计算机网络原理

1、计算机网络原理第6章 网络互连,-2-,内容安排,本章讨论网络互连问题，即多个网络通过路由器互连成为一个互联网的各种问题 互连网的核心技术是网际协议IP，只有较深入的掌握了IP协议的主要内容，才能理解因特网是怎样工作的。此外还要讨论因特网的路由选择协议，以及介绍因特网控制报文协议ICMP和因特网管理协议IGMP。最后简要讨论下一代的网际协议IPv6的主要内容,-3-,本章重要概念 IP地址与物理地址的关系 传统的分类的IP地址（包括子网掩码）和无分类域间路由选择CIDR 路由选择协议的工作原理,-4-,内容安排 6.1 路由器在网际互连中的作用 6.2 因特网的网际协议IP 6.3 划分子网和

2、构造超网 6.4 因特网控制报文协议ICMP 6.5 因特网的路由选择协议 6.6 IP多播和因特网组管理协议IGMP 6.7虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT 6.8下一代的网际协议IPv6(IPng),-5-,6.1 路由器在网际互连中的作用,在现实世界中，单一的网络无法满足各种用户的多种需求，因此我们经常使用的计算机网络往往由许多种不同类型的网络互连而成。这些通过网络相互连接的计算机不仅仅在物理上时连通的，更重要的是它们能够进行通信 这些网络通过路由器实现连接。在互联网中，路由器起到关键作用。 本节首先讨论路由器的构成，接着介绍路由器的关键构件交换结构，最后给出互联网和因特网的概念,-

3、6-,6.1.1路由器的构成,路由器的作用 当主机A和主机B发送数据时，如果它们连接到同一个网络上，则数据报直接交付给目的主机B而不需要通过路由器，这叫做直接交付 如果目的主机C和源主机A不是连接到同一个网络上，则应将数据报发送给本网络上的某个路由器，由该路由器按照转发表指出的路由将数据报转发给下一个路由器，这叫做间接交付。在数据报传输路径上的最后一个路由器与目的主机在同一个网络中，由该路由器将数据报直接交付给目的主机C。 可见离开路由器就无法在互联网上传送数据,-7-,路由器的构成 路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机或网络设备，其任务是转发分组。 路由器将某个端口收到的分

4、组，按照分组要去的目的网络，将分组从某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。下一跳路由器也按此处理，直到目的地 路由器的转发分组视网络层的主要工作,-8-,整个路由器结构可划分成两大部分： 路由选择部分 分组转发部分,-9-,路由选择部分 也叫做控制部分，核心构件是路由选择处理机。 路由选择处理机的任务是根据所选定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期和相邻路由器交换路由信息而不断更新和维护路由表（思考：why?）,-10-,分组转发部分由三部分组成 交换结构 一组输入端口 一组输出端口,-11-,交换结构 又称为交换组织，作用是根据转发表对分组进行处理，将某个输入端口进入的分组从一个合适的

5、输出端口转发出去。 交换结构本身就是一种网络，但这种网络完全包含在路由器之中，因此交换结构可看成“在路由器中的网络”,-12-,转发和路由选择的区别 转发：路由器根据转发表将用户的IP数据报从合适的端口转发出去，转发表是根据路由表而来的，必须包含完成转发功能所必须的信息，即在转发表每一行包含从要到达目的网络到输出端口和某些MAC地址（例如下一跳的以太网地址）的映射 路由选择：按照复杂的分布式算法，更具从各相邻路由器所得到关于整个网络的拓扑变化情况，动态地改变所选择的路由，路由表一般仅包含从从目的网络到下一跳的映射 转发表和路由表使用不同的数据结构实现会带来一些好处，这是因为在转发分组时，转发表

6、的结构应当使查找过程最优化，而路由表则需要对网络拓扑变化的计算最优化。路由表总是用软件实现的，而转发表甚至可用特殊硬件实现,-13-,输入端口和输出端口 物理层 数据链路层 网络层 路由器之间交换路由信息的分组(RIP，OSPF），送交路由器的路由选择部分中的路由选择处理机 数据分组，按照分组首部中的目的地址查找转发表，根据得出的结果，分组经过交换结构到达合适的输出端口 一个路由器的输入端口和输出端口就做在路由器的线路接口卡上,-14-,输入端口中的查找和转发功能在路由器的交换功能中是最重要的，为了使交换功能分散化，往往将复制的转发表放在每一个输入端口中（虚线所示）。路由选择处理机负责对各转发

