软件工程的计算机网络CH6.1 网络互连

第六章网络互连1Outline6.1路由器在网际互连中的作用6.2因特网的网际协议IP

分类的IP地址路由器在网际互连中的作用当主机A要向另一个主机B发送数据报时，先要检查目的主机B是否与源主机A连接在同一个网络上。如果是，就将数据报直接交付给目的主机B而不需要通过路由器。但如果目的主机与源主机A不是连接在同一个网络上，则应将数据报发送给本网络上的某个路由器，由该路由器按照转发表指出的路由将数据报转发给下一个路由器。这就叫作间接交付。

直接交付和间接交付间接交付间接交付间接交付ABC直接交付直接交付直接交付不需要使用路由器但间接交付就必须使用路由器路由选择路由选择处理机路由选择协议路由表3输入端口3交换结构输入端口输出端口分组转发转发表分组处理输出端口……11133122223——网络层2——数据链路层1——物理层路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。将某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地，将该分组从合适的输出端口转发给下一跳路由器。路由选择路由选择处理机路由选择协议路由表3输入端口3交换结构输入端口输出端口分组转发转发表分组处理输出端口……11133122223——网络层2——数据链路层1——物理层下一跳路由器也按照这种方法处理分组，直到该分组到达目的地为止。路由器的转发分组正是网络层的主要任务。路由器的结构可划分为两大部分：路由选择部分和分组转发部分。路由选择路由选择处理机路由选择协议路由表3输入端口3交换结构输入端口输出端口分组转发转发表分组处理输出端口……11133122223——网络层2——数据链路层1——物理层路由选择部分也叫控制部分，核心构件是路由选择处理机。路由选择处理机的任务是根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期得和相邻路由器交换路由信息而不断地更新和维护路由表。路由选择路由选择处理机路由选择协议路由表3输入端口3交换结构输入端口输出端口分组转发转发表分组处理输出端口……11133122223——网络层2——数据链路层1——物理层分组转发部分的三部分：交换结构、输入和输出端口。交换结构(交换组织)，作用是根据转发表对分组进行处理，将某个输入端口进入的分组从一个合适的输出端口转发出去；“转发”和“路由选择”的区别“转发”(forwarding)就是路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去“路由选择”(routing)则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由路由表是根据路由选择算法得出的。转发表是从路由表得出的。路由表一般仅仅包含从目的网络到下一跳（以IP地址表示）的映射；而转发表是从路由表中得出的，所以转发表必须包含完成转发功能所必须的信息。也就是说在转发表的每一行必须包含从要达到的目的网络到输出端口的映射以及某些MAC地址信息（如下一跳的以太网地址）的映射；转发表的结构应该使查找过程最优化，但路由表则需要对网络拓扑变化的计算最优化。输入端口对线路上收到的分组的处理物理层进行比特的接收，而数据链路层则按照链路层协议接收传送分组的帧。在将帧的首部和尾部剥去后，分组就被送入网络层处理模块。如果接收到的分组是路由器之间交换路由信息的分组，则将这种分组送交路由器的路由选择部分中的路由选择处理机；如果接收到的是数据分组，则按照分组首部中的目的地址查找转发表，根据得出的结果，将该分组经过交换结构送达合适的输出端口。输入端口对线路上的处理数据链路层剥去帧首部和尾部后，将分组送到网络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时延。（输入端口的处理速度小于线路将分组传送到路由器的速率。）物理层处理数据链路层处理网络层处理分组排队

交换结构

输入端口的处理从线路接收分组查表和转发输出端口将分组发送到线路接收交换结构传送过来的分组并先进行缓存。数据链路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。物理层处理数据链路层处理网络层处理分组排队

输出端口的处理向线路发送分组缓存管理交换结构分组丢弃若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的可用存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。设备或者线路出故障也可能使分组丢失。互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题需要解决，如：不同的寻址方案不同的最大分组长度不同的网络接入机制不同的超时控制不同的差错恢复方法不同的状态报告方法不同的路由选择技术不同的用户接入控制不同的服务（面向连接服务和无连接服务）不同的管理与控制方式互联网与因特网物理层中继系统：转发器(repeater)。数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。网络层中继系统：路由器(router)。网络层以上的中继系统：网关(gateway)。网络互相连接起来

要使用一些中间设备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。

网络互连使用路由器网络网络网络网络网络路由器

虚拟互连网络（IP网）因特网在IP层采用了标准化协议。左图显示了有许多计算机网络通过一些路由器进行互连。由于参加互连的计算机网络都使用相同的网际协议IP，因此可以将互连后的计算机网络看成右图所示的虚拟互联网。网络网络网络网络网络路由器

虚拟互连网络（IP网）其实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。网络网络网络网络网络路由器

虚拟互连网络（IP网）使用IP协议的虚拟互连网络可简称为IP网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。名词internet和Internet以小写字母i开始的internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的虚拟网络。以大写字母I开始的的Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用

TCP/IP

协议族，且其前身是美国的ARPANET。Outline6.1路由器在网际互连中的作用6.2因特网的网际协议IP

分类的IP地址因特网的网际协议IP网际协议IP是TCP/IP体系中最主要的协议之一。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)因特网控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)因特网组管理协议IGMP(InternetGroupManagementProtocol)网际协议IP及其配套协议各种应用层协议

