第5章 网络互联技术

ComputerNetworkTechnology计算机网络技术第3版第5章网络互联技术第5章网络互联技术知识目标了解IP地址的分类及功能认识子网并理解子网掩码了解常见网络层协议和功能认识基本路由器特点、参数和基本原理掌握静态路由与动态路由理解路由信息协议（RIP），掌握开放最短通路优先协议（OSPF）第5章网络互联技术技能目标学会规划网络和划分子网能够进行路由器基本配置能够使用路由协议进行网络连接素质目标培养认识事物规律的科学思维品质具备创新意识和探索精神具备团队协作精神和实践能力

5.1网络层概述

OSI参考模型或TCP/IP体系结构中，网络层都是最核心的一层。功能：根据路由信息完成数据包的转发。

检查网络拓扑，以决定传输数据包的最佳路由（报文发送的路径信息），找到数据包应该转发的下一个网络设备。协议：

IP、ARP、RARP、ICMP、IGMP(1)IP(InternetProtocol)网际协议，负责网络层寻址、路由选择、分段及包重组。(2)ARP(AddressResolutionProtocol)地址解析协议，把网络层地址解析成物理地址（MAC地址）。(3)RARP(ReverseARP)逆向地址解析协议，把硬件地址解析成网络层地址。(4)ICMP(InternetControlMessageProtocol)Internet控制消息协议，提供诊断功能，报告由于IP数据包投递失败而导致的错误。(5)IGMP(InternetGroupManagementProtocol)Internet组管理协议，管理IP组播组。5.2IP及IP地址IP是计算机网络相互连接进行通信而设计的协议，负责将多个包交换网络连接起来，在源地址和目的地址之间传送IP数据包（Packet）。IP数据报（IPDatagram）则是对数据包的结构分析。1.IPIP是一个网络层可路由协议，包含寻址信息和控制信息，可使数据包在网络中路由。IP是TCP/IP体系结构中主要的网络层协议，与TCP结合组成整个互联网协议的核心。IP应用于局域网和广域网通信。IP两个基本任务：提供无连接的和最有效的数据包传送；提供数据包的分片与重组以支持不同最大传输单元大小的数据连接。

5.2.1IP及IP数据报2.IP数据报的格式IP数据报由一个头部和其上一层数据组成。头部由一个20字节固定长度部分和一个可选任意长度部分组成。

使用逻辑（IP）地址屏蔽各种物理网络的地址差异互联网中使用TCP/IP的每台设备都有物理地址即MAC地址，固化在网卡中用来区分每一个设备。每种物理网络都有各自的技术特点，其物理地址也各不相同。统一物理地址的表示方法不现实，查找困难。互联网对各种物理网络地址的“统一”，通过IP地址在IP层完成。

5.2.2IP地址概述5.2.2IP地址概述

互联网的层次结构

1.IP地址的结构

①IP地址使用两个版本：IPv4和IPv6

②IPv4组成结构：

IP地址的长度为32位二进制数。网络号netid，标识互联网中一个特定网络。主机号hostid，标示某网络中主机的一个特定连接。IP编址方式携带了位置信息。

5.2.3IP地址的结构及表示方法

2.IP地址的表示方法

IP地址采用直观表示法，点分十进制标记法。32位二进制分成四段每段8个二进制数分别用十进制表示4个十进制数值间用“.”隔开

5.2.3IP地址的结构及表示方法

IP地址表示方法举例

二进制IP地址：用点分十进制表示法表示成：202.93.120.44

5.2.3IP地址的结构及表示方法

IP地址表示方法转换练习：10000000000001111000000100011110转十进制?11001010110101011110000000011001转十进制?10.65.126.6转二进制?32.68.63.8转二进制?