7、表的副本进行更新，这些副本常称为“影子副本”。分散化交换可以避免在路由器中的某一点上出现瓶颈,-15-,以上的查找转发表和转发分组概念并不复杂，但是路由器要求必须以很高的速率转发分组，此种速率称为线速。最理想的情况时输入端口的处理速率能够跟上线路将分组传送到路由器的速率。,Mpps（百万分组每秒）,-16-,当一个分组正在查找转发表时，后面又紧跟着从这个输入端口收到另一个分组。这个后到的分组就必须在队列中排队等候，因而产生了一定时延,从线路接收分组,交换结构,-17-,输出端口从交换结构接收分组，然后将它们发送到路由器外面的线路上。,向线路发送分组,交换结构,-18-,从以上讨论可以看出，分组

8、在路由器的输入端口和输出端口都可能会在队列中排队等候处理。若分组处理的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到0，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而丢弃,-19-,6.1.2交换结构,交换结构式路由器的关键构件。正是这个交换结构将分组从一个输入端口转移到某个合适的输出端口 通过存储器进行交换 通过总线进行交换 通过纵横交换结构（常称为互联网络）进行交换,-20-,通过存储器进行交换 最早使用普通的计算机作为路由器，用CPU作为路由选择处理机，路由器的输入和输出端口的功能和传统的操作系统中的I/O设备一样 现代许多路由器也通过存储器进行交换,存 储 器,-21-,通

9、过总线进行交换 数据报从输入端口通过共享的总线直接传送到合适的输出端口，不需要路由选择处理机的干预 同一个时间只能有一个分组在总线上传送，因此路由器的转发带宽就受到总线速率的限制,总线,-22-,通过纵横交换结构（常称为互联网络）进行交换 2N条总线，节点是否接通,-23-,6.1.3互联网与因特网,互连在一起的网络要进行通信，需要解决： 不同的寻址方案 不同的最大分组长度 不同的网络接入机制 不同的超时控制 不同的差错恢复方法 不同的状态报告方法 不同的路由选择技术 不同的用户介入控制 不同的服务（面向连接，连接） 不同的管理与控制方式等,-24-,从一般概念讲，将网络互相连接起来要使用一些

10、中间设备（中间系统），ISO术语称为中继系统，根据中继系统所在层次，可以分为 物理层中继系统，即转发器（repeater，中继器） 数据链路层中继系统，即网桥或桥接器（bridge） 网络层中继系统，即路由器(router) 网桥和路由器的混合物桥接器(brouter)，不普遍 在网络层以上的中继系统，称为网关(gateway),目前使用的比较少,-25-,因特网在IP层采用了标准化协议。许多网络通过路由器互连，它们都使用相同的网际协议IP,因此可以将互连之后的网络看成一个虚拟互联网络，即逻辑互联网络，简称IP网。使用虚拟互联网络的好处是：当互联网上主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，

11、它们看不见互连的各具体的网络的异构细节。,-26-,互联网络的概念,虚拟互联网络 (IP网),-27-,internet(互联网或互连网)是一个通用名词，泛指多个计算机网络互连而成的虚拟网络 Internet(因特网)是一个专用名词，指当前最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族，其前身是ARPANET,-28-,6.2 因特网的网际协议IP,网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要协议之一，也是最重要的因特网标准协议，与IP协议配套使用还有四个协议 地址解析协议ARP 逆（反向）地址解析协议RARP 因特网控制报文协议ICMP 因特网组管理协议IGM

12、P,-29-,网际协议IP及其配套协议,各种应用层协议 (TELNET,FTP,SMTP),TCP UDP,IP,与各种网络接口,物理硬件,ICMP,IGMP,ARP,RARP,应用层,运输层,网际层,网络接口层,-30-,6.2.1分类的IP地址,在TCP/IP体系中，IP地址是一个最基本的概念。有关IP最重要的文档就是RFC791，很早就成了因特网的正式标准 1 IP地址及其表示方法 2 常用的三种类别的IP地址,-31-,1 IP地址及其表示方法 把整个Internet看成为一个单一的、抽象的网络 IP地址：每个连接在Internet上的主机（路由器）上分配一个在全世界范围内唯一的32b

