数据通信与计算机网络（第二版）课件：Internet网际层

Internet网际层

7.1概述7.2IP地址7.3IP数据报7.4地址解析协议7.5NAT7.6INTERNET控制报文协议7.7INTERNET路由选择协议7.1概述

7.1概述网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一，是负责网络互连的网络层的核心协议。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)互连网络的概念7.1概述分组在互联网中传送7.1概述7.2IP地址7.2.1分类IP地址1．IP地址及其表示方法作用：惟一定位某台主机。特点：逻辑地址（软件地址）层次化结构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地址共32位（4字节），记为：IP地址::={<网络号>,<主机号>}::=代表“定义为””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。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

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

1

001A类地址的网络号字段net-id为1字节，主机号字段host-id为3字节B类地址的网络号字段net-id为2字节，主机号字段host-id为2字节C类地址的网络号字段net-id为3字节，主机号字段host-id为1字节D类地址是多播地址

E类地址保留为今后使用

A类地址网络数前8位是网络号（net-id），由上级机构分配。只有7位可以使用，可以表示的网络数为：27-2说明：IP地址全0表示“this”。net-id全0为保留地址，表示“本网络”net-id为127表示作为环路测试本主机之用，此时主机字段可随意填写，但不能为全0或1。发送到的数据会被回送给发送者，而不通过网络或网卡。A类地址主机数主机（host-id字段）可使用24位，可使用的主机个数为：224-2说明：全0的host-id字段表示该IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址。如某主机的IP地址为，该主机所在的网络可表示为。全1代表“所有”，表示该网络上的所有主机。B类IP地址网络数：214=16384主机数：216-2=65534C类IP地址网络数：221=2097152主机数：28-2=254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)112616,777,214B16,382(214–2)128.1191.25465,534C2,097,150(221–2)192.0.1223.255.254254全0和全1特殊地址的意义

net-idhost-id源地址使用目的地址使用代表的意义00可以不可在本网络上的本主机0host-id可以不可在本网络上的某个主机全1全1不可可以只在本网络上进行广播，网间路由器不转发net-id全1不可可以对net-id上的所有主机广播127任何数可以可以用作本地软件回送测试特殊的IP地址网络地址：主机位为全0（0）广播地址：主机位为全1（255）回送地址：127.X.X.X本机地址：私有地址：—55—55—55IP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：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。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。IP地址的一些重要特点(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。IP地址的一些重要特点(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-id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-id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-id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互联网路由器总是具有两个或两个以上的IP地址。路由器的每一个接口都有一个不同网络号的IP地址。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互联网路由器总是具有两个或两个以上的IP地址。路由器的每一个接口都有一个不同网络号的IP地址。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互联网路由器总是具有两个或两个以上的IP地址。路由器的每一个接口都有一个不同网络号的IP地址。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互联网两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明IP地址。如指明IP地址，则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊“网络”。现在常不指明IP地址。7.2.2划分子网1.从两级IP地址到三级IP地址在ARPANET的早期，IP地址的设计确实不够合理。IP地址空间的利用率有时很低。两级的IP地址不够灵活。

从1985年起在IP地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的IP地址变成为三级的IP地址。这种做法叫作划分子网(subnetting)。划分子网已成为因特网的正式标准协议。三级的IP地址IP地址::={<网络号>,<子网号>,<主机号>}

划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。从主机号借用若干个比特作为子网号subnet-id，而主机号host-id也就相应减少了若干个比特。划分子网的基本思路凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报，仍然是根据IP数据报的目的网络号net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。然后此路由器在收到IP数据报后，再按目的网络号net-id和子网号subnet-id找到目的子网。最后就将IP数据报直接交付给目的主机。

划分子网的基本思路（续）当没有划分子网时，IP地址是两级结构，地址的网络号字段也就是IP地址的“因特网部分”，而主机号字段是IP地址的“本地部分”。划分子网后IP地址就变成了三级结构。划分子网只是将IP地址的本地部分进行再划分，而不改变IP地址的因特网部分。划分子网后变成了三级结构从一个IP数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网的划分。使用子网掩码(subnetmask)可以找出IP地址中的子网部分。2.子网掩码IP地址的各字段和子网掩码网络号net-id主机号host-id两级IP地址网络号net-idhost-id三级IP地址主机号subnet-id子网号子网掩码因特网部分本地部分因特网部分本地部分划分子网时的网络地址1111111111111111

