《计算机网络技术》课件-第5章 广域网技术

5.1广域网连接技术广域网的连接方式

广域网是一种地理跨度很大的网络，要利用一切可以利用的连接技术来实现网络之间的互联，因此技术比较复杂。从连接方式来讲，广域网的连接方式包括三种：专线方式、电路交换方式和分组交换方式。本节主要讲述：

1、专线方式

2、电路交换方式

3、链路层协议4、分组交换方式

在专线连接的方式中，通信运营商利用其通信网络中的传输设备和线路，为用户配置一条专用的通信线路，专线既可以是数字的，也可以是模拟的，其连接方式和结构如图所示。用户通过自身设备的串口短距离连接到接入设备，再通过接入设备跨越一定距离连接到运营商通信网络。专线方式连接示意图专线方式

DTE（DataCircuit-terminatingEquipment，数据电路终止设备）DCE（DataTerminalEquipment，数据终端设备）DCE这种设备通常处于主动位置，为用户提供网络通信服务的接口，并且提供用于同步数据通信的时钟信号；客户端的用户设备被称为DTE，通常处于被动位置，接收线路时钟，获得网络通信服务。5.1广域网连接技术专线方式5.1广域网连接技术专线方式的特点包括：（1）用户独占一条永久性、点对点专用线路。（2）线路速率固定，由客户向运营商租用，并独享带宽。（3）部署简单，通信可靠，传输延迟小。（4）资源利用率低，费用昂贵。（5）点对点的结构不够灵活。专线方式电路交换方式由于专线方式的费用过于昂贵，用户希望能够使用一种按需建立连接的通信方式来实现不同地域局域网的连接，这就是电路交换方式。电路交换方式的结构与专线方式类似，只是运营商提供的是广域网交换机，从而让用户设备接入电路交换网络。典型的电路交换网是PSTN（PublicSwitchTelephoneNetwork，公共电话交换网）。PSTN连接PSTN是以电路交换技术为基础的用于传输模拟话音的网络。这个网络中拥有数以亿计的电话机和各种交换设备，为了使庞大的电话网能够正常工作，PSTN采用分级交换方式工作。通常情况下PSTN主要由三个部分组成：本地回路、干线和交换机。本地回路（用户电话机到局级交换机之间）基本上采用模拟线路，干线和交换机是PSTN的主干部分，一般采用数字传输和交换技术。根据生理学原理，20Hz～20

000

Hz的声音都是人类可以听到的声音，300

Hz～3

400

Hz是人类听觉最灵敏的频率范围，是常用频率范围。PSTN连接缺点：

不具有存储转发的能力线路利用率较低数据传输时带宽很小优点：廉价使用场合：最常使用普通拨号电话线的场合是商场中常见的刷卡消费时使用的POS机，对于商场来讲每次刷卡，只是相当于打了一个市内电话，费用相当低廉。电话专线通常是作为备份线路使用的，比如银行的储蓄所为了防止主干线路出现问题，而租用电话专线为主干线路进行备份。

链路层协议专线方式和电路交换方式的点到点连接中，运营商提供的线路属于物理层，要想很好的利用这些物理资源，需要在数据链路层提供一些协议，建立端到端的数据链路。常见链路层协议：HDLC（高级数据链路控制）SLIP（串行线路网际协议）SDLC（同步数据链路控制）PPP（点对点协议）HDLC协议20世纪70年代初，IBM公司率先提出了面向比特的SDLC（SynchronousDataLinkControl，同步数据链路控制）。随后，ANSI和ISO均采纳并发展了SDLC，并分别提出了自己的标准：ANSI的ADCCP（AdvancedDataControlProcedure，高级通信控制）、ISO的HDLC（High-levelDataLinkControl，高级数据链路控制）。HDLC协议作为面向比特的数据链路控制协议的典型，HDLC具有如下特点：（1）协议不依赖于任何一种字符编码集；（2）数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特填充法”易于硬件实现；（3）全双工通信，不必等待确认便可连续发送数据，有较高的数据链路传输效率；（4）所有帧均采用CRC校验，对信息帧进行编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高；（5）传输控制功能与处理功能分离，具有较大灵活性和较完善的控制功能。HDLC协议“0”比特填充法

为了能够区分链路层的比特流，HDLC的每个帧前、后均有一标志码01111110，用作帧的起始、终止，同时也可用来进行帧的同步。标志码不能出现在帧的内部，以免引起歧义。为保证标志码的唯一性，同时兼顾帧内数据的透明性，可以采用“0比特填充法”来解决。“0”比特填充法示意图PPP协议PPP协议是一种点对点串行通信协议。PPP具有处理错误检测、支持多种协议、允许在连接时协商IP地址、允许身份认证等功能，因此获得了广泛使用。PPP提供了三类功能：成帧：可以毫无歧义的分割出一帧的起始和结束。链路控制：有一个称为LCP的链路控制协议，支持同步和异步线路，也支持面向字节的和面向比特的编码方式，可用于启动路线、测试线路、协商参数、以及关闭线路。网络控制：具有协商网络层选项的方法NCP，并且协商方法独立于使用的网络层协议。PPP协议PPP协议的工作过程分组交换方式分组交换技术是在计算机技术发展到一定程度而产生的，是为了能够更加充分利用物理线路而设计的一种广域网连接方式，分组交换在每个分组的前面加上一个分组头，其中包含发送方和接收方地址，然后由分组交换机根据每个分组的地址，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换。分组交换的基本业务有交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)两种。分组交换实质上是在“存储-转发”基础上发展起来的，它兼有电路交换和报文交换的优点。分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。目前常见的形式是光纤通信。5.2.1IPv4地址IP地址的概述IP地址就是给因特网（Internet）上的每一台主机(或路由器)的每一个接口分配一个在全世界范围内唯一的标识符。