13、it的标识符，IP地址的结构使我们可以在因特网上很方便的进行寻址 IP地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN进行分配。 IP地址的编址经历了三个阶段： 分类的IP地址，1981年通过相应标准 子网的划分，1985年通过相应标准 构成超网， 1993年通过并得到推广应用,-32-,最基本的分类IP地址：将IP地址划分成若干个固定类，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（路由器）所连接到的网络 另一个字段是主机号host-id，标志主机（路由器）,IP地址:=,-33-,A类，B类和C类是最常用的 今年来已经广泛使用不分类IP地址进行路由选择，

14、A,B,C类区分已成为历史,-34-,路由器为转发分组而查找转发表所花费的时间要尽量短。如果把所有目的主机的路由全部写入转发表中，就会有很多路由是重复的，我们应将重复的路由合并。 转发表只使用IP地址中的网络号net-id来查找路由，只要IP数据报能够正确到达目的网络，就可在这个网络上直接交付给目的主机而不在需要经过其他路由器转发,-35-,路由器转发分组的步骤 1，先按所要找的IP地址中网路号net-id把目的网络找到：根据IP地址最前面的类别比特，很容易确定网络字段的准确字节数 2，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,Net-id,下一跳,E0,E1

15、,E2,-36-,将IP地址划分成3各类别，当初是这样考虑的：各种网络的差异比较大，有的网络拥有很多主机，有的网络上主机很少，将IP地址分类可更好满足不同用户的要求 A类IP地址网络号不多，现在能申请到B类和C类 当申请到一个IP地址后，实际上只获得了一个net-id，各个主机号host-id可自行分配,-37-,我们常常将32bit的IP地址中的每8个比特用其等效十进制数字麦示，并且在这些数字之间加上一个点。这就是点分十进制记法。,IP地址的“点分十进制记数法”： 10000010 00001011 00000011 00011110 130 11 3 30 第一字段：128191为B类，1

16、92223为C类。,-38-,2 常用的三种类别的IP地址 A类地址可供使用的网络号是126个(27-2) 第一，IP地址中的全0标示“这个(this)”,net-id字段全部为0的IP地址是个保留地址，意思是本网络 第二，net-id字段为127保留用作本地软件环回测试本主机用（后面3个字节值任意，但不能是0和全1，即和55）,-39-,B类地址网络数为214 C类地址网络数为221,-40-,一般不使用的特殊IP地址,-41-,RFC1918将 -55 -55 1

17、-55 以上地址资源作为预留地址，用作内部专用地址，不能直接相连到因特网上,-42-,IP地址具有一些重要特点 (1 ) IP地址是一种分等级的地址结构。 (2) 当一个主机同时连接到两个网络上时(作路由器用的主机)，该主机就须同时具有两个相应的IP地址，其网络号是不一样的。 (3)按照Internet的观点用转发器或网桥连接起来的若干个局网仍为一个网络，这些局域网都具有相同的网络号net-id。 (4)在IP地址中，所有分配到net-id的网络(不管是第4章讨论的局域网还是第5章讨论的广域网)都是平等的。 (5)IP地址有时也可用来指明一个网络的

18、地址。这时只要将该IP地址的主机号字段置为全0即可。例10000；1758900和201123560这三个IP地址(分别是A类、B类和C类地址)都指的是单个网络的地址。,-43-,6.2.2IP地址与硬件地址,IP地址和硬件地址的区别 从层次上看，物理地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址,-44-,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。在网络层和网络层以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址,IP1,HA1,IP4,IP5,IP6,IP2,IP3,路由器R1,路由器R2,主机H2,HA2,HA3,HA4,HA5,HA

19、6,主机H1,-45-,上图总不同层次、不同区间的源地址和目的地址,在网络层写入 IP数据报首部的,源地址,源地址,源地址,源地址,在数据链路层写入 MAC帧首部的,IP1,IP2,IP1,IP2,IP1,IP2,HA1,HA3,HA4,HA5,HA6,HA2,从H1到R1,从R1到R2,从R2到H2,-46-,需要强调的是 1。在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报 2。虽然在IP数据报首部有源站IP地址，但路由器只根据目的站IP地址的网络号进行路由选择 3。在具体的物理网络的链路层，只能看见MAC帧 4。尽管互连在一起的网络的硬件地址体系各不相同，但IP层抽象的互联网却屏蔽了下层这些很复

