《计算机网络基础》课件-网络层功能及IP协议

计算机网络基础目录认识网络层功能

理解分类IP地址认识分类IP地址特点理解IP地址与硬件地址的应用理解地址解析协议ARP的应用理解网络层分组转发流程任务1：认识网络层的功能重点内容：1.网络层功能；2.网络层协议概述；3.虚拟互连网络概述。难点内容：虚拟互连网络。提出任务解析任务检测任务提出任务解析任务检测任务1、网络层的功能（1）虚电路服务H1H2虚电路H1

发送给H2

的所有分组都沿着同一条虚电路传送应用层运输层网络层数据链路层物理层应用层运输层网络层数据链路层物理层让网络负责可靠交付在计算机通信中，可靠交付应当由谁来负责？是网络还是端系统？虚电路服务：通信之前先建立)，以保证双方通信所需的一切网络资源。虚电路是一条逻辑上的连接，并不是真正建立了一条物理连接。分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送。提出任务解析任务检测任务1、网络层提供的两种服务（2）数据报服务H1

发送给H2

的分组可能沿着不同路径传送H1H2IP数据报丢失应用层运输层网络层数据链路层物理层应用层运输层网络层数据链路层物理层网络层提供数据报服务数据报服务：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）。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提出任务解析任务检测任务2、网络层协议

网络层核心协议是网际协议IP，它是是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三个协议：（1）地址解析协议ARP(AddressResolutionProtocol)（2）网际控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)（3）网际组管理协议IGMP(InternetGroupManagementProtocol)提出任务解析任务检测任务网际层的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ICMPIPARP与各种网络接口网络层（网际层）IGMP3.虚拟互连网络虚拟互连网络是逻辑互连网络，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。如果在这种覆盖全球的IP网的上层使用TCP协议，那么就是现在的互联网(Internet)。提出任务解析任务检测任务互连网络与虚拟互连网络(a)互连网络路由器(b)虚拟互连网络

虚拟互连网络（互联网）IP网的概念网络网络网络网络网络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。提出任务解析任务检测任务5432154321主机H1

主机H2R1R4R5R2R3R1R2R3H1R5H2R4间接交付间接交付间接交付直接交付互联网可以由多种异构网络互连组成。间接交付间接交付3221132211322113221132211分组在虚拟互联网中传送主机的协议栈是五层、路由器是三层。R4和R5之间是卫星链路，R5所在的是无线局域网。提出任务解析任务检测任务从网络层看IP数据报的传送如果我们只从网络层考虑问题，那么IP数据报就可以想象是在网络层中传送。网络层网络层网络层网络层网络层网络层网络层IP数据报H1R1R2R3R4R5H2提出任务解析任务检测任务网络互连设备将网络互相连接起来要使用一些中间设备。中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。有以下五种不同的中间设备：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)。网桥和路由器的混合物：桥路器

(brouter)。网络层以上的中继系统：网关

(gateway)。提出任务解析任务检测任务总结网络层功能。网络层协议概述。虚拟互连网络概述。课后作业：利用思维导图整理本节课内容。提出任务解析任务检测任务任务2：理解分类IP地址重点内容：分类IP地址；

常用的三种类别的IP地址。难点内容：常用的三种类别的IP地址。提出任务解析任务检测任务IP地址就是给每个连接在互联网上的主机（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地址现在由互联网名字和数字分配机构ICANN(InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers)进行分配。1.地址及其表示方法

提出任务解析任务检测任务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。提出任务解析任务检测任务分类IP地址将IP地址划分为若干个固定类。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）。主机号在其所在网络范围内必须是唯一的。由此可见，一个IP地址在整个互联网范围内是唯一的。提出任务解析任务检测任务分类IP地址这种两级的IP地址结构如下：这种两级的IP地址可以记为：32位网络号主机号IP地址::={<网络号>,<主机号>}(4-1)::=代表“定义为”提出任务解析任务检测任务net-id24位host-id24位net-id16位net-id8位0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1110多播地址E类地址保留为今后使用111101提出任务解析任务检测任务2.各类IP地址的网络号字段和主机号字段点分十进制记法10000000000010110000001100011111机器中存放的IP地址是32位二进制代码10000000000010110000001100011111每8位为一组采用点分十进制记法则进一步提高可读性112811331将每8位的二进制数转换为十进制数提出任务解析任务检测任务点分十进制记法举例32位二进制数等价的点分十进制数10000001001101000000011000000000110000000000010100110000000000110000101000000010000000000010010171000000000001010000000100000001110000000100000001111111100000000提出任务解析任务检测任务各类IP地址的网络号字段和主机号字段A类地址：最小网络号00000000,最大网络号:01111111,对应的十进制的范围是[0,127]B类地址：最小网络号1