5.2.3IP地址的结构及表示方法

InterNIC按网络号和主机号占用位数将IP地址资源划分为5类：A类、B类、C类、D类和E类。

5.2.4IP地址的分类

1.A类

⑴A类地址第1字节为网络地址，其它3个字节为主机地址。另外第1个字节的最高位固定为0。⑵A类地址范围：1.0.0.1到126.255.255.254。(3)可定义A类网络地址126个{128-2(网络编号不能是全0或全1)}。

每个网络可以拥有的主机数为16777214{

(主机位不能是全0或全1)}个。

5.2.4IP地址的分类224-2

1.A类

其中A类地址中的私有地址和保留地址：①10.0.0.0到10.255.255.255是私有地址（所谓的私有地址是在互联网上不使用，而被用在局域网络中的地址）。②127.0.0.0到127.255.255.255是保留地址，用做循环测试用的。

5.2.4IP地址的分类

2.B类

⑴B类地址第1字节和第2字节为网络地址，其它2个字节为主机地址。其中第1个字节的前两位固定为10。⑵B类地址范围：128.0.0.1到191.255.255.254。(3)共可定义B类网络地址16382{

个

。

每个网络可以拥有的主机数为65534{

}个。

5.2.4IP地址的分类214-2}216-2

2.B类

其中B类地址的私有地址和保留地址：①172.16.0.0到172.31.255.255是私有地址②169.254.0.0到169.254.255.255是保留地址。如果IP地址是自动获取IP地址，而你在网络上又没有找到可用的DHCP服务器，这时将会从169.254.0.0到169.254.255.255中临得获得一个IP地址。

5.2.4IP地址的分类

3.C类

⑴

C类地址第1字节、第2字节和第3个字节为网络地址，第4个字节为主机地址。其中第1个字节前三位固定为110。⑵

C类地址范围：192.0.0.1到223.255.255.254。(3)

共可定义C类网络地址2097152{

}个。

每个网络可以拥有的主机数为254{

}个。

其中：C类地址中的私有地址：192.168.0.0到192.168.255.255

5.2.4IP地址的分类221-228-2

4.D类

⑴D类地址不分网络地址和主机地址，它的第1个字节的前四位固定为1110。⑵D类地址范围：224.0.0.1到239.255.255.254。

(3)D类地址用于组播，前面4位1110引导，后面28位为组播地址ID。

5.E类

⑴E类地址也不分网络地址和主机地址，它的第1个字节的前四位固定为1111。⑵E类地址范围：240.0.0.1到255.255.255.254。(3)E类地址用于研究用。

5.2.4IP地址的分类

IP地址分类总结：

重点关注A类、B类和C类，既能适应不同的网络规模又具有一定的灵活性。

常用A、B、C3类IP地址，可以容纳的网络数和主机数。

5.2.4IP地址的分类1.网络地址构成：一个有效的、不变的网络号和一个二进制位全“0”的主机号。举例：IP地址为

202.93.120.44其网络地址为

202.93.120.0其主机号为

44

5.2.5特殊的IP地址2.广播地址广播地址就是向有效范围内的所有用户发送信息的地址，可以把它认定为最大的组播范围，也称直接广播地址。主机向其他网络的所有节点广播信息。构成：一个有效的网络号和一个全“1”的主机号。举例：202.93.120.255发送直接广播前需要知道目的网络的网络号。5.2.5特殊的IP地址3.有限广播地址将广播限制在最小的范围：标准的IP编址：广播将被限制在本网络之中子网编址：广播被限制在本子网之中构成：255.255.255.255发送有限广播前不需要知道网络号

5.2.5特殊的IP地址4.回环测试地址（1）回送地址：127.0.0.0（2）作用：网络软件测试。本地机器进程间通信。（3）含有网络号127的数据报不会出现在网络上例如：127.0.0.1

5.2.5特殊的IP地址5.私有地址私有地址（Privateaddress）属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。特点：①

私有地址可在组织机构内部通信中重复使用，可以有效的节约公网地址。②不能存在于互联网上，不被Internet上的路由器转发，要通过NAT/PAT转换以公有IP地址接入Internet。私有地址包括：A类10.0.0.0--10.255.255.255（1个A类地址）B类172.16.0.0--172.31.255.255（16个B类地址）C类192.168.0.0--192.168.255.255(256个C类地址)。