IP地址由因特网名字和数字分配机构ICANN(InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers)进行分配。我国用户可向亚太网络信息中心APNIC(AsiaPacificNetworkInformationCenter)申请IP地址，需要缴费。

2011年2月3日，互联网号码分配管理局IANA(由ICANN行驶职能)宣布，IPV4地址已经分配完毕。我国在2014年至2015年也逐步停止了向新用户和应用分配IPv4地址。同时全面开展商用部署IPv6。IPv4地址的表示方法IPv4地址是由32位的二进制数组成，通常以点分十进制的形式表示。点分十进制表示方法将每8位二进制数值转换成一个十进制数值4个十进制数值间用“.”隔开每个十进制数值都小于等于255128+64+32+16+8+4+2+1=255取值范围就是0-255点分十进制表示（举例一）32位二进制数（适于计算机存储、运算）4个用圆点隔开的十进制数（适于人读写）把32位二进制转化为点分十进制形式：11000000.10101000.00000000.00000001192.168.0.1点分十进制表示（举例二）点分十进制的IP地址转化为32位二进制形式：例： 十进制 202.112.0.36

二进制11001010 01110000 00000000 0010010011001010

01110000

00000000

00100100

十进制转二进制：除以2取余数，倒排IPv4地址的组成IPv4地址由网络号（网络ID）和主机号（主机ID）组成。网络号：用来标识计算机所处的网段；主机号：用来标识网络中的特定主机；如果IP地址的网络号相同,表示在同一个网段。主机号为“全0”的地址是网络地址IP地址为4的主机：所处在的网络为，主机号为44IPv4地址的分类IPv4地址划分为A、B、C、D和E五类。只有A类、B类和C类的地址可分配给网络中的主机或路由器的各个接口。D类和E类地址有着特殊的用途，不能分配给主机或路由器的各接口。每类IP地址对各个IP地址中用来表示网络号和主机号的位数作了明确的规定。A类地址前1字节标识网络号，后3字节标识主机号最高1位为0，第1字节用十进制表示的取值范围为0－127除去最小网络号0和最大网络号127A类网络网络号的有效范围是1-126，共126个网络每个A类网络能容纳的最大主机数是：224-2=16777214减2的原因是除去主机号为全0的网络地址和全1的广播地址B类地址前2字节标识网络号，后2字节标识主机号最高2位为10，最高字节用十进制表示的取值范围为128－191最小网络网络号为：128.0，网络地址为最大网络号为：191.255，网络地址为B类网络数量为：2(16–2)=16384每个B类网络能容纳的最大主机数是：216-2=65534减2的原因是除去主机号为全0的网络地址和全1的广播地址C类地址C类地址用IP地址前24位表示网络号，用IP地址后8位表示主机号。前三位必须以110开始，C类IP地址第一个字节的有效范围为：192–223最小网络号：192.0.0，

网络地址为

最大网络号：223.255.255，网络地址是C类网络数量为：2(24-3)=2097152每个C类网络能容纳的最大主机数是：28-2=254减2的原因是除去主机号为全0的网络地址和全1的广播地址D类地址D类地址为多播地址，没有网络号和主机号之分D类IP地址的第一个字节前四位必须以1110开始D类IP地址的有效范围为：~55第一部分取值范围是：224~239E类地址E类地址是保留地址，没有网络号和主机号之分E类IP地址的第一字节前四位必须以1111开始E类IP地址的有效范围为：~54其中55表示广播地址，表示只在本网络上进行广播（各路由器均不转发）第一部分取值范围是：240~255IPv4地址分类情况在实际应用中，只有A、B和C三类IP地址能够直接分配给主机D类和E类不能直接分配给计算机类别第一个字节的格式网络数每个网络容纳的主机数分辨方法A0xxxxxxx126167772141～126B10xxxxxx1638465534128～191C110xxxxx2097152254192～223特殊的IP地址特殊用途的IP地址：主机号不能“全部是0”或“全部是1”。IP地址的网络号和主机号不能设成“全部为0”或“全部为1”。IP地址的第一个字节值不能是127。网络号主机号地址类型用途ANY全“0”网络地址代表一个网络ANY全“1”广播地址特定网段的所有节点首字节127ANY回环地址回环测试全“0”所有网络用于路由器指定默认路由全“1”本地广播向本网段的所有节点广播IPv4私有地址私有IP地址是在互联网上不被路由的IP地址，专门为组织内部网络(如企业内部、学校等）设计。这意味着这些地址只能在局域网内部使用，不能直接用于互联网通信。每个私有IP地址，在不同的网络中，可以被重复使用。通过网络地址转换(NAT），它们可以用于互联网通信。私有地址的范围：A类地址：10.0.0.0～10.255.255.255B类地址：172.16.0.0～172.31.255.255C类地址：192.168.0.0～192.168.255.255

