计算机网络基础-网络层

r

""IL、—~~«***.••V"

f^・F「**V~

第3章（三）网络层

本讲目的:概述:

□理解网络层服务原理□网络层的服务

Q分层路由□分层的路由选择

O处理系统的扩展□工P协议

Q前沿话题：IPv6

□子网和子网掩码

□因特网的实现实例

□工CMP协议

□因特网的路由选择协议

□域内路由选择

□域间路由选择

□ARP协议和RARP协议

□网络层(networklayer,internetlayer)

。任务：选择合适的路由，把分组从源端传送到目的端。

。功能与服务：

•在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接

•路由选择和分组中转

•流量控制和拥塞控制

•多路复用：为多个传输层实体提供网络连接服务

•分段与组合：大数据块分段，小数据块组合

•差错检测与恢复

•流量统计和记账

链路层的任务两节点间可靠的数据传输

网绢县的在冬沿两端点间的最佳路由传输数据

中后口JIH打（主机间的逻辑通信）

□在收发主机之间传输分组

□网络层协议必须在每一台主机application

什ansDort

和路由器上实现network

network

physical

networkdatalinknetwork

三项重要功能：datalinkphysicaldatalink

physicalphysical

□路径决策:为分组在收发双方之network

datalink

间确定路径，路由选择算法physicalnetwork

datalink

□交换:在路由器的输入、输出端physical

口传递分组network

networkdatalink

datalinkphysical

口建立连接:某些网络的体系结构physical

network

要求在数据流经之前，在所经datalinkapplication

physicaliransDort

由的路由器中建立连接(callnetwork

setup)physical

网络服务模型

Q：对收发双方而言，

到底采用什么样的“

信道(channel)”网络层所提供的

服务模曾最重要的抽象是：

u

o□保证带宽？

-

+-Q□还原分组间的时序(消除

D虚电路

J抖动)？

4-s或

q

D

2n无损传递？数据报?

2

>□有序传递？

L

.N

S□向发送端反馈拥塞信息？

LJ

。路由选择

・如何在多条通信路径中找一条最佳路径？

-依据:速度,距离（步跳数）,价格,拥塞程度

•路由器一一路由表建立与维护

-静态：人工设置，只适用于小型网络

-动态：运行过程中根据网络情况自动地动态维护

・路由算法一一建立与维护路由表的方法

_-距离向量算法：RIP、CGP等

-链路状态算法：OSPF等

路由器的构成

□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

O

□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。

r-—t・'-'・一、［r'［厂"〜

，一•**«_、————>-■»•44,•・»।।■■B

r：x

直接交付和间接交付

A直接交付

-i间接交付间接交付间接交付

一7、

直接交付

、IB

直接受需要使用路由器

但间接交付就必须使用路由器

典型的路由器的结构

路由选择处理机

3-----网络层

路由选择协议

2——数据链路层路由

1-----物理层路由表选择

输入端口输出端口

332

■分组

输入端口输出端口羲发

建.’

--►I13交换结构・A3

“转发”和“路由选择”的区

别

口“转发”(forwarding)就是路由器根据转发表将用户

的HP数据报从合适的端口转发出去。

n“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。

口路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是从路

由表得出的。

□在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发表和路

由表的区别，

输入端口对线路上

收到的分组的处理

口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

从

线

交

路

换

接

结

收

构

分

组

n当交换结构传送过来的分组先进行缓存。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。

输出端口的处理

向

网络层处理线

分组排队路

发

数据链路层送

物理层处理分

处理

组

缓存管理

路由选择

P路由选择协议------

目标：在收发双方的通信过程

中为分组（所经由的一系列路

由器中）确定一条“好”的路

路由选择算法的图形抽象:

□图中的结点是路由器

□图中的线条为物理链路

□链路成本：延迟，¥费用,口“好”路：

或拥塞的程度□一般为费用最低的路径

O也可以另行定义

路由算法分类

全局或分散的信息？静态或动态的？

全局：静态：”

□所有路由器都有完整的拓扑逻

辑,链路成本信息a路由变化较少的情况

□'linkstate,算法动态：

分散：a路由变化较快的情况

□路由器只了解物理上邻接的路□定期更新

由器，了解到达这些路由器的

链路成本。为了响应链路成本的

□通过迭代计算处理，可与相邻变化

路由器交换信息

□''distancevector**算法

15

LJ

互联网与因特网

n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:

O不同的寻址方案

O不同的最大分组长度

O不同的网络接入机制

O不同的超时控制

O不同的差错恢复方法

O不同的状态报告方法

O不同的路由选择技术

O不同的用户接入控制

O不同的服务（面向连接服务和无连接服务）

O不同的管理与控制方式

虚拟互连网络的意义

□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，但是我们利用工P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HP网。

n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。

因特网的网际协议工P

网际协议工P是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一。

与工P协议配套使用的还有四个协议：

□地址解析协议ARP

(AddressResolutionProtocol)