5.2.5特殊的IP地址5.私有地址Microsoft自动私有地址：169.254.0.1～169.254.255.254。DHCP客户机联系不上DHCP服务器时，DHCP客户机会自动从169.254.0.1～169.254.255.254地址中选择一个地址配置给网卡，该地址即称为“Microsoft自动私有地址”。

5.2.5特殊的IP地址扩充：IP编址规则1.小型网络使用C类地址，中型网络使用B类地址，大型网络使用A类地址。2.主机：连接到同一网络中所有主机的IP地址共享同一netid。3.路由器路由器可连接多个物理网络。每个连接都拥有自己的IP地址。每个连接IP地址的netid应与这个网络的netid相同。

5.2IP及IP地址

扩充：IP编址实例——认识下面网络及IP地址。

5.2

IP及IP地址

1.子网概述（1）问题的提出IP地址能适应于不同的网络规模，有效利用IP地址。网络更安全。（2）子网编址对原IP地址按照一定规则进一步划分，就是子网划分技术。将原主机号划分为子网络号和主机号，即借用一部分主机号作为子网络号。

5.2.6子网编址子网编址使用A类B类或C类地址的单位可以把他们的网络划分成几个部分，称为子网。每个子网对应一个部门或一个地理范围。子网划分的常见方法是用主机号的高位来标识子网号，其余位表示主机号。无子网时，IP地址=网络号+主机号有子网时，IP地址=网络号+子网号+主机号

5.2.6子网编址2.子网编址方法(1)IP地址具有层次结构：网络号和主机号(2)子网编址方法将IP地址的主机号部分进一步划分成子网部分和主机部分。从标准IP地址的主机号部分“借”位并把它们指定为子网号部分。在“借”用时必须给主机号部分剩余2位。在“借”用时至少要借用2位。

5.2.6子网编址3.子网编址举例（补充），认识下面网络中子网编址。

5.2.6子网编址4.子网地址和子网广播地址(1)子网地址主机位以二进制全“0”结尾。(2)子网直接广播地址主机位以二进制全“1”结尾。(3)有限广播地址32位全为“1”，即：255.255.255.255广播被限制在本子网内。(4)二进制全“0”或全“1”的子网号一般不分配

5.2.6子网编址5.子网掩码（1）子网表示法:通过子网掩码与IP地址成对出现表示子网。（2）子网掩码格式与IP地址一样，也是由32位的二进制数组成。网络部分用二进制“1”表示（如果带有子网，子网也要用二进制“1”表示）。主机部分用二进制“0”表示。用点分十进制的方式表示。

5.2.6子网编址5.子网掩码（3）子网掩码的规则定义如下：①对应IP地址网络号部分（可能包括子网）所有位都为“1”，并且所有的“1”必需连续，中间不得出现“0”。②对应IP地址主机号部分所有位都为“0”，同样所有的“0”必需连续，中间也不得出现“1”，当然“0”后也不能有“1”。利用以上规则可根据需求计算出某IP地址的网络部分、子网部分和主机部分各占几位。

5.2.6子网编址5.2.6子网编址ABC类IP地址默认子网掩码5.子网掩码利用以上规则根据需求计算出某IP地址的网络部分、子网部分和主机部分各占几位。例1.IP：199.15.19.65/26（/26即子网掩码为255.255.255.192）例2.190.5.6.1/22（/22即子网掩码为255.255.252.0）

5.2.6子网编址1.子网规划两个条件

（1）在产生的子网中要能容纳足够的主机

（2）能够产生足够的子网号2.子网划分实例某公司申请了一个C类地址198.170.200.0，公司有生产部门和市场销售部门等6个部门需要划分为单独的网络，人数最多的销售部拥有28台计算机，请给出该公司每个部门所划分的IP地址范围，网络地址和直接广播地址。(参考答案见下表)。5.2.7子网规划与划分实例子网条件：该C类网络，要产生6个子网，其中每个子网至少要容纳28台计算机。子网规划：原地址主机位中借用前三位表示子网（子网掩码/27），后五位表示主机。