练习地址类别网络号主机号004620

练习地址类别网络号主机号004620ABCCB不存在00465.2.2子网划分子网划分的原因IPv4地址被划分为五类，只有A类、B类和C类的地址可分配给主机。每个A类网络能容纳的最大主机数有16777214台，这么多主机处于同一广播域，网络会因为广播通信而饱和，无法传输正确的数据。在实际的业务环境中，往往会给一个业务单元（如公司内的各个部门），划分一个独立的IP网段，不同的业务单元处于不同的IP网段；如果有10个业务单元，每个业务单元才几十近百台设备，一个业务单元就耗费一个A类或B类地址段，这就会造成IP地址的严重浪费。另外，IP地址资源非常有限，为了实现更小的广播域和更好地利用每一个IP地址，可以把基于类的IP网络进一步分成更小的网络。A类C类16777214254B类65534分类主机数子网划分的好处减少广播带来的负面影响节省IP地址资源安全性相对较高便于维护划分子网的基本思路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。网络号不变，借用主机号来产生新的网络。从主机号借用若干个位作为子网号，

而主机号也就相应减少了若干个位。B类网络——未划分子网………01014563所有到网络的分组均到达此路由器我的网络地址是R1R3R2网络B类网络——划分为三个子网01014563………子网子网

子网所有到达网络的分组均到达此路由器网络R1R3R2子网掩码(subnetmask)从一个IP数据报的首部是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划分。子网掩码通过与IP地址“AND与”运算，分离出IP地址中的网络地址和主机地址。子网掩码必须结合IP地址一起对应使用。子网掩码的组成：子网掩码长度：32位。用连续的“1”表示：IP地址的网络号部分用连续的“0”表示：IP地址的主机号部分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子网掩码的表示方法1、点分十进制表示法每8位用点号隔开，二进制转换成十进制例：11111111.11111111.11111111.00000000，表示为2、网络后缀法即：IP地址/<网络号位数>例1：子网掩码二进制表示为：11111111.11111111.11111111.00000000点分十进制表示：，网络后缀法表示：00/24例2:子网掩码二进制表示为11111111.11111111.11110000.00000000点分十进制表示：，网络后缀法表示：2/20默认子网掩码默认子网掩码，即未划分子网，对应的网络号的位都置1，对应的主机号的位都置0。未做子网划分的IP地址:网络号＋主机号(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0AND求网络地址举例141.14.64 .0已知IP地址是4，子网掩码是，试求网络地址。子网划分的任务确定子网掩码中“1”的个数。确定子网下的主机可用地址范围(第一个可用IP和最后一个可用IP)。确定网络地址（主机位全为0）和广播地址(主机位全为1)，这两个地址不能分配给主机用。核心任务：求子网掩码1、在求子网掩码之前必须先搞清楚要划分的子网数目，以及每个子网内的所需主机数目。2、确定子网号所占二进制位数，记为n.3、在该IP地址对应的默认子网掩码的基础上，将其主机地址部分的前n位置“1”

，即得出该IP地址划分子网的子网掩码一个网络，假设主机号有n位该网络共包含2n个地址，去除网络地址和广播地址，可分配给主机的IP地址是2n-2个一个网络，假设子网号位数为m位，则子网数为2m个。

习题一个公司有10个部门，要求给每个部门划分不同的网段，但是都在这个大网内，并且每个部门要容纳20台计算机。请为这个公司选择子网掩码。

A、92B、24

C、40D、不能实现分析10介于23和24之间，因此应该从主机号部分借4位表示子网号子网掩码：二进制就11111111.11111111.11111111.11110000，即40。

注意：C类地址主机号本来就只有8位，现在已经借去4位，剩下4位。因此每个子网能够允许的主机数量为：24-2，即14台计算机。而题目要求每个子网容纳主机20台，看来是无法达到目的。

习题一个公司有10个部门，要求给每个部门划分不同的网段，但是都在这个大网内，并且每个部门要容纳20台计算机。请为这个公司选择子网掩码。

A、92B、24

C、40D、不能实现答案：D本讲小结子网划分的原因、好处和基本思路子网掩码默认子网掩码(IP地址)AND(子网掩码)=网络地址子网划分的任务子网划分举例子网划分举例某公司近期向中国互联网络信息中心(CNNIC)申请了一个C类网段/24。该公司有三个部门：技术部、市场部和人事财务部，每个部门拥有的计算机数目分别为50台、25台和20台。作为该公司的网络管理员，请你对申请到的地址进行合理划分，使每个部门处于一个子网中。要求给出每个子网的网络地址、广播地址和可用主机IP地址范围，并说明哪个部门使用哪个子网。第一步确定要借几位作为子网号假设借n位：可表示的子网个数2n≥3包括子网号全0和全1每个子网可分配给主机的IP数28-n-2≥50主机号全0表示网络地址主机号全1表示广播地址得出，n=2，即划分以后，子网号占2位，可表示4个子网主机号占6位，每个子网可分配主机个数为62.题干：网络：/24三个部门主机需求数分别为：50,25,20第二步确定子网掩码子网掩码为：1的位数：24+2=26二进制形式：11111111.1111111.11111111.11000000点分十进制形式：92第三步：确定子网的网络地址确定子网的广播地址确定子网的可用IP地址范围子网划分——路由器转发举例判断目的主机和源主机是否处于同一网段子网掩码和IP地址做“AND与”运算，分离出IP地址中的网络地址和主机地址，用于判断该IP地址是在本地网络上，还是在远程网络网上。两台主机要通信，首先要判断目的主机和源主机是否处于同一网段，即网络地址是否相同。就是把源主机和目的主机各自的IP地址都与源主机的子网掩码进行“AND与”运算，看得到的两个网络地址:如果相同，表示为同一网络，可以把消息直接发送到目的主机如果不相同，就需要通过路由网关将消息转发到目的主机。默认网关默认网关就是到其他网段的出口，也就是路由器接口IP地址。接口1接口20目的网络地址子网掩码下一跳282828接口0接口1R23H1子网1：网络地址