口逆地址解析协议RARP

(ReverseAddressResolutionProtocol)

□因特网控制报文协议工CMP

(InternetControlMessageProtocol)

口因特网组管理协议工GMP

(InternetGroupManagementProtocol)

网际协议HP及其配套协议

各种应用层协议

应用层

(TELNET,FTP,SMTP等)

运输层TCP,UDP

ICMPIGMP

网际层IP

RARPARP

网络接口层与各种网络接口

物理硬件

工P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。

分类工P寻址:

□IP地址：32-bit用来

定义主机，路由器的接

口

□接口:连接主机,路由器

之间的物理链路

□路由器一般有多个接口

O主机也可能有多个网络

接口[1

oIP地址只和接口有关，

而与主机,路由器却没有

太多关联

=11011111000000010000000100000001

I______________I]_________11______________I]

223111

23：

工P寻址

□IP地址：

O网络部分（高序位）

O主机部分（低序位）

□网络是什么?（从IP地

址的视角）

。工P地址中网络部分相同

的设备接口

O不经过路由器就可以物

理上相互通达的设备

由3个工P网络组成的网络

（对于以223开头的工P地址，前24位

为网络地址）

24

工P地址

为讨论“网络”的说法，重新审视工P地址:

“分类”编址：

32bits

保留的工P地址

□以下这些IP地址具有特殊的含义:

•般来说,主机号部分为全“工”的卬地址保留用作广播地址

划分子网

□为什么要划分子网？

。工P分类不合理，地址空间利用率低

•美国的某些机构拥有的地址空间甚至比其他一些国家的全部地址

空间还大

□每个网络都指定一个网络地址将使路由表太大

•增加了路由器成本

•查找路由耗时增加

•路由器之间交换的路由信息增加

□两级工P地址不够灵活

•不能充分利用已申请到的地址资源扩充新的网络

-如何在现有的地址范围中建立多个网络？

□划分子网（Subnetting}

。又称子网寻址/时子网1：

00001000010100000010101xxxxxxxxxxxxxx

。方法：网络号子网号主机号

•从工P地址的主子网2：

-主机编号部分相000010100000010110xxxxxxxxxxxxxx

网络号子网号主机号

O例如:

•原来的网络：

•借用2位划分子网后：10564.0和105128.0

口子网的特点：

Q多个子网可以运行在同一物理网络上。

。划分子网后，原来的网络对外仍呈现为一个完整的网络

,外面看不见其内部的子网结构。

。即：划分子网完全是该网络内部的事务，与外部无关。

在一个物理网络上运行多个子网

子网1的主机子网2的主机

frfW—MW0■■»•■■»MMBMMB'

划分子网后,网络对外仍是一个网络

:所有目的地址为

：10.5.X.X的分组均

到达此路由器

子网掩码

a子网掩码的作用

□使网络内的计算机了解子网划分的结构

□使边缘路由器了解子网划分的结构

□子网掩码的格式

。子网掩码也是32bit长的二进制数，由一串连续的1后跟

一串连续的0组成；

。前面的1与网络号和子网号对应，后面的0与主机号对应

o如前面的例子：

,子网结构为：0000101000000101ssxxxxxxxxxxxxxx

,子网掩码为：11xxxxxxxxxxxxxx

写成十进制数为：

32

□不划分子网时，各类工P地址默认的子网掩码为:

oA类：

QB类：

QC类:

口已知工P地址和子网掩码，如何计算子网地址?

。用子网掩码和工P地址“相与”（AND操作），结果就是

子网地址。

。例如：工P地址,子网掩码。则

可计算出的子网地址为

00001010000001010110000000000001

AND)11111111111111111100000000000000

■00001010000001010100000000000000(=)

推论：若两个IP地址具有完全相同的子网地址，则它们在同一子网中。

工P寻址

如何找到网络？223.1.1.1.1.4

□先断开路由器，主机间

的接口连接

□建立一个“被隔离的223.1.9.2/\

网络孤岛”

223188

由6个网络组成的

互联系统

223、.3.27

L

(——-Z1223.1.2.2~^122：

DhObObf£Ih

LJ

>•4•,

分组的旅行过程

routingtableinA

Dest.Net.nextrouterNhops

223.1.11

223.1.22

工P分组:

223.1.32

miscsourcedest,+I

data

fieldsIPaddrIPaddr

口在旅行过程中分组保持不变

2231.1X^223.129|

223.1.2.

71-

fi

分组的旅行过程

miscDest.Net.nextrouterNhops

data1

fields223.1.11

由A发送给E：223.1.22

223.1.32

□检查E的网络地址

在不同网络上

nE

QA,E没有直接的连接

□路由表：至!JE下一步跳的路由器

的地址为2231.1X^223.129|

链路层将分组封装在链路层帧

n223.1.2.