5.2.6子网编址1.IPv6

英文:InternetProtocolversion6（第6版互联网协议）。

IPv6地址长度从IPv4的32位扩展到128位，IP地址总容量达到2的128次方个。2.IPv6地址表示方法

16字节(128位)，每2个字节一组，共分8组，每组用16进制表示，组与组之间“：”隔开。例如：

8000：0000：0000：0000：1234：5678：90ab：def05.2.8IPv6地址概述IPv6地址可简化表示

5.2.8IPv6地址概述3.IPV6属性

与IPV4相比，IPV6以下几个优势：(1)IPv6具有丰富的地址资源空间(2)IPv6使用更小的路由表(3)IPv6报头更加简单

增加了增强的组播支持以及对流的支持。(4)IPv6全新的地址配置方式(5)IPv6具有更高的安全性5.2.8IPv6地址概述

5.3网络层其他重要协议5.3.1地址解析协议

引例:若在DOS相应盘符下Windows命令窗口中输入arp-a，则输出结果如下：

其中第一列显示的是ip地址，第二列显示和ip地址对应的网络接口卡的硬件地址（MAC），第三列是该ip和mac的对应关系类型。

ARP（AddressResolutionProtocol，地址解析协议）是一个位于TCP/IP协议栈中的低层协议(互联层)，负责将某个IP地址解析成对应的MAC地址。1.

IP地址屏蔽物理网络地址的差异，为上层用户提供“统一”的地址形式2.

IP地址屏蔽物理网络地址差异通过在物理网络上覆盖一层IP软件实现3.

互联网不对物理地址做任何修改高层软件利用IP地址指定源地址和目的地址。低层物理网络利用物理地址指定源地址和目的地址。5.3.1地址解析协议RARP协议（ReverseAddressResolutionProtocol）反地址解析协议:主要作用是把原有的MAC地址解析为IP地址。主要应用到局域中（无盘工作站）。主要作用是保持数据的安全与可靠。5.3.2反地址解析协议

5.3.3Internet控制报文协议ICMP协议（InternetControlMessageProtocol）Internet控制消息协议。用于在IP主机、路由器之间传递控制消息，包括差错信息及其它需要注意的信息。调试控制信息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的信息。5.4路由器5.4.1路由器简介1.路由器的基本概念路由选择指网络中的节点根据通信网络的情况（可用的数据链路、各条链路中的信息流量等），按照一定的策略（传输时间、传输路径最短），选择一条可用的传输路径，把信息发往目的地。路由器（Router）就是具有路由选择功能的设备。路由器工作于网络层，从事不同网络之间的数据包（Packet）的存储和分组转发，是用于连接多个逻辑上分开的网络（所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网）的网络设备。

5.4.1路由器简介1.路由器的基本概念

路由器在网络中位置5.4.1路由器简介2．路由器的功能与分类

(1)

路由器的功能接口功能。

通信协议功能。数据包转发功能。路由信息维护功能。管理控制功能。安全功能。5.4.1路由器简介2．路由器的功能与分类(2)

路由器的分类从结构上分：模块化结构与非模块化结构。从网络位置划分：核心路由器与接入路由器。从功能上划分：骨干级路由器、企业级路由器和接入级路由器。5.4.1路由器简介3．路由器结构硬件系统：CPU、ROM、RAM、I/O（以太网口、广域网口、配置口(Console口)、备份口(AUX口)）软件系统：系统平台（操作系统），如：华为公司软件系统是VRP(VersatileRoutingPlatform，通用路由平台)；Cisco公司软件系统是Cisco互联网络操作系统(IOS)

互联网就是利用路由器将数以万计的网络以及上亿台计算机连接起来形成的一个全球性的广域网，没有路由器就没有现在的互联网。5.4.2路由的基本原理路由器类似邮局功能

5.4.2路由的基本原理1．路由表

以太网交换机是根据“地址映射表”来决定将帧转发到哪个端口。

同样路由器当中也有一张非常重要的表----路由表。

5.4.2路由的基本原理1．路由表

（1）路由表概述

路由表用来存放目的地址以及如何到达目的地址的信息。路由选择是指根据一定的原则和算法,在传输路径上找出一条通向目的节点的最佳路径。路由器采用表驱动的路由选择算法选择路由进行IP数据报转发。5.4.2路由的基本原理（2）路由表构成