子网掩码2830R1

的路由表（未给出默认路由器）R11R2子网2：网络地址28

子网掩码28H2380129H3子网3：网络地址

子网掩码2划分子网后分组的转发——举例主机H1要发送分组给H2

0目的网络地址子网掩码下一跳282828接口0接口1R2R1

的路由表（未给出默认路由器）3H1子网1：网络地址

子网掩码2830R11R2子网2：网络地址28

子网掩码28H2380129H3子网3：网络地址

子网掩码2要发送的分组的目的IP地址：38请注意：H1

并不知道

H2

连接在哪一个网络上。H1

仅仅知道

H2

的

IP

地址是38因此

H1

首先检查目的主机

是否连接在本地网络上如果是，则直接交付；如果不是，H1就将分组发送到默认网关（路由器R1的接口0）0目的网络地址子网掩码下一跳282828接口0接口1R2R1

的路由表（未给出默认路由器）H1子网1：网络地址

子网掩码2830R11R2子网2：网络地址28

子网掩码28H23380129H3子网3：网络地址

子网掩码2主机H1

首先将

本子网的子网掩码28

与分组的

IP

地址38逐比特相“与”(AND

操作)28AND38的计算255就是二进制的全1，因此255ANDxyz=xyz，这里只需计算最后的128AND138即可。128→10000000138→10001010逐比特AND