1111111100000000net-idsubnet-idhost-id为全0(IP

地址)AND(子网掩码)=

网络地址网络号net-id主机号host-id两级IP地址网络号三级IP地址主机号net-idhost-idsubnet-id子网号子网掩码因特网部分本地部分因特网部分本地部分划分子网时的网络地址1111111111111111

1111111100000000net-idsubnet-idhost-id为全0ANDnet-idnet-idhost-id为全0net-id网络地址A类地址默认子网掩码网络地址B类地址默认子网掩码网络地址C类地址默认子网掩码111111111111111111111111000000000000000000000000111111111111111100000000000000001111111100000000host-id为全0host-id为全0A类、B类和C类IP地址的默认子网掩码三个子网的IP地址分配和子网掩码配置的例子

7.2.3CIDR一个划分子网的网络中可同时使用不同的子网掩码，使用变长子网掩码VLSM（VariableLengthSubnetMask）可进一步提高IP地址资源的利用率。在VLSM的基础上又进一步研究出无分类编址的方法，称为无分类域间路由选择CIDR（ClasslessInter-DomainRouting）。7.2.3CIDRCIDR最主要的特点有以下四个：（1）CIDR把32位的IP地址划分为前后两个部分。前面的部分叫做前缀，用来指明网络，后面的部分叫做后缀，用来指明主机。CIDR使IP地址从三级编址又回到了两级编址，但它的前缀和后缀的长短是灵活可变的。7.2.3CIDRCIDR最主要的特点有以下四个：（2）CIDR使用“斜线记法”（slashnotation），或称为CIDR记法，即在IP地址后面加上斜线“/”，后面写上网络前缀所占的位数。7.2.3CIDRCIDR最主要的特点有以下四个：（3）CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。知道CIDR地址块中的任何一个地址，就可以知道这个地址块的最小地址和最大地址，以及地址块中的地址数。7.2.3CIDRCIDR最主要的特点有以下四个：（4）为了更方便地从IP地址得出网络地址，CIDR使用32位的地址掩码。地址掩码是有一串1和一串0组成，而1的个数就是网络前缀的长度。7.2.3CIDR7.2IP地址7.2.1分类IP地址1．IP地址及其表示方法2．常见的三种类别的IP地址3.IP地址的重要特点7.2.2划分子网1.从两级IP地址到三级IP地址2.子网掩码7.2.3CIDR本章首页7.3IP数据报互联网层的基本传输单元叫做Internet数据报（Datagram），有时称为IP数据报或仅称为数据报。数据报被分成首部和数据区。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP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。固定部分可变部分04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分数据部分首部传送IP数据报首部7.3IP数据报可变部分首部04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分数据部分首部传送IP数据报固定部分7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分数据部分首部传送IP数据报固定部分可变部分7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分版本——占4bit，指IP协议的版本目前的IP协议版本号为4(即IPv4)7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分首部长度——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。7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分区分服务——占8bit，用来获得更好的服务

7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识区分服务总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分总长度——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。

7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识服务类型总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分生存时间(8bit)记为TTL(TimeToLive)数据报在网络中的寿命，其单位为秒。7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识服务类型总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分协议(8bit)字段指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程7.3IP数据报传输层网络互联层首部TCPUDPICMPIGMPOSPF数据部分IP数据报协议字段指出应将数据部分交给哪一个进程7.3IP数据报TCP6UDP17ICMP1GGP3IGMP2OSPF89EGP8IGP9协议字段：7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识服务类型总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分首部检验和(16bit)字段只检验数据报的首部不包括数据部分。这里不采用

CRC

检验码而采用简单的计算方法。7.3IP数据报7.3IP数据报发送方将IP数据报首部划分为许多16位字的序列（检验和字段置零），然后将这些16位字相加，将得到的和取反，写入检验和字段。接收方收到数据报后，将首部的所有16位字再相加一次，若首部未发生任何变化，则和必为全1，否则即认为出差错，并将此数据报丢弃。首部04816192431版本标志生存时间协议标识服务类型总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分源地址和目的地址都各占4字节7.3IP数据报