通用的IP路由表通常包含许多（M，N，R）三元组:M表示子网掩码。N表示目的网络地址（注意是网络地址，不是网络上普通主机的IP地址）。R表示到网络N路径上的“下一个”路由器的IP地址。5.4.2路由的基本原理（3）路由表实例

路由器R2的路由表子网掩码M要到达的网络N下一路由器R255.255.0.020.2.0.0直接投递255.255.0.020.3.0.0直接投递255.255.0.020.1.0.020.2.0.8255.255.0.020.4.0.020.3.0.45.4.2路由的基本原理（3）路由表实例

路由器R3的路由表子网掩码（M）要到达的网络（N）下一路由器（R）255.255.0.020.3.0.0直接投递255.255.0.020.4.0.0直接投递255.255.0.020.2.0.020.3.0.9255.255.0.020.1.0.020.3.0.95.4.2路由的基本原理2．路由表中的特殊路由

(1)默认路由如果路由表没有明确指明一条到达目的网络的路由信息，就将数据报转发到默认路由指定的路由器。主要目的：缩短路由表的长度、减少路由计算时间。在路由选择算法中，默认路由的子网掩码是0.0.0.0，目的网络是0.0.0.0，下一路由器地址就是要进行数据转发的第一个路由器的IP地址。5.4.2路由的基本原理(1)

默认路由主机A的路由表子网掩码目的网络下一站地址255.255.0.020.1.0.0直接投递0.0.0.00.0.0.020.1.0.12主机B的路由表子网掩码目的网络下一站地址255.255.0.020.3.0.0直接投递0.0.0.00.0.0.020.3.0.135.4.2路由的基本原理2．路由表中的特殊路由

(2)

特定主机路由对单个主机（而不是网络）指定一条特别的路径。主要目的：增强安全性、进行网络连通性调试和判断路由表的正确性。目的地址不是网络地址，而是特定主机实际的IP地址，子网掩码是特定的255.255.255.255，下一路由器地址和普通路由表项相同。5.5静态路由与动态路由路由分为两类：静态路由和动态路由。静态路由一般是由网络管理员手动设置的路由。动态路由动态路由协议根据网络拓扑结构和特定的要求自动生成的路由。5.5.1静态路由1.静态路由（非自适应）由网络管理员在路由器上手动添加路由信息来实现的路由。2.静态路由的特性默认状态下是私有的，不会发送给其他的路由器。静态路由设置经过保存后重启路由器都不会消失，但相应端口关闭或失效时会有相应的静态路由消失。

静态路由优先级高，当静态路由和动态路由冲突时，要遵循静态路由来执行路由选择。5.5.1静态路由3.静态路由的优点安全可靠、简单直观，避免了动态路由选择的开销。适用于不太复杂的互联网结构。容易了解整个网络的拓扑结构，容易配置路由信息，网络安全的保密性高。4.静态路由的缺点：如果网络结构较复杂，没办法手动配置路由信息。

建立和维护工作量大，容易出现路由环。互联网出现故障，静态路由不会自动做出更改。5.5.1静态路由出现路由环(死环)实例（补充）：5.5.2动态路由1.动态路由（自适应）指路由器能够通过一定的路由协议和算法，自动地建立自己的路由表。2.

动态路由的优点（1）自动排除错误路径（静态路由则无法排除，如下图。）5.5.2动态路由2.