网络接口层(TELNET,FTP,SMTP等)物理硬件运输层TCP,UDP应用层ICMPIPRARPARP与各种网络接口网际层IGMPIP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惟一的32bit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IP地址的编址方法分类的IP地址。这是最基本的编址方法，在1981年就通过了相应的标准协议。子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准[RFC950]在1985年通过。构成超网。这是比较新的无分类编址方法。1993年提出后很快就得到推广应用。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>}(6-1)::=代表“定义为”net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bitIP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bitIP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001A类地址的网络号字段net-id为1字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bitIP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001B类地址的网络号字段net-id为2字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bitIP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001C类地址的网络号字段net-id为3字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bitIP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001A类地址的主机号字段host-id为3字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bitIP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001B类地址的主机号字段host-id为2字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bitIP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001C类地址的主机号字段host-id为1字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bitIP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001D类地址是多播地址，留给因特网体系结构委员会IAB使用

net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bitIP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001E类地址保留为今后使用

路由器转发分组路由器为转发分组而查找转发表时，很重要的一点就是查找路由表花费的时间要尽量短如果将到达所有目的主机的路由全部写入到转发表中，会有很多路是重复的。所以应该将重复的路由合并。转发表只使用IP地址中的网络号net-id来查找路由。只要IP数据报能够正确到达目的网络，就可在这个网络上直接交付给目的主机而不需要经过其他路由器进行转发了。路由器转发分组的步骤先按所要找的IP地址中的网络号net-id把目的网络找到。当分组到达目的网络后，再利用主机号host-id将数据报直接交付给目的主机。按照整数字节划分net-id字段和host-id字段，就可以使路由器在收到一个分组时能够更快地将地址中的网络号提取出来。IP地址是指出了连接到某个网络上的某个主机。点分十进制记法10000000000010110000001100011111机器中存放的IP地址是32bit二进制代码10000000000010110000001100011111每隔8bit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8bit的二进制数转换为十进制数常用的三种类别的IP地址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)112616,777,214(224–2)B16,384(214)128.0191.25565,534(216–2)C2,097,152(221)192.0.0223.255.255254(28–2)常用的三种类别的IP地址网络数减2的原因：IP地址中全0表示“这个(this)”

网络号字段为全0的IP地址是个保留地址，意思是“本网络”(例如，A类地址5，则表示在这个网络上的主机35)。网络号字段为127（01111111）保留作为本地软件寻回测试本主机之用。(后面三个字节的二进制数字可任意填入，但不能全是0或全是1，即除了和55以外都可以用)特殊IP地址

是回送地址，指本主机，主要作用是预留下作为测试使用，如网络软件测试以及本主机进程间通信。ping测试本机的网络配置，能PING通说明本机的网卡和IP协议安装都没有问题；主机进程间通信C/S的应用程序在运行时需调用服务器上的资源，一般要指定服务器的IP地址，但当该程序要在同一台机器上运行而没有别的服务器时就可以把服务器的资源装在本机，而服务器的IP地址设为也同样可以运行。

特殊IP地址在Windows系统下，该地址还有一个别名叫

“localhost”(本地主机)，代表回送地址，无论是哪个程序，一旦使用该地址发送数据，协议软件会立即返回，不进行任何网络传输，即包含该网络号的分组是不能够出现在任何网络上的。

常用的三种类别的IP地址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)112616,777,214(224–2)B16,384(214)128.0191.25565,534(216–2)C2,097,152(221)192.0.0223.255.255254(28–2)常用的三种类别的IP地址主机数减2的原因：全0的主机号字段表示该IP地址是“本主机”所连接到的网络地址(例如，一主机的IP地址为，则该主机所在的网络地址就是)。全1表示“所有的(all)”，因此全1的主机号字段表示该网络上的所有主机(例如，55，则表示网络上的所有主机)。

常用的三种类别的IP地址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)112616,777,214(224–2)B16,384(214)128.0191.25565,534(216–2)C2,097,152(221)192.0.0223.255.255254(28–2)常用的三种类别的IP地址

IP地址空间共有232个地址。整个A类地址空间共有231个地址，占整个IP地址空间的50%。

整个B类地址空间共有230个地址，占整个IP地址空间的25%。

整个C类地址空间共有229个地址，占整个IP地址空间的12.5%。

128.10.0.010.0.0.0128.211.0.0192.5.48.015795红色表示网络号主机IP地址主机IP地址主机IP地址主机IP地址A类网络C类网络路由器路由器路由器B类网络B类网络网络类型、网络号和IP地址举例IP地址的一些重要特点(1)IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：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

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。这种主机称为多接口主机(multihomedhost)。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，因此这些局域网都具有同样的网络号net-id。(4)所有分配到网络号net-id的网络，不管是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。互联网中的IP地址B222.1.1.R1222.1.2.R3R2222.1.3.LAN3N3N2222.1.4.222.1.5.222.1.6.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-idB222.1.1.R1222.1.2.R3R2222.1.3.LAN3N3N2222.1.4.222.1.5.222.1.6.N1LAN