IP数据报首部的可变部分

IP首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。选项字段的长度可变，从1个字节到40个字节不等，取决于所选择的项目。增加首部的可变部分是为了增加IP数据报的功能，但这同时也使得IP数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。

7.3IP数据报用于增加在原始设想中没有考虑到的工作。可选项描述Security规定数据包的加密方式Strictsourcerouting分组必须严格按此路径转发Loosesourcerouting分组必须经过给出的路由器Recordroute每台途经的路由器都必须附上它的IP地址Timestamp每台途经的路由器都必须附上它的IP地址和时间戳7.3IP数据报MTU(MaximumTransferUnit)网络最大传输单元

7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识服务类型总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分标识(identification)占16bit，它是一个计数器，用来产生数据报的标识。1.发送方每发送一个数据报，标识编号加12.各分片的标识相同3.源地址加标识来区分各个分片

7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识服务类型总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分

7.3IP数据报012保留DFMFDF=0表示本分组允许分片

=1表示本分组必须完整到达，途中不允许分片MF=0表示本片为本分组的最后一个片

=1表示本片后面还有更多的分片标志7.3IP数据报首部04816192431版本标志生存时间协议标识服务类型总长度片偏移填充首部检验和源地址目的地址可选字段（长度可变）比特首部长度数据部分固定部分可变部分片偏移(13bit)指出：较长的分组在分片后之后，某片在原分组中的相对位置。片偏移以8个字节为偏移单位。实际偏移量=片偏移值x8Byte

7.3IP数据报偏移=0/8=0偏移=0/8=0偏移=1400/8=175偏移=2800/8=350140028003799279913993799需分片的数据报数据报片1首部数据部分共3800字节首部1首部2首部3字节0数据报片2数据报片314002800字节0IP数据报分片的举例7.3IP数据报7.4地址解析协议ARP网络中，两主机之间要传送IP报文，必须首先把IP报文封装成MAC帧。MAC帧使用的是源主机和目的主机的MAC地址，但源主机只知道目的主机IP地址，并不知道它的MAC地址，这就需要将IP地址转换为MAC地址，这个转换过程叫地址解析，地址解析工作由地址解析协议ARP（AddressResolutionProtocol）来完成。7.4地址解析协议ARPIP地址物理地址ARP7.4.1工作原理当主机B第一次向本局域网中的主机D发送IP报文，在不知道主机D的MAC地址的情况下，主机B首先向局域网中发送一个ARP请求广播帧，其中包含主机D的IP地址。7.4.1工作原理本局域网上的所有主机都会收到这个广播帧，都会查看自己的IP地址，但是只有主机D确认这个ARP请求所包含的IP地址与自身匹配，因此主机D向主机B返回一个ARP响应帧，其中包含主机D的MAC地址。ARP高速缓存的作用当主机B通过ARP得到主机D的MAC地址后，会将获得的IP地址到MAC地址的映射存入自己的ARP缓存表。主机B再次发送IP报文时，先查看ARP缓存表，如果缓存表里找不到匹配的映射，再运行ARP协议进行地址解析。为了提高ARP效率，当主机B发送ARP请求时，就将自己的IP地址到MAC地址的映射写入请求报文，网络上所有主机收到请求报文，将此映射存入自己的ARP缓存表，以免其他主机为解析主机B而再发送一个ARP请求。ARP高速缓存的作用通过命令“arp-a”，可查看本机ARP缓存内容7.4.2ARP报文格式硬件地址类型字段指明发送方物理网络类型，以太网用1表示。7.4.2ARP报文格式协议地址类型字段指明发送方所请求解析的协议地址类型，IP协议用0x0800表示。7.4.2ARP报文格式硬件地址长度字段指明所要获得的硬件地址长度为几个字节，如在以太网中MAC地址的长度为6字节，该字段取值应为6。7.4.2ARP报文格式协议地址长度字段指明网络层地址的长度为几个字节，如解析的是IP地址则该字段取值应为4。7.4.2ARP报文格式操作字段指明报文的类型，ARP请求用1表示，ARP应答用2表示。7.4.2ARP报文格式发送站硬件地址、协议地址为发送该ARP报文主机的硬件地址、协议地址；目的站硬件地址、协议地址为接收该ARP报文的主机的硬件地址、协议地址。7.5NATNAT属接入广域网(WAN)技术，是一种将私有(保留)地址转化为外部全球IP地址的转换技术，它被广泛应用于各种类型Internet接入方式和各种类型的网络中。借助于NAT技术，一个局域网只需使用少量公有IP地址(甚至是1个)即可实现私有地址网络内所有计算机与Internet的通信需求。7.5NATNAT路由器的工作原理如图7-24，7-25所示图7-24NAT工作过程：内网主机向外网主机发送数据分组7.5NATNAT路由器的工作原理如图7-24，7-25所示图7-25NAT工作过程：应答7.5NAT