动态路由的优点（2）自动选择更优的路径

度量值(metric)①度量值大小做为判定最优路径的标准。②修改路由表是根据度量值来衡量的，度量值metric越小，说明路径越好。决定度量值(metric)的值多种因素①路径所包含的路由器节点数又叫作跳数（hopcount）。②网络传输费用（cost）。

③带宽（bandwidth）。④延迟（delay）。5.5.2动态路由⑤负载（load）。⑥可靠性（reliability）。⑦最大传输单元（MTU）。选择度量值小的更优路径实例：5.5.2动态路由3.动态路由的缺点(1)交换路由信息需要占用网络的带宽。(2)路由表的动态修改和刷新需要占用路由器的内存和CPU处理时间，消耗路由器的资源。概述选择不同类型路由协议直接影响网络性能。路由协议分为：内部网关协议、外部网关协议。①

外部网关协议：边缘网关协议。②

内部网关路由协议：路由信息协议开放式最短路径优先协议5.6路由协议5.6.1路由信息协议1.路由信息协议

英文：RoutingInformationProtocol（RIP）。俗称：向量-距离路由选择算法，即距离向量协议。向量：指源路由器到目的网络的路径。即到目的网络的下一个路由器。距离：指源路由器到目的网络必须经过的路由器个数。2.RIP基本思想路由器周期性地向其相邻路由器广播自己知道的路由信息，用于通知相邻路由器自己可以到达的网络以及到达该网络的距离（跳数）。相邻路由器可以根据收到的路由信息修改和刷新自己的路由表。RIP路由器每隔30秒触发一次路由表刷新。即每隔30秒钟应收到从每个相邻RIP节点发来的更新。若90s内没有收到，路由器将用其他邻近的具有相同跳跃次数（hop）的路由取代。若在180s内没有收到，该邻近的路由器被认为不可达。5.6.1路由信息协议3.RIP路由表实例5.6.1路由信息协议目的网络路径距离10.0.0.0直接投递020.0.0.0直接投递0目的网络路径距离30.0.0.0直接投递020.0.0.0直接投递0R1R2启动时初始化路由表目的网络路径距离10.0.0.0直接投递020.0.0.0直接投递030.0.0.0R21目的网络路径距离30.0.0.0直接投递020.0.0.0直接投递010.0.0.0R1130秒R1R2刷新路由表4.RIP课堂练习（补充）：按照RIP写出下面网络中R1、R2、R3的路由表。5.6.1路由信息协议5.6.1路由信息协议5.RIP特点优点：算法简单、易于实现。缺点：由于路由器的路径变化需要像波浪一样从相邻路由器传播出去，过程缓慢，易造成慢收敛问题。适用环境：路由变化不剧烈的中小型互联网。4.

RIP改进（补充）若相同开销路由：先见为主。过时路由：使用计时器超时时间一般为180s，相当于6个RIP刷新周期。1.开放式最短通路优先协议英文：OpenShortestPathFirst（OSPF）。俗称：链路-状态算法。距离：以每个路由器为根计算其到另一个目的路由器Metric值。SPF：每个路由器根据统一的数据库计算出路由区域的拓扑结构图，即以本路由器为根、分支到所有其他路由器的生成树，即最短通路树。2.OSPF基本思想

互联网上的每个路由器周期性地向其他路由器广播自己与相邻路由器的连接关系，每个路由器利用收到的路由信息画出一张互联网拓扑结构图，再利用拓扑结构图和最短通路优先算法，计算自己到达各个网络的最短通路。

5.6.2开放式最短通路优先协议3.OSPF的三个过程①

在路由器初始化或者网络结构变化时，路由器会生成链路状态广播数据包LSA。②

各个路由器通过洪泛（Flooding），刷新交换各自知道的路由状态信息。③

当整个区域网络相对平静，或OSPF

收敛（Convergence），所有路由器会根据自己的链路状态数据库计算出路由表。

5.6.2开放式最短通路优先协议收敛：当一个互联网中所有路由器都运行着精确的、足以反映当前互联网拓扑结构的路由信息，称为路由收敛。快速收敛：路由选择协议追求的特征。实例如右图。4.OSPF算法举例5.6.2开放式最短通路优先协议由4个路由器和4个子网组成的网络拓扑结构图OSPF算法举例5.6.2开放式最短通路优先协议R1的路由表目的网络下一路由跳数Net1直接投递0Net2直接投递0Net4R21Net3R41R1的最短路径树5.OSPF的分区（1）

OSPF的分区原因

当网络中自治系统大时，网络拓扑结构数据库的信息内容就多。容易造成数据库溢出。当网络中某一链路状态发生变化时，会引起