操作后：10000000→12828128.30.33.138128.30.33.128逐比特AND

操作

H1

的网络地址因此H1必须把分组传送到路由器R1

然后路由器R1逐项查找路由表，找到下一跳，再将分组转发出去0目的网络地址子网掩码下一跳282828接口0接口1R2R1

的路由表（未给出默认路由器）3H1子网1：网络地址

子网掩码2830R11R2子网2：网络地址28

子网掩码28H2380129H3子网3：网络地址

子网掩码2路由器R1收到分组后就用路由表中第1行中的

子网掩码和38逐位AND

操作0目的网络地址子网掩码下一跳282828接口0接口1R2R1

的路由表（未给出默认路由器）3H1子网1：网络地址

子网掩码2830R11R2子网2：网络地址28

子网掩码28H2380129H3子网3：网络地址

子网掩码228AND38=28不匹配!（因为28与路由表中的

不一致）R1

收到的分组的目的IP地址：38不一致路由器R1再用路由表中第2行中的

子网掩码和38逐比特AND

操作0目的网络地址子网掩码下一跳282828接口0接口1R2R1

的路由表（未给出默认路由器）3H1子网1：网络地址

子网掩码2830R11R2子网2：网络地址28

子网掩码28H2380129H3子网3：网络地址

子网掩码228AND38=28匹配!从第2个项目中的下一跳——就是路由器R1的接口1转发出去R1

收到的分组的目的IP地址：38一致!在划分子网情况下路由器转发分组的算法（1）路由器从收到的分组的首部提取目的IP地址，这里记为：D。（2）先用各网络的子网掩码和D逐位相“与”，看是否和相应的网络地址匹配，若匹配，则将分组直接交付；若不匹配就是间接交付，执行(3)。（3）若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则将分组传送给指明的下一跳路由器，否则，执行(4)。（4）对路由表中的每一行，将该行子网掩码和D逐位相“与”，若结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。（5）若路由表中有默认路由，则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。（6）报告转发分组出错。5.2.3IPv4数据报TCP/IP协议族IP数据报IP协议提供的是不可靠无连接的数据报传输服务。按照IP协议的规定，在网络层，需要传输的数据首先需要加上IP首部信息，封装成IP数据报。IP数据报是IP使用的数据单元，网络层数据信息和控制信息的传递都需要通过IP数据报进行。网络层提供的服务是通过对IP数据报的封装与解封来实现的。10:01IPv4数据报格式比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部IPv4数据报格式比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部IPv4数据报格式版本：占用4位二进制数，表示该IP数据报使用的IP协议版本，IPv4协议版本号为4,对应的二进制值是：0100。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部首部长度：占4位，4Byte为一个单位，可表示的最小数值是5个单位（20Byte），最大数值是15个单位（60Byte）。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部服务类型——占8bit，指示期望获得哪种类型的服务，1998年，这个字段改名为区分服务。分成了5个子域：分别是优先级、短延迟位D、高吞吐量位T、高可靠位R和保留位。以前一直没有被人们使用。现在在有些实际编程中，有专门的函数来设置该字段的各域比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部总长度——占16bit，总长度字段是指整个IP数据报的长度（首部+数据部分），以字节为单位。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部标识：占16bit，IP软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部标志(flag)：占3位，目前只有两位有定义。标志字段中的最低位（MF）表示是否还有分片的数据报；中间位（DF）表示是否允许分片。‌比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部片偏移：指出较长的数据报在分片后，某一分片在原数据报中的相对位置，片偏移以8个字节为偏移单位。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部生存时间TTL(TimeToLive)：占8位，路由器在每次转发数据报之前就把TTL值减1。若TTL值减小到零，就丢弃这个数据报，不再转发，TTL的单位是跳数。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部协议字段：占8位，指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个协议进行处理。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部IP首部检验和：占16位，这个字段只检验数据报的首部，不包括数据部分。这是因为数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算一下首部检验和，所以首部需要检验。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部源地址：占32位，发送lP数据报的主机IP地址。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部目的地址：占32位，接收lP数据报的主机IP地址比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部可选字段：用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。此字段的长度可变，从1字节到40字节不等，取决于所选择的项目，该字段很少被使用。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部填充字段：长度可变，范围在0~3B之间：目的是补齐整个首部，保证首部长度是4字节的倍数，用0比特进行填充。比特可变部分0123456704161924318优先级DTRC未用版本服务类型总长度首部长度标识片偏移标志生存时间协议首部检验和填充源地址目的地址可选字段（长度可变）数据部分首部数据部分IP数据报固定部分首部最大传送单元MTU网络层下的数据链路层协议规定了一个数据帧中的数据字段的最大长度，称为最大传送单元MTU(MaximumTransferUnit)。当一个IP数据报封装成数据链路层的帧时，数据报的长度（首部+数据部分）一定不能超过下面的数据链路层所规定的MTU值。常见以太网规定其MTU值就是1500字节，如果所传送的数据报长度超过数据链路层的MTU值，就必须把过长的数据报进行分片处理。10:01标识DFMF由源主机产生，每个数据报唯一。解决了：标识同一数据报的各个分片分片在原数据报中的相对位置。以8个字节为偏移单位。解决了：分片的顺序MF(MoreFragment)MF=1：表示后面“还有分片”MF=0：表示这是最后一片解决了：分片的结束DF(DonotFragment)：表示不能分片DF=1：禁止分片DF=0：允许分片片偏移IP数据报分片—举例假设一个数据报的总长度为3820字节，其数据部分是3800字节，如果MTU是1420个字节，为了能让MAC层能将IP数据报发出去，所以分片后的IP数据报不能超过1420个字节。因为IP报头是固定的20个字节，所以分片后的IP数据报中数据部分不能超过1400个字节。MF=1片偏移=0/8=0片偏移=0MF=1片偏移=1400/8=175MF=0片偏移=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—举例IP数据报分片—举例数据报首部中与分片有关的字段的数值表DF=1：禁止分片DF=0：允许分片MF=1：表示后面“还有分片”MF=0：表示这是最后一片IP数据报的重组数据报分片像正常的IP数据报一样经过独立的路由选择处理，最终到达目的主机。IP协议规定，目的主机负责对分片进行重组。当分了片的IP数据报到达最终目标主机时，目标主机对各分片进行组装，恢复成源主机发送时的IP数据报，这个过程叫做IP数据报的重组。重组数据报的原理目标主机重组数据报的原理：根据“标识”字段可以确定收到的分片属于原来哪个IP数据报;根据“标志”字段的MF位可以确定分片是不是最后一个分片;根据“片偏移"字段可以确定分片在原数据报中的位置。

习题IP数据报首部长度字段值为1111，此数据报的首部长度为()A、60bit B、104bitC、104字节 D、60字节

习题IP数据报首部长度字段值为1111，此数据报的首部长度为()A、60bit B、104bitC、104字节 D、60字节

答案：D本讲小结IP数据报格式最大传送单元MTUIP数据报分片IP数据报的重组4.1局域网技术概述局域网的发展和技术局域网是20世纪70年代后迅速发展起来的计算机网络，其标准繁多，经过几十年的发展，以太网逐渐占据了市场主导。虽然局域网（LocalAreaNetwork，LAN）的发展只有四五十年的历史，但其发展速度很快，应用范围非常广泛，主要有共享访问技术、交换技术和高速网络技术等。局域网的特点地理范围一般不超过几公里，通常网络分布在一座办公大楼或集中的建筑群内，为单个组织所有；通信速率高，传输速率一般为100～1000Mbps，甚至更高，能支持计算机间高速通信；可靠性高，误码率低（10-11~10-8）面向的用户比较集中；易于安装、组建与维护，节点的增删容易，具有较好的灵活性。局域网的关键技术拓扑结构总线型、环形、星形和树形传输介质同轴电缆、双绞线、光纤和无线通信信道介质访问控制方法CSMA/CD、CSMA/CA、Token-passing这三种技术决定了传输数据的类型、网络的响应时间、吞吐量、利用率以及网络应用等各种网络特征。以太网（Ethernet）以太网是美国施乐公司（Xerox）于1975年研制成功的。当时，以太网是一种基态总线局域网，速率为2.94Mb/s。1980年9月，DEC公司，Intel公司和施乐公司联合发表了10Mb/s以太网规约的第一个版本DIXV1。DIX（DEC，Intel，Xerox）1982年又修改为第二个版本（实际上也就是最后的版本），即DIXV2，成为世界上第一个局域网规约。IEEE802工作组于1993年制定了802.3DIXEthernetV2标准与IEEE的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”。严格来说，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网。局域网体系结构局域网的标准：IEEE802标准1980年2月，美国电气与电子工程师协会IEEE成立了局域网标准化委员会,专门从事局域网标准化工作。该委员会制定了IEEE802标准。其体系结构只包含了两个层次：数据链路层，物理层数据链路层又分为逻辑链路控制（LLC）和介质访问控制（MAC）两个子层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制LLC介质访问控制MAC

高层

OSI

IEEE802物理层PHY由TCP/IP和NOS实现IEEE802描述了最低两层的功能以及它们为网络层提供的服务和接口IEEE802局域网参考模型与ISO参考模型比较：IEEE802体系结构IEEE802标准中没有定义网络层和更高的层次。