中发给地址为的路71-

由器

□分组到达

□继续..…

分组旅行的过程

Dest.next

misc

datanetworkrouterNhopsinterface

fields1

223.1.1-1

分组到达了223.1.1.4,而223.1.2-1

信宿为223.1.3-17

□查找E的网络地址

□E与路由器的接口在

万一网络中

。路由器，E直接连接

口链路层将分组放入链路帧经过地

址为的接口发送到

□数据分组到达!!!

LJ

逆地址解析协议RARP

□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。

口每一个主机都设有一个ARP高速缓存(ARPcache),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发送工P数据报

时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的工P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。

主机A广播发送

ARP请求分组，我是209.005,硬件地址是00-00・C0・15-AD-18

I我想知道主机的硬件地址

^ARP请求|请求a|ARP请求?|ARP请求R

，209005I|I

itrAu以丫」B犯z

_________________________I______,______,______、

00-00-C0-15-AD-18

今收［我是

ARP响应刀组硬件地址是08-00-2B-00-EE-0A

仁ARP响应

ARP高速缓存的作用

□为了减少网络上的通信量，主机A在发送其

ARP请求分组时，就将自己的工P地址到硬件地

址的映射写入ARP请求分组。

口当主机B收到A的ARP请求分组时，就将主

机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP

高速缓存中。这对主机B以后向A发送数据报

时就更方便了。

应当注意的问题

□ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP

地址和硬件地址的映射问题。

□如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，

那么就要通过ARP找到一个位于本局域网上的某

个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由

器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下

的工作就由下一个网络来做。

应当注意的问题

□从工P地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的

用户对这种地址解析过程是不知道的。

□只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP

地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就会自

动地将该IP地址解析为链路层所需要的硬件地址

使用硬件地址进行通信?

□由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬

件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非

常复杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事。

□连接到因特网的主机都拥有统一的HP地址，它们之间

的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，因为调

用ARP来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算

机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程

的。

逆地址解析协议RARP

口逆地址解析协议RARP使只知道自己硬件地址

的主机能够知道其工P地址。

□这种主机往往是无盘工作站。因此RARP协议

目前已很少使用。

--

LJ

工P数据报的格式

□一个IP数据报由首部和数据两部分组成。

□首部的前一部分是固定长度，共20字节，是

所有工P数据报必须具有的。

□在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其

长度是可变的。

优先级DTRC未用

A比特04816192431

版本首部长度服务类型总长度

固

定标识标志片偏移

首

部

部生存时间协议首部检验和

分

源地址

目的地址

信

可

立

防：

？

口可选字段（长度可变）填充：

数据部分，

传送〈首部数据部分

IP数据报

优先级DTRC未用

A比特04816192431

版本首部长度服务类型总长度

面

标识标志片偏移

首

定

部生存时间协议首部检验和

量源地址

目的地址

疆

：：::

？可选字段（长度可变）填充

数据部分

「j

首部数据部分

IP数据报

优先级DTRC未用

传送首部数据部分

IP数据报

优先级DTRC未用

版本一占4bit,指IP协议的版本

目前的IP协议版本号为4（即IPv4）

未

优

先

级

DTRC用

O48d69d

i24i

版本&部长同服务类型

总长度

固

定标识标志片偏移

.帮

首生存时间协议首部检验和

部

源地址

目的地址

可选字段（长度可变）I填充

数据部分

首部长度——占4bit,可表示的最大数值

是15个单位（一个单位为4字节）

因此IP的首部长度的最大值是60字节。

优先级DTRC未用

比特04816192431

首部长④服务类型

版本总长度

—

固I

定标识标志片偏移

首

部

部生存时间协议首部检验和

分

源地址

目的地址

可变

:可选字段（长度可变）填充：

部分

数据部分

服务类型一占8bit,用来获得更好的服务

这个字段以前一直没有被人们使用

优先级DTRC未用

比特04816192431

版本首部长度服务类型I总长度I

—

固

定标识标志片偏移

首

部

部生存时间协议首部检验和

分

源地址

目的地址

可变

:可选字段（长度可变）填充::

部分

数据部分

总长度——占16bit,指首部和数据之和的长度，

单位为字节，因此数据报的最大长度为65535字节。

56

标识(ident币cation)占16bit,

它是一个计数器，用来产生数据报的标识。

标识(ident币cation)占16bit,

它是一个计数器，用来产生数据报的标识。

优先级

DT

RC未用

比特04816192431

首部长度

版本服务类型

总长度___________

-固

定标志I

标识

首I片偏移I

部部

生存时间首部检验和

分协议

源地址

目的地址

可变工

可选字段（长度可变）填充

部分工

数据部分

片偏移（12b让）指出：较长的分组在分片后