00000000.00000000最大网络号:10111111.11111111,对应的十进制的范围是128.0到191.255.但IP协议规定，IP地址中网络号全0的地址即A类网络号00000000为保留地址，表示本网络，网络号为:01111111的网络号对应的十进制数127保留作为本地软件环回测试地址。B类地址网络号十进制表示的128.0不对外指派。C类地址网络号十进制表示的192.0.0不对外指派。提出任务解析任务检测任务2.常用的三种类别的IP地址IP地址的指派范围网络类别最大可指派的网络数第一个可指派的网络号最后一个可指派的网络号每个网络中最大主机数A126(27–2)112616777214B16383(214–1)128.1191.25565534C2097151(221–1)192.0.1223.255.255254提出任务解析任务检测任务总结1.分类IP地址和。2.常用的三种类别的分类IP地址。课后作业：识别如下Ip地址类别：（1）0（2）（3）（4）提出任务解析任务检测任务任务3：认识分类IP地址特点重点内容：特殊IP地址；IP地址特点。提出任务解析任务检测任务网络号主机号源地址使用目的地址使用代表的意思00可以不可在本网络上的本主机（见

6.6节

DHCP协议）0host-id可以不可在本网络上的某台主机

host-id全

1全

1不可可以只在本网络上进行广播（各路由器均不转发）net-id全

1不可可以对

net-id上的所有主机进行广播127非全

0或全

1的任何数可以可以用于本地软件环回测试提出任务解析任务检测任务1.特殊的IP地址(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。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。提出任务解析任务检测任务IP地址特点BR1R3R2LAN3N3N2N1LAN2LAN1互联网提出任务解析任务检测任务IP地址特点(2)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。这种主机称为多归属主机(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。提出任务解析任务检测任务IP地址特点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，无论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。提出任务解析任务检测任务BR1R3R2LAN3N3N2N1LAN2LAN1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地址提出任务解析任务检测任务互联网中的IP地址BR1R3R2LAN3N3N2N1LAN2LAN1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。提出任务解析任务检测任务互联网中的IP地址BR1R3R2LAN3N3N2N1LAN2LAN1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。提出任务解析任务检测任务

IP地址与MAC地址对比IP地址 MAC地址网络层地址

数据链路层地址32位二进制数 48位二进制数用点分十进制表示

用冒号十六进制表示逻辑地址，可修改

物理地址，固定在网卡上，不可改提出任务解析任务检测任务IP地址特点总结特殊IP地址。IP地址特点。课后作业：用思维导图梳理出IP地址的相关知识。提出任务解析任务检测任务任务4：理解IP地址与硬件地址的应用重点内容：互联网中IP地址与硬件地址的应用。提出任务解析任务检测任务提出任务解析任务检测任务IP地址与硬件地址IP地址与硬件地址是不同的地址。从层次的角度看，硬件地址（或物理地址）是数据链路层和物理层使用的地址。IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（称IP地址是逻辑地址是因为IP地址是用软件实现的）。IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部。提出任务解析任务检测任务IP地址与硬件地址TCP报文IP数据报MAC帧应用层数据首部首部尾部首部链路层及以下使用硬件地址硬件地址网络层及以上使用IP地址IP地址IP地址与硬件地址的区别IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部。提出任务解析任务检测任务主机H1主机H2路由器R1HA为硬件地址路由器R2局域网局域网局域网HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP1IP2通信的路径：H1→经过R1转发→再经过R2转发→H2查找路由表查找路由表如图三个局域网用两个路由器R1、R2互连起来。现在主机H1要和主机H2进行通信，这两天主机的IP地址分别是IP1、IP2。而它们的硬件地址分别是HA1、HA2。路由器R1因同时连接两个局域网上，因此它有两个硬件地址，即HA3和HA4。同理，路由器R2也有两个硬件地址HA5和HA6。提出任务解析任务检测任务IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报从协议栈的层次上看数据的流动主机H1主机H2路由器R1HA为硬件地址路由器R2局域网局域网局域网HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP1IP2当IP数据报放入数据链路层的MAC帧中，整个的IP数据报就成为MAC帧的数据。因而在数据链路层看不见数据报的IP地址提出任务解析任务检测任务IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报从虚拟的IP层上看IP数据报的流动主机H1主机H2路由器R1HA为硬件地址路由器R2局域网局域网局域网HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP1IP2如图中紫色箭头所示，无论IP数据报被多少网络设备转发，IP数据报中源IP地址和目的IP地址，始终没有变化。提出任务解析任务检测任务IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报在链路上看MAC帧的流动主机H1主机H2路由器R1HA为硬件地址路由器R2局域网局域网局域网HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP1IP2如图中紫色箭头所示，MAC帧中的源MAC地址和目的MAC地址一直在变化。提出任务解析任务检测任务IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网MAC帧IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报。图中的IP1→IP2表示从源地址IP1到目的地址IP2。两个路由器的IP地址并不出现在IP数据报的首部中。路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择。提出任务解析任务检测任务IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2MAC帧从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报在具体的物理网络的链路层只能看见MAC帧而看不见IP数据报提出任务解析任务检测任务IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2MAC帧从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节。在抽象的网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或主机和路由器之间的通信。提出任务解析任务检测任务主机H1与H2通信中使用的IP地址与硬件地址HA