IEEE802委员会定义了多种局域网，这些网络的MAC层并不相同，为了屏蔽MAC层的差异，定义了LLC层。后来，以太网一统天下，以太网就是局域网，无需LLC层，这就是以太网体系结构。IEEE802协议族IEEE802标准有:IEEE802.1:定义了局域网体系结构、寻址、网络互连及网络管理IEEE802.2:定义了逻辑链路控制（LLC）子层的功能与服务协议IEEE802.3:定义了CSMA/CD访问控制方法和物理层技术规范IEEE802.4:定义了TokenBus（令牌总线）访问控制方法和物理层技术规范IEEE802.5:定义了TokenRing（令牌环网）访问控制方法和物理层技术规范IEEE802.6:定义了城域网访问控制方法和物理层技术规范IEEE802.7:定义了宽带网访问控制方法和物理层技术规范IEEE802.8:定义了光纤技术和物理层技术规范IEEE802.9:定义了综合业务局域网接口IEEE802.10:定义了可互操作的LAN安全性规范IEEE802.11:定义了无线网访问控制方法和物理层技术规范已知最大标准号是IEEE802.22；802.1～802.6已被ISO采纳为ISO8802-1～8802-6局域网的物理层功能（与OSI的物理层相同）：比特流的传输与接收同步前序的产生与删除建立，维护，撤销物理连接处理机械，电气，功能和规程特性。IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。物理层规定了：信号编码采用曼彻斯特编码传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤和无线介质等拓扑结构为总线型、星型、树型和环型传输速率为10Mbps、100Mbps、1000Mbps……局域网的数据链路层功能分解的目的：将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。解决共享信道的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。数据链路层功能：通过一些数据链路层协议，负责帧的传输管理和控制，在不太可靠的传输信道上实现可靠地数据传输。按功能划分为：逻辑链路控制（LLC)子层和介质访问控制（MAC）子层局域网的数据链路层MAC子层：

MAC子层直接与物理层相邻，集中了与介质有关的部分。负责介质访问控制机制的实现。LLC子层：集中了与介质无关的部分。主要是建立，维持和释放数据链路，提供一个或多个服务访问点，为网络层提供面向连接的或无连接的服务。LLC子层还提供差错控制，流量控制和发送顺序控制等功能。对不同的LAN标准，它们的LLC子层都是一样的，区别仅在MAC子层（和物理层）。LLC的帧结构PADSAPSSAP控制域数据111/2长度可变单位：字节高层PDU

LLC首部

LLC数据IEEE802LAN的封装过程：LLC帧MAC帧MAC数据分组介质上传输的帧MAC首部MAC尾部MAC尾部MAC数据MAC首部局域网的网络层和高层IEEE802标准没有定义网络层和更高层：没有路由选择功能拓扑结构比较简单，一般无需中间转接流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成网络层和更高层通常由协议软件（如TCP/IP协议、IPX/SPX协议）和网络操作系统来实现。

习题（多选题）决定局域网特性的主要技术要素是（）。

A、网络拓扑 B、网络应用

C、传输介质 D、介质访问控制方法

习题（多选题）决定局域特性的主要技术要素是（）。

A、网络拓扑 B、网络应用

C、传输介质 D、介质访问控制方法答案：ACD谢谢收看！5.3.1路由选择协议与算法路由路由(Routing）：就是通过互联的网络把信息从源地址传输到目的地址的活动。路由发生在OSI参考模型的网络层，将具有路由转发功能的设备称为广义上的路由器。当路由器收到一个IP数据报，路由器会根据目的IP地址在设备上的路由表中进行查找，找到“最匹配”的路由条目后，将IP数据报根据路由条目所指示的出接口或下一跳地址转发出去。路由表路由表(RouteInformationBase，RIB)：就是用来存放路由信息的地方。查看本机路由表：运行cmdrouteprint路由表IP数据报的转发是根据路由表来实现的。路由表中包含了路由器可以到达的目的网络。目的网络不在路由表中的IP数据报会被丢弃。路由器转发IP数据报的原则有路由匹配就转发，没有就丢弃匹配多条时遵循最长匹配原则路由算法路由算法分为静态路由算法(非自适应路由算法)和动态路由算法(自适应路由算法)。静态路由算法：采用人工配置的方式给路由器添加网络路由、默认路由和特定主机路由等路由条目。静态路由算法简单、开销小，但不能及时适应网络状态(流量、拓扑等)的变化。·静态路由算法一般只在小规模网络中采用。动态路由算法：路由器通过路由选择协议自动获取路由信息。动态路由算法相对比较复杂、开销大，但能较好地适应网络状态的变化。动态路由选择适用于大规模网络。路由选择的特点自适应：动态路由选择，能较好地适应网络状态的变化。分布式：因特网中的各路由器通过相互间的信息交互，共同完成路由信息的获取和更新。分层次：将整个因特网划分为许多小的自治系统。例如：将较大的因特网服务提供商作为一个自治系统。在自治系统内部和自治系统外部，分别使用不同类型的路由选择协议进行路由选择。自治系统自治系统（AutonomousSystem，AS）：是指由单一实体进行控制和管理的路由器集合。在AS内部的路由更新被认为是可知、可信和可靠的。路由协议又可以分为内部网关路由协议IGP和外部网关路由协议EGP。内部网关路由协议IGP：就是指一个AS内部使用的协议。如RIP、OSPF、IS-IS。外部网关路由协议EGP：就是指AS之间使用的协议。如BGP。动态路由算法距离矢量算法：距离矢量算法的基本原理就是相邻路由器之间互相交换整个路由表。路由器在此信息基础之上建立自己的路由表。然后，将自己的路由表再传递到它的相邻路由器。就这样一级一级的传递下去，直到全网同步。链路状态算法：链路状态算法不同于距离矢量算法，执行这种算法的路由器并不是简单的和邻居学习路由，而是通过网络收集同区域内所有路由器的链路状态信息，形成链路状态数据库，根据该数据库生成网络拓扑结构，每个路由器再根据拓扑结构计算出路由。距离矢量算法过程在初始情况下，路由器所知的网络，只有其直接接口所在的网络。直连路由：路由器本地接口所在网络。直连路由表距离矢量算法过程第一次交换路由表后各路由器得到的结果距离矢量算法过程第二次交换路由表后各路由器得到的结果路由环路网络链路出现故障后的情况