目前广泛采用的是一种多对一的NAT转换技术。通过借助于传输层的端口号的概念，实现众多拥有本地IP地址的内网主机共用一个NAT路由器上的全球IP地址，同时与Internet上的主机进行连接。这种NAT转换称为端口地址转换PAT(PortaddressTranslation)。工作原理如图7-26所示7.5NAT图7-26PAT工作过程7.6因特网控制报文协议ICMP为了提高IP数据报交付成功的机会，在网际层使用了因特网控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)。ICMP允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP不是高层协议，而是IP层的协议。ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。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IGMP网际层7.6.1报文格式首部ICMP报文0数据部分检验和类型代码（这4个字节取决于ICMP报文的类型）81631IP数据报前4个字节都是一样的ICMP的数据部分（长度取决于类型）ICMP报文ICMP报文的前4个字节是统一的格式，共有三个字段：类型、代码和检验和。接着的4个字节的内容与ICMP的类型有关。ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。ICMP差错报告报文共有5种终点不可达源站抑制时间超过参数问题改变路由（重定向）ICMP询问报文有四种回送请求和回答报文时间戳请求和回答报文掩码地址请求和回答报文路由器询问和通告报文ICMP报文的格式首部ICMP报文0数据部分检验和类型代码（这4个字节取决于ICMP报文的类型）81631IP数据报前4个字节都是一样的ICMP的数据部分（长度取决于类型）ICMP报文的代码字段占一个字节,进一步区分某种类型中的几种不同的情况。ICMP报文的格式首部ICMP报文0数据部分检验和类型代码（这4个字节取决于ICMP报文的类型）81631IP数据报前4个字节都是一样的ICMP的数据部分（长度取决于类型）检验和占两个字节，检验整个ICMP报文7.7Internet路由选择协议7.7.1路由信息协议RIP7.7.2开放最短通路优先协议（OSPF）7.7.3外部网关协议BGP7.7.1路由信息协议RIP内部网关协议（IGP，InternetGatewayProtocol）。即在一个自治系统内部使用的路由选择协议，其与在互联网中的其他自治系统选用什么路由选择协议无关。目前这类路由选择协议使用得最多，如RIP和OSPF协议等。外部网关协议（EGP，ExternalGatewayProtocol）。若源站和目的站处在不同的自治系统中（这两个自治系统使用不同的内部网关协议），当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。这样的协议就是外部网关协议EGP。在外部网关协议中目前使用最多的是BGP。7.7.1路由信息协议RIP1.RIP协议概述路由信息协议（RIP，RoutingInformationProtocol）是应用较早、使用较普遍的内部网关协议内部网关协议。RIP是一种基于距离向量的分布式路由选择协议。RIP协议定义“距离”为到目的网络所经过的路由器个数。“距离”也称为“跳数”（hopcount），每经过一个路由器，跳数就加1。RIP认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目最少，也就是说“距离最短”。RIP允许一个通路最多只能包含15个路由器。因此“距离”的最大值为16时即相当于不可达。可见RIP适用于小型网络。RIP协议有2个版本，分别是RIPv1和RIPv2。7.7.1路由信息协议RIP1.RIP协议概述RIP的工作原理如下：网络中的每个路由器每隔30秒向相邻路由器广播自己的路由表。路由表中最主要的信息是：该路由器所能到达的目的网络以及到达该网络的距离。路由表更新的原则是使到各目的网络的距离最短。RIP协议让网络中的所有路由器与其相