计算机网络技术 课件39 网际协议IP

39网际协议IP演讲人学习目标（1）清晰阐述IP协议在网络通信中负责数据包封装、寻址与路由转发等基础且关键的作用机制。（2）准确说明IP协议如何基于数据报格式，在不同网络节点间实现数据无连接、不可靠但尽力而为的传输过程。（3）理解IP地址作为网络层标识设备的逻辑地址，在网络寻址与通信中的核心地位和作用。（4）准确区分IPv4中A、B、C、D、E类IP地址的地址范围、网络规模及应用场景差异。（5）能对照IP数据报格式图示，准确指出各字段含义及对数据传输的作用。（6）根据给定IP地址，迅速且准确判断其所属类别，并说明判断依据。（7）通过学习IP协议与地址，从整体网络架构角度思考数据传输过程，建立系统化网络认知。（8）面对IP协议和地址相关技术发展，保持学习热情，提升适应新网络技术变革的能力。01IP协议1.IP协议IP协议是TCP/IP网络层的核心协议，其定义了用以实现面向无连接服务的网络层分组格式，其中包括IP寻址方式。

不同网络技术的主要区别在数据链路层和物理层，如不同的局域网技术和广域网技术。而IP协议则能够将不同的网络技术在TCP/IP的网际层统一在IP协议之下，以统一的IP分组传输提供了对异构网络互联的支持。1.IPv4的特征（1）无连接——发送数据包前不建立连接，IP不负责可靠性，不维护连接，开销少；（2）尽力（不可靠），不使用任何开销来保证数据包送达，不可靠仅仅表示IP不具备管理和恢复未送达数据包或已损坏数据包的功能，由于其他层的协议可以管理可靠性，因此IP能够在网络层非常有效地发挥作用；（3）介质无关性，其运作与传送数据的介质无关，网络层也不受用于传输数据包的介质的特征限制。每种介质可以传输的最大PDU大小。此特征称为最大传输单位（MTU）。在某些情况下，中间设备（通常是路由器）从一种介质向具有较小MTU的介质转发数据包时需要分割数据包。此过程称为对数据包进行分片或分片（Fragment）。1.IP协议2.IPv4数据报——封装传输层PDUIP数据报包含报头和数据两个部分，数据是高层传输的数据，而报头是为了正确传输数据而增加的控制信息。IPv4封装传输层数据段或数据报，以便网络将其传送到目的主机。

在任何情况下，数据报的数据部分，即封装的传输层PDU，在网络层的各个过程中都将保持不变。3.IPv4数据报头IP数据报的报头封装了一系列关键的控制信息，由固定长度的20字节部分以及一个可变长度的可选项部分组成。考虑到位编号从最高位（左侧）为0位，至最低位（右侧）为31位，如表16-1所示，报头各字段的详细内容阐述如下：0481216192431版本首部长度服务类型长度标识标志段偏移量TTL协议校验和源IP地址目的IP地址选项