路由环路路由器A反向学习后得到了错误的路由路由环路路由器互相学习后将错误路由的开销不断增大路由环路路由环路：由多个路由器中的路由表项之间形成的一个环路。距离矢量算法的问题是会产生路由环路和无穷计数问题。IP数据报会在这个环路中不断被循环传递，直至TTL减为0，而被丢弃。路由环路会造成很大的网络资源浪费，而且影响网络的联通性，因此无论在配置静态路由中，还是在动态路由协议中都是要尽量避免。路由环路解决方法定义最大路由权值：即允许路由表项开销增加，但是最大只能增加到16，如果一个路由表项的开销为16，就认为该目的网络不可达。水平分割：该方法的原理就是不把从对方学到的路由表项再告诉对方。毒性逆转：该方法的原理是当路由器的同一个接口收到一个由自身曾经发出的路由信息时，就将那条路由标识为不可达。其效果与水平分割一样。路由保持：该方法的原理是让路由器对链路损坏的路由不是简单删除，而是将该路由表示为无限大，同时启动一个计时器，将该路由保持一段时间，以便网络内的其他路由器能够发现，从而防止错误路由的传播。触发更新：该方法的原理是当路由器检测到链路有问题时立即进行问题路由更新，并迅速将该信息传播到整个网络中，从而加速收敛，避免产生环路。路由的metric路由的metric：是指路由器选择某一路径时使用的衡量标准。通常情况下，路由器会选择metric值最低的路径作为最优路径，以确保IP数据报能够快速准确地传输到目的地。复杂的路由算法可以基于多个metric选择路由，并把它们结合成一个复合的metric。常用的metric包括：路径长度可靠性延迟带宽负载通信代价

习题（多选）解决路由环路问题的方法有()A 水平分割B. 触发更新C. 路由器重启D. 定义最大跳步数

习题（多选）解决路由环路问题的方法有()A 水平分割B. 触发更新C. 路由器重启D. 定义最大跳步数答案：ABD本讲小结路由和路由表路由算法分类路由选择的特点自治系统动态路由算法分类距离矢量算法过程路由环路及解决方法路由的metric5.3.2静态路由配置静态路由配置静态路由：是由用户或网络管理员手动配置的路由，每条路由都需要明确地指定下一跳的网络地址。Router(config)#iproute[目的网段][子网掩码][下一跳][目的网段]：指定要达到的目标网络的网络地址。[子网掩码]：指定目标网络的子网掩码。[下一跳]：到达目的网络的下一个跳的IP地址，即相邻路由器的接口地址。5.3.3默认路由和特定主机路由的配置默认路由默认路由：是一种特殊的静态路由，它是对未知目标网络的路由。默认路由的下一跳是指向一个默认网关，也称为缺省网关。当一个数据包的目标网络不在路由表中时，就会使用默认路由发送到指定的默认网关。默认路由的优点是简化了路由表的维护，尤其适用于大型网络。Router(config)#iproute

[下一跳]/0是所有IP地址超级地址聚合形成的超网，任何地址都属于该超网，都可以和该地址匹配。Internet中的主机都能匹配到默认路由。但因为默认路由掩码匹配长度为0，所以按照“最长掩码匹配"原则，默认路由是最后匹配的路由。特定主机路由特定主机路由是对特定的目的主机指明的一个路由，掩码是55。Router(config)#iproute

[特定主机IP地址]

55[下一跳]5.3.4路由信息协议RIP

RIP的基本特征路由信息协议(RoutingInformationProtocol，RIP）是内部网关协议中最先得到广泛使用的协议之一。RIP是典型的距离矢量路由选择协议。RIP要求自治系统AS内的每一个路由器，都要维护从它自己到AS内其他每一个网络的距离记录。这是一组距离，称为距离向量(Distance-Vector，D-V)。RIP衡量目的网络的距离RIP使用跳数(HopCount)作为度量(Metric)来衡量到达目的网络的距离。RIP将路由器到直连网络的距离定义为1。RIP将路由器到非直连网络的距离定义为所经过的路由器数加1。RIP允许一条路径最多只能包含15个路由器，距离等于16时相当于不可达。因此RIP只适用于小型互联网。注意：思科路由器中的RIP将路由器到直连网络的距离定义为0RIP衡量目的网络的距离——举例路由器R1到网络N1的距离认为是1跳路由器R3到网络N2则需要再经历一个路由器才行，需要2跳。RIP选择路由的方式在RIP看来，好的路由就是距离短的路由，