在网络层写入

IP数据报首部的地址在数据链路层写入

MAC帧首部的地址源地址目的地址源地址目的地址从

H1到

R1IP1IP2HA1HA3从

R1到

R2IP1IP2HA4HA5从

R2到

H2IP1IP2HA6HA2总结互联网数据转发过程中什么地方用硬件地址、什么地方用IP地址，并且硬件地址和IP地址是如何变化的？课后作业：用思维导图梳理出IP地址和硬件地址在互联网数据转发过程中的变化情况。提出任务解析任务检测任务任务5：理解地址解析协议ARP的应用重点内容：地址解析协议ARP功能；地址解析协议的工作过程。难点内容：地址解析协议的工作过程。提出任务解析任务检测任务提出任务解析任务检测任务地址解析协议ARP通信时使用了两个地址：（1）IP地址（网络层地址）（2）MAC地址（数据链路层地址）000-15-C5-C6-CC-07000-15-C5-C8-C4-95600-15-C5-C6-C8-11IP地址MAC

地址LAN提出任务解析任务检测任务1.地址解析协议ARP的作用已经知道了一个机器（主机或路由器）的IP地址，如何找出其相应的硬件地址？地址解析协议ARP就是用来解决这样的问题的。网络层ARPIP地址硬件地址IPIGMPICMPARPARP作用：从网络层使用的IP地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址。ARP协议的作用提出任务解析任务检测任务2.地址解析协议ARP工作过程IP地址和硬件地址格式不同不存在简单映射关系时主机加入或撤离引起硬件地址发生改变时ARP解决解决这个问题方法是：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。<IPaddress；MACaddress；TTL>TTL(TimeToLive)：地址映射有效时间。windows操作系统的命令提示符窗口输入arp–a命令，查看本机的ARP高速缓存中MAC地址和IP地址的映射表提出任务解析任务检测任务2.地址解析协议ARP工作

过程当主机A欲向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，就先在其ARP高速缓存中查看有无主机B的IP地址。（1）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帧发往此硬件地址的。（2）如没有，就按下图所示方式，进行查询。最终将得到的IP地址到硬件地址的映射写入ARP高速缓存。提出任务解析任务检测任务ARP相应AYXBZ主机B向A发送ARP响应分组主机A广播发送ARP请求分组ARP请求ARP请求ARP请求ARP请求00-00-C0-15-AD-1808-00-2B-00-EE-0A我是，硬件地址是00-00-C0-15-AD-18我想知道主机

的硬件地址我是硬件地址是08-00-2B-00-EE-0AAYXBZ00-00-C0-15-AD-18主机A得到主机B的响应后，将主机B的IP地址和硬件地址记录在自己的ARP高速缓存表中，同时主机B把主机A的IP地址和硬件地址记录在自己的ARP高速缓存表中。存放最近获得的IP地址到MAC地址的绑定，以减少ARP广播的数量。提出任务解析任务检测任务应当注意的问题ARP用于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。从IP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。提出任务解析任务检测任务使用ARP的四种典型情况网1网3网2R2R1H1H2H3H4发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机；发送方是主机，要把IP数据报发送到另一个网络上的一个主机；发送方是路由器，要把IP数据报转发到本网络上的一个主机；发送方是路由器，要把IP数据报转发到另一个网络上的一个主机。提出任务解析任务检测任务为什么不直接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，它们使用不同格式的硬件地址。异构网络通信地址转换太复杂，IP编址把这个复杂问题解决了。在虚拟的IP网络上用IP地址进行通信给广大的计算机用户带来了很大的方便。总结地址解析协议ARP功能。地址解析协议的工作过程。课后作业：简述四种典型情况ARP地址解析工作过程。提出任务解析任务检测任务任务6：理解网络层转发分组的流程重点内容：IP数据报格式；网络层转发分组的流程。提出任务解析任务检测任务1.IP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。提出任务解析任务检测任务首部长度固定部分可变部分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）位数据部分数据部分首部IP数据报发送在前IP数据报由首部和数据两部分组成首部1.IP数据报的格式提出任务解析任务检测任务【例4-1】IP数据报分片偏移=0/8=01399数据报片1首部1字节0偏移=1400/8部2数据报片2偏移=2800/8=35028003799首部3数据报片3偏移=0/8=03799需分片的数据报首部数据部分共3800字节14002800字节0提出任务解析任务检测任务每片不得大于1500字节【例4-1】IP数据报分片IP数据报首部中与分片有关的字段中的数值

总长度标识MFDF片偏移原始数据报382012345000数据报片1142012345100数据报片214201234510175数据报片