...表16-1IPv4数据包头格式1.IP协议（1）版本标识：这是一个4位的字段，用于明确指示所使用的IP协议版本。当前广泛采纳的版本是IPv4，其对应的版本字段编码为0100。（2）报头长度：同样是4位，此字段定义了IP数据报头部的总长度。（3）服务类型/区分服务：该字段占据8位，旨在标记数据报的优先级或特殊服务需求。在传统标准中，它被称为服务类型字段，但在常规操作下很少被利用。其仅在启用区分服务特性时发挥作用。（4）总长度：一个16位的字段，代表整个IP数据报（包括头部和数据载荷）的长度，单位为字节。由于字段大小限制，IP数据报的最大长度被设定为65,535字节。值得注意的是，数据链路层协议会规定数据帧的最大尺寸（MTU），确保封装后的IP数据报不超过此限值。（5）标识符：一个16位的字段，用于唯一标识每个数据报，这对于接收端重组分段数据至关重要。在数据分段过程中，所有分段将共享一个标识符组，确保正确重组。（6）标志位：此3位字段中，仅最低两位有效，分为：MF（更多分段）：最低位，当MF=1时，表示后续还有数据报分段；MF=0时，表示此为最后一个分段。DF（不分段）：中间位，DF=1禁止数据报分段；DF=0则允许分段。1.IP协议（7）片偏移：一个13位的字段，用于指示在分段后的较长数据报中，当前分段所处的相对位置。偏移量以8字节为单位，确保每个分段长度均为64位的倍数。（8）生存时间（TTL）：TTL字段用于限制数据报在网络中的存活时间。每经过一个路由器，TTL值递减；当TTL减至0时，数据报将被丢弃，防止无限循环转发。（9）协议字段：8位，指定数据区内容遵循的高级协议。不同协议对应不同的字段值，如表16-2所示。（10）头部校验和：一个16位的循环冗余校验值，通过对报头内所有字段值求和计算得出，用于确保头部数据的完整性和传输准确性。数据报经过每个路由器时，路由器会验证并可能更新此校验和，以适应TTL等字段的变化。（11）源/目的IP地址：各占32位，分别标识发送数据报的源主机地址和接收数据报的目的主机地址。（12）可选项字段：长度可变，介于1至40字节之间，用于增强IP数据报的功能，如排错、测量和安全措施。虽然增加了灵活性，但也导致报头长度不固定，增加了路由器的处理负担。1.IP协议典型IP数据包如表16-3所示：表16-2

协议字段值协议名称ICMPIGMPIPTCPEGPIGPUDPIPv6ESPOSPF协议字段值12468917415089表16-3

典型IP数据包0481216192431版本=4首部长度=5服务类型长度=472标识=111标志=0段偏移量=0TTL=123协议=6校验和源IP地址目的IP地址选项

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IP地址1.IP地址1.逻辑地址与物理地址IP数据报中的源IP地址和目标IP地址是TC/IP的网络层用以标识网络中主机的逻辑地址。所谓逻辑地址，是与数据链路层的物理地址即硬件地址相对应的。物理地址如MAC地址是第二层地址，其固化在网卡的硬件结构中，只要主机或设备的网卡不变，则其MAC地址就是不变的，即使其从一个网络被移到另一个网络，从地球的一端移到另一端。也就是说，MAC地址是一种平面化的地址，其不能提供关于主机所处的网络位置信息。而逻辑地址如IP地址则是第三层地址，所以有时又被称为网络地址，该地址是随着设备所处网络位置不同而变化的，即设备从一个网络被移到另一个网络时，其IP地址也会相应地发生改变。也就是说，IP地址是一种结构化的地址，其可以提供关于主机所处的网络位置信息。1.IP地址2.IP地址的结构、分类与表示32位的IP地址结构由网络标识和主机号两部分组成，如图16-2所示。其中，网络标识用于标识该主机所在的网络，而主机号则表示该主机在相应网络中的序号。正是因为网络标识所给出的网络位置信息才使得路由器能够在通信子网中为IP分组选择一条合适的路径。

通常IP地址被分为A、B、C、D和E五类，如表16-4、表16-5所示。

其中A、B、C类被作为普通的主机地址，D类用于提供网络组播服务或作为网络测试之用，E类保留给未来扩充使用。由于32位的IP地址不太容易书写和记忆，通常又采用带点十进制标识法来表示IP地址。在这种格式下，将32位的IP地址分为四个8位组，每个8位组以一个十进制数表示，取值范围由0到255；代表相邻8位组的十进制数以小圆点分割。图16-2IP地址的组成1.IP地址

