H5同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。虚电路H1

向

H5

发送的所有分组都沿此虚电路传送。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网同理，主机

H2

和主机H6通信之前，也要建立虚电路。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量

QoS(QualityofService)有较好的保证。虚电路是逻辑连接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。请注意，电路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接。因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似，但并不完全一样。因特网采用的设计思路网络层向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（即IP数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组传送的时限。数据报（Datagram）每个分组被视为是独立的分组可以选择任何可能的路径分组可以不按序到达接收方，等到全部分组到达接收方后再重新对分组排序每个分组均带有全称网络地址（源、目的），可走不同的路径。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1

向

H5

发送分组H2

向

H6

发送分组路径可能变化网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络不保证所传送的分组不丢失也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网当网络发生拥塞时网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。实际上“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务。尽最大努力交付的好处由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉（与电信网的交换机相比较）。如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的运输层负责（包括差错处理、流量控制等）。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。虚电路服务与数据报服务的对比对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主机来保证连接的建立必须有不需要终点地址仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号每个分组都有终点的完整地址分组的转发属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发每个分组独立选择路由进行转发当结点出故障时所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化分组的顺序总是按发送顺序到达终点到达终点时不一定按发送顺序端到端的差错处理和流量控制可以由网络负责，也可以由用户主机负责由用户主机负责电路交换、虚电路、数据报的事件顺序4.2网际协议IP网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一。与IP协议配套使用的还有四个协议：地址解析协议ARP(AddressResolutionProtocol)逆地址解析协议RARP(ReverseAddressResolutionProtocol)网际控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)网际组管理协议IGMP(InternetGroupManagementProtocol)网际层的IP协议及配套协议各种应用层协议网络接口层(HTTP,FTP,SMTP等)物理硬件运输层TCP,UDP应用层ICMPIPRARPARP与各种网络接口网络层（网际层）IGMP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IP协议的虚拟互连网络可简称为IP网。4.2.1虚拟互连网络互连网络与虚拟互连网络网络网络网络网络网络(a)互连网络(b)虚拟互连网络路由器虚拟互连网络（互联网）IP地址大型的互连网络中需要有一个全局的地址系统，它能够给每一台主机或路由器的网络连接分配一个全局唯一的地址；TCP/IP协议的网络层使用的地址标识符叫做IP地址；IPv4中IP地址是一个32位的二进制地址；网络中的每一个主机或路由器至少有一个IP地址；在Internet中不允许有两个设备具有同样的IP地址；如果一台主机或路由器连接到两个或多个物理网络，那么它可以拥有两个或多个IP地址。IP地址处理方法演变的过程4.2.2分类的IP地址1.IP地址及其表示方法2.常用的三种类别的IP地址1.IP地址及其表示方法

我们把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络。IP地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的32位的标识符。IP地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN(InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers)进行分配分类IP地址每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号net-id，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>}(4-1)::=代表“定义为”net-id24位host-id24位net-id16位net-id8位IP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

101net-id24位host-id24位net-id16位net-id8位IP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

101A类地址的网络号字段net-id为1字节net-id24位host-id24位net-id16位net-id8位IP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

1

01B类地址的网络号字段net-id为2字节net-id24位host-id24位net-id16位net-id8位IP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

101C类地址的网络号字段net-id为3字节net-id24bithost-id24位net-id16位net-id8位IP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

101A类地址的主机号字段host-id为3字节net-id24位host-id24位net-id16位net-id8位IP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

101B类地址的主机号字段host-id为2字节net-id24位host-id24位net-id16位net-id8位IP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

101C类地址的主机号字段host-id为1字节net-id24位host-id24位net-id16bitnet-id8位IP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

101D类地址是多播地址

net-id24位host-id24位net-id16bitnet-id8位IP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

101E类地址保留为今后使用

点分十进制记法10000000000010110000001100011111机器中存放的IP地址是32位二进制代码10000000000010110000001100011111每隔8位插入一个空格能够提高可读性采用点分十进制记法则进一步提高可读性1128

11331将每8位的二进制数转换为十进制数在讨论IP地址时经常要进行点分十进制数和二进制数的转换，记住下表的内容对快速计算IP地址是有益的。272625242322212012864321684212.常用的三种类别的IP地址A类B类C类A类IP地址A类IP地址的网络号长度为7位，主机号长度为24位；A类地址是从：～55；网络号长度为7位，从理论上可以有27=128个网络；网络号为全0和全1（用十进制表示为0与127）的两个地址保留用于特殊目的，实际允许有126个不同的A类网络；由于主机号长度为24位，因此每个A类网络的主机IP数理论上为224=16777216；主机IP为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的，实际允许连接16777214个主机；A类IP地址结构适用于有大量主机的大型网络。B类IP地址B类IP地址的网络号长度为14位，主机号长度为16位；B类IP地址是从：～55；由于网络号长度为14位，理论上有214=16384个不同的B类网络，但不指派,实际允许连接16383个网络；由于主机号长度为16位，因此每个B类网络可以有216=65536个主机或路由器，实际一个B类IP地址允许连接65534个主机或路由器；B类IP地址适用于一些国际性大公司与政府机构等中等大小的组织使用。C类IP地址C类IP地址的网络号长度为21位，主机号长度为8位；C类IP地址是从：～55；网络号长度为21位，不指派,因此有221-1=2097151个不同的C类网络；主机号长度为8位，每个C类网络的主机地址数最多为28=256个，实际允许连接254个主机或路由器；C类IP地址适用于一些小公司与普通的研究机构。IP地址的使用范围网络最大第一个最后一个每个网络类别网络数可用的可用的中最大的网络号网络号主机数

A126(27–2)112616,777,214B16,383(214

1)128.1191.25565,534C2,097,151(2211)192.0.1223.255.255254保留的IP地址对指定网络的广播1111...1111网络号环回地址127任意值以下这些IP地址具有特殊含义:一般来说，主机号部分为全“1”的IP地址保留用作广播地址；主机号部分为全“0”的IP地址保留用作网络地址。环回地址一般用来检查协议是否安装正确，如：ping0000...0000网络号网络地址专用地址每类IP地址当中都有一些特定的地址没有分配，这些地址被称为专用地址

A类：—55 B类：—55 C类：—55专用地址只能用于内网，不能用于因特网中，如果内网的主机要与因特网连接须经过地址解析（NAT）互联网中的IP地址B222.1.1.R1222.1.2.R3R2222.1.3.LAN3N3N222.1.6.N1LAN2LAN1互联网在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的。图中的网络号就是IP地址中的net-id互联网中的IP地址B222.1.1.R1222.1.2.R3R2222.1.3.LAN3N3N222.1.6.N1LAN2LAN1互联网在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的。图中的网络号就是IP地址中的net-id互联网中的IP地址B222.1.1.R1222.1.2.R3R2222.1.3.LAN3N3N222.1.6.N1LAN2LAN1互联网在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的。图中的网络号