也就是所通过路由器数量最少的路由。RIP根据距离会选择：R1->R4->R5，第二条路径，

尽管这条路由上各段链路的带宽都非常小。RIP选择路由的方式当到达同一目的网络有多条距离相等的路由时，则进行等价负载均衡，即将通信量均衡地分布到各条等价的路由上。RIP的三个要点和谁交换信息：仅和自己相邻路由器交换信息交换什么信息：各自的路由表何时交换信息：周期性交换，每隔30秒发送一次RIP更新报文。RIP的基本工作过程RIP的基本工作过程

1、路由器刚开始工作时，只知道自己到直连网络的距离为12、每个路由器仅和相邻路由器周期性地交换并更新路由信息3、若干次交换和更新后，每个路由器都知道到达本AS内各网络的最短距离和下一跳地址，称为收敛收敛：所有路由器对于所有网段的路径信息达成一致的过程，收敛速度越快，路由选择协议越好。RIP配置启动RIP：#routerripnetwork命令指定要通告的直连网络地址。如：network如果是RIPv2，加入一条“version2‘’。管理距离管理距离：表示路由的可信度。[120/1]一个路由器可以同时运行多个路由选择协议，不同的路由选择协议到达目标网络可能会选择不同的路径。路由器需要采纳最可信赖的路径。为了区别不同路由协议的可信度，使用不同的管理距离区分不同的路由选择协议管理距离：0－255，值越小，信赖度就越高常见路由协议的管理距离值路由协议管理距离路由协议管理距离直连接口0OSPF110静态路由1IS-IS115EIGRP汇总路由5RIP120外部BGP20EGP140内部EIGRP90外部EIGRP170IGRP100内部BGP200RIP优缺点优点：简单可靠：RIP协议采用‌距离向量算法，实现简单且可靠，便于配置。开销较小：RIP协议不需要复杂的计算和大量的网络资源，适合资源有限的网络环境。缺点：坏消息传播慢：当网络出现故障时，RIP协议需要较长时间才能将故障信息传播到所有路由器，导致网络收敛缓慢。‌网络规模限制：RIP协议的最大距离限制为15，限制了网络的规模。广播开销大：RIP协议每30秒向所有邻居广播完整的路由表信息，占用宝贵的网络带宽资源。没有成本概念：RIP协议不考虑网络延迟和链路成本，可能导致非最优路由的选择。路由环路问题：由于收敛慢和跳数限制，RIP协议容易产生路由环路。‌

习题RIP的最大跳数是（）。A．24B．18C．15D．12

习题RIP的最大跳数是（）。A．24B．18C．15D．12答案：C本讲小结RIP的基本特征RIP衡量目的网络的距离RIP选择路由的方式RIP的三个要点RIP的基本工作过程RIP配置管理距离RIP优缺点5.3.5开放最短路径优先OSPF开放最短路径优先OSPF开放最短路径优先（OpenShortestPathFirst,OSPF），是为了克服RIP的缺点在1989年设计出来。“开放”表明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。“最短路径优先”是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF（ShortestPathFirst,SPF）。OSPF是基于链路状态的，而不像RIP那样是基于距离向量的。OSPF采用SPF算法计算路由，从算法上保证了不会产生路由环路。OSPF不限制网络规模，更新效率高，收敛速度快。OSPF默认管理距离是110，可以手动修改。链路状态链路状态：是指本路由器都和哪些路由器相邻，以及相应链路代价(cost)。代价：用来表示费用、距离、时延、带宽等等，这些都由网络管理员决定。思科路由器中OSPF计算代价的方法：100M(bps)/带宽(bps)计算结果小于1的值：仍然记为1计算结果大于1的且有小数的，舍去小数链路状态——举例代价=100M(bps)/带宽(bps)OSPF路由器邻居关系的建立和维护OSPF相邻路由器之间通过交互问候(Hello)分组来建立和维护邻居关系。Hello分组封装在IP数据报中，目的地址为：组播地址。IP数据报首部中的协议号字段的取值应为89，表明数据报的数据载荷为OSPF分组。Hello分组的发送周期为10秒，若40秒内未收到来自邻居路由器的Hello分组，则认为邻居路由器不可达，每个路由器都会建立一张邻居表，里面有一个值是死亡倒计时，就是40秒。如果40秒内一直收不到来自某个邻居路由器的Hello分组，则认为此邻居路由器不可达。目的IPOSPF路由器邻居关系的建立和维护——举例OSPF链路状态通告LSA使用OSPF的每个路由器都会产生链路状态通告LSA（LinkStateAdvertisement）LSA包含：直连网络的链路状态信息邻居路由器的链路状态信息链路状态更新分组链路状态通告LSA被封装在链路状态更新(LinkStateUpdate，LSU)分组中，采用可靠的洪泛法(Flooding)进行发送。洪泛法的要点是路由器向自己所有的邻居路由器发送链路状态更新分组，收到该分组的各路由器又将该分组转发给自己所有的邻居路由器（但其上游路由器除外)，以此类推。链路状态数据库使用OSPF的每一个路由器都有一个链路状态数据库(LinkStateDatabase，LSDB)，用于存储链路状态通告LSA。通过各路由器洪泛发送封装有各自链路状态通告LSA的链路状态更新分组LSU，各路由器的链路状态数据库LSDB最终将达到一致。基于Dijkstra最短路径优先算法SPF基于链路状态数据库进行最短路径优先计算OSPF协议划分区域每个区域都有一个32比特的区域标识符，可以用点分十进制表示，主干区域标识符必须为0，可以表示为点分十进制：。主干区域用于连通其他区域，其他区域标识符不能为0，且互不相同。