在IP地址空间中，有些IP地址是被保留作为特殊之用的。例如，网络标识或主机号部分为全“0”和全“1”的地址通常具有特殊的含义和用途。主机号部分为全“0”的IP地址代表一个特定的网络，即作为网络标识之用，如102.0.0.0、138.1.0.0和198.10.1.0分别代表了一个A类、B类和C类网络。主机号部分为全“1”的IP地址代表一个在指定网络中的广播，被称为广播地址，如102.255.255.255、138.1.255.255和198.10.1.255分别代表在一个A类、B类和C类网络中的广播。网络号对于IP网络通信非常重要，位于同一网络中的主机必然具有相同的网络号，它们之间可以直接相互通信；而网络号不同的主机之间则不能直接进行相互通信，必须经过第三层网络设备如路由器进行转发。表16-4

IP地址分类

12345--89--1617--2425--31A类0网络号主机号B类10网络号主机号C类110网络号主机号D类1110组播地址E类1111保留地址1.IP地址表16-5

IP地址分类类型IP地址范围保留IP私有IPA类1.0.0.1—126.255.255.254127.X.X.X10.0.0.0-10.255.255.255B类128.0.0.1—191.255.255.254169.254.X.X172.16.0.0—172.31.255.255C类192.0.0.1—223.255.255.254

192.168.0.0-192.168.255.255D类224.0.0.1—239.255.255.254

用于本地网络中的组播组E类240.0.0.1—255.255.255.254

用于研究或实验1.IP地址3.特殊IP地址（1）0.0.0.0严格说来，0.0.0.0已经不是一个真正意义上的IP地址了。它表示的是这样一个集合：所有不清楚的主机和目的网络。这里的“不清楚”是指在本机的路由表里没有特定条目指明如何到达。对本机来说，它就是一个“收容所”，所有不认识的“三无”人员，一律送进去。如果你在网络设置中设置了缺省网关，那么Windows系统会自动产生一个目的地址为0.0.0.0的缺省路由。

（2）255.255.255.255限制广播地址。对本机来说，这个地址指本网段内（同一广播域）的所有主机。如果翻译成人类的语言，应该是这样：“这个房间里的所有人都注意了！”这个地址不能被路由器转发。

（3）127.0.0.1IP地址中，当网络地址部分被设定为127时，这样的地址被称为环回地址或回送地址。其主要用途在于对本地通信回路进行测试，并促进本地计算机上不同进程间的相互通信。在实际应用中，一个经常被采用的环回地址是127.0.0.1，它还有一个广为人知的别名，即localhost。事实上，只要第一字节为127的任意IP地址（甚至是非法的IP地址），系统都会自动识别为127.0.0.1。1.IP地址（4）224.0.0.1—239.255.255.254组播地址，也即之前提及的D类地址，被广泛应用于视频广播与点播系统之中，其IP地址段覆盖了从224.0.0.0至239.255.255.255的广阔范围。特别地，地址224.0.0.1被专门用来指代网络中的所有主机，而224.0.0.2则专门指向所有的路由器。值得注意的是，组播地址与广播地址在功能上存在显著差异。广播地址的划分是基于主机的物理位置，即根据主机在网络中的实际位置来划分不同的广播组。相比之下，组播地址则是基于一个特定的逻辑组来定义的，这意味着加入该组的计算机可能并不局限于某一特定的物理网络，而是可以广泛地分布在整个Internet上。

（5）169.254.x.x如果你的主机使用了DHCP功能自动获得一个IP地址，那么当你的DHCP服务器发生故障，或响应时间太长而超出了一个系统规定的时间，Windows系统会为你分配这样一个地址，参见表13-4。

（6）私有地址

私有地址，这些地址被大量用于企业内部网络中。一些宽带路由器，也往往使用192.168.1.1作为缺省地址。私有网络由于不与外部互连，因而可能使用随意的IP地址。保留这样的地址供其使用是为了避免以后接入公网时引起地址混乱。使用私有地址的私有网络在接入Internet时，要使用地址翻译（NAT），将私有地址翻译成公用合法地址。在Internet上，这类地址是不能出现的，参见表13-4。

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本讲小结本讲小结

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