20、杂的细节，只要我们在网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象地IP地址研究主机和主机或路由器之间的通信,-47-,6.2.3ARP、RARP,主机或路由器怎样知道应当在MAC帧的首部填入什么样的硬件地址？ IP地址不能直接用来进行数据通信，这是因为IP地址只是主机在抽象的网路层中的地址。若要将网络层中传送的数据报交给主机，还要传到链路层转变成MAC帧才能发送，因此最总还是必须使用硬件地址,-48-,由于IP地址有32bit，而局域网的硬件地址是48bit，因此他们没有一个简单的映射关系 由于网络上主机经常变动，在主机中应存放一个从IP地址到硬件地址的映射表，并且这个映射表还必须能够经常动态更新

21、 ARP：地址解析协议,-49-,每一个主机都设有一个ARP高速缓存，里面有所在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。 当主机A向局域网上的主机B发送IP数据报时，首先在ARP高速缓存里面查看有无主机B的IP地址，如有，就查出对应的硬件地址。,主机A,主机B,ARP高速缓存,-50-,若主机A的ARP高速缓存里面没有主机B的IP地址项目，则主机A运行ARP。然后按下面步骤 1。ARP进程在本局域网上广播一个ARP请求分组 2。局域网内所有主机运行的ARP进程接收该分组 3。主机B在请求分组中发现IP地址，发回ARP响应分组，将主机A的地址映射写入到ARP高速缓存 4。主机A将主

22、机B的IP地址到物理地址的映射写入ARP高速缓存,-51-,-52-,-53-,ARP格式,-54-,ARP Request,Hardware type=1 Protocol type=0800(IP) Length of hardware address=6 bytes Length of protocol address=4 bytes Opcode 1 (ARP Request) Senders HD address= 0:a0:24:ec:c1:b4 Senders IP address= Target HD address= ? Target IP address

23、= 5,ARP/RARP帧,Ethernet报头,Destination=ff:ff:ff:ff:ff:ff Source= 0:a0:24:ec:c1:b4 Ethertype=0806(ARP),FF FF FF FF FF FF 00 A0 24 EC C1 B4 08 06 00 01 08 00 06 04 00 01 00 A0 24 EC C1 B4 80 01 02 07 00 00 00 00 00 00 80 01 02 0F,-55-,ARP Reply,Hardware type=1 Protocol type=0800(IP) Length of h

24、ardware address=6 bytes Length of protocol address=4 bytes Opcode 2 (ARP Replyt) Senders HD address= 8:0:20:e:28:ef Senders IP address= 5 Target HD address= 0:a0:24:ec:c1:b4 Target IP address= ,ARP/RARP帧,Ethernet报头,Destination= 0:a0:24:ec:c1:b4 Source= 8:0:20:e:28:ef Ethertype=0806

25、 (ARP),00 A0 24 EC C1 B4 08 00 20 E0 28 EF 08 06 00 01 08 00 06 04 00 02 08 00 20 E0 28 EF 80 01 02 0F 00 A0 24 EC C1 B4 80 01 02 07,-56-,ARP将保存在高速缓存中的每一个映射地址项目都设置生存时间，凡超过生存时间的项目就从高速缓存中删除掉。 ARP是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。但如两台主机不在同一个局域网上，则无法解析（下页图） 从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机用户对这种地址解析过程是不知道的,-57-,缺省网

26、关,-58-,逆地址解析协议RARP,-59-,6.2.4IP数据报的格式,IP数据报的格式能够说明IP协议具有什么功能。在TCP/IP的标准中，各种数据格式常常以32bit为单位描述 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(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，长度可变,-60-,IP数据报格式,-61-,1IP数据报首部固定部分： 版本号：通信双方IP协议版本须一致。如：IPv4，“0100”。 首部长度：最大数值15个单位（4字节/单位），最长60字节。 服务类型：为PPPDTRCX，其中PPP为优先级、D=1要求时延小的路

27、由、T=1要求比特率高的路由、R=1要求可靠性高的路由、C=1要求收费低的路由。,优先级,D,T,R,C,未用,3,4,5,6,7,0,1,2,-62-,总长度：数据报的总长度，以字节为单位。 在IP层下面每一种数据链路层都有自己的帧格式，其中包括帧格式中的数据字段的最大长度，称为最大传送单元MTU，IP报文（包括首部和数据部分）不能超过MTU 如果IP报文超过MTU的话，则需要分片，此时IP首部中的“总长度”指分片后每片的首部长度与数据长度的总和,-63-,标识：长数据报分成多个数据片时所给予的标识。 标志：MF、DF、X，MF=1（后面还有分片数据报），反之为最后一个数据片；DF=0（允许

28、分片），反之不允许分片。 片偏移：以8字节为单位，分片后该数据报在原分组中的相对位置。,-64-,生存时间：TTL，以秒为单位，典型值为32秒，也可到255秒。 协议：标识本数据报中数据来自运输层的哪个协议，以便目的主机的IP层将数据交给相应的上层处理。,-65-,首部检验和：此字段只检验数据报的首部，不包括数据部分。每个途径结点对首部重新校验。不采用CRC，校验算法： 首部看作N个16位字，用反码算术运算将16位字相加后，将和的反码写入检验和字段 接收方将首部的所有16位字再使用反码算术运算相加一次，将得到的和取反码，若首部未发生变化，结果必为0，则保留这个数据报，否则丢弃该数据报。 源地址

29、：4个字节 目的地址：4个字节,-66-,2首部可变部分： IP首部的可变部分是一个选项字段，主要支持排错、测量以及安全等。其长度可为140字节，取决于所选择的项目。,-67-,6.2.5IP层转发分组的流程,在因特网中路由器的作用和第5章广域网交换机中结点交换机非常类似，但有所区别 路由器是用来连接不同的网络，而结点交换机只是在一个特定的网络中工作 路由器是专门用来转发分组，而结点交换机还可接上许多主机 路由器使用统一的IP协议，而结点交换机使用所在网络的特定协议 路由器根据目的网络找出下一跳，而结点交换机根据目的站所接入的交换机号找出下一跳,-68-,路由表：对每一条路由来说最主要的就是两

30、项 目的网络地址 下一跳地址,网1 ,网2 ,网3 ,网4 ,,,,,,,R1,R2,R3,目的主机所在的网络,下一跳路由器的地址,,直接交付，接口0,,直接交付，接口1,,,,,0,1,-69-,特定主机路由：对特定的目的主机指明一个路由 和结点交换机路由表情况类似，路由器也可采用默认路由减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间,-70

31、-,综上，在因特网中某一个路由器的IP层所执行的分组转发算法如下 1，从数据报的首部提取目的站的IP地址D，得出目的网络N 2，若N就是与此路由器之间相连的某个网络地址，则这种交付为直接交付，不需要经过其他路由器 3，若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则将数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器，否则执行4 4，若路由表中有到达网络N的路由，则将数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器，否则执行5 5，若路由表有一个默认路由，则将数据报传送给路由表中所知名的默认路由器，否则执行6 报告转发分组,-71-,路由器转发过程,包头校验和有效吗？,TTL值减1 TTL0,查找到目的地的路由项,找

32、到路由器了吗？,查找下一站的MAC地址,找到MAC地址吗？,利用MAC地址封装IP数据包,发送,接收ARP响应，把MAC地址放放ARP表中,发送ARP请求,发送ICMP错误报文丢弃该数据包,结束,N,Y,Y,Y,Y,N,N,N,-72-,Data Transfer Across Routers,-73-,6.3 划分子网和构造超网,6.3.1划分子网 6.3.2使用子网掩码的分组转发过程 6.3.3无分类编址CIDR,-74-,6.3.1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，有的网络上计算机数目很少，从网络

33、吞吐量考虑，将大量的主机安装在一个网络上往往会影响网络性能 给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大而使网络性能变坏 两级的IP地址不够灵活 为解决上述问题，从1985年起在IP地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级IP地址变为3级，这种做法叫做划分子网，或子网寻址或子网路由选择，划分子网已经成为因特网的正式标准协议,-75-,划分子网的基本思路 一个拥有许多物理网络的单位，可将所属的物理网络划分为若干个子网，但外部看不见(事实上也不关心)这些子网，因为这个单位对外仍表现为一个没有划分子网的网络 划分子网的方法是从网络的主机号借用若干个比特作为子网号subnet-id，而主机号hos

34、t-id也就相应减少了若干个比特，于是两级的IP地址在本单位内部就变为三级的IP地址：网络号，子网号，主机号 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找到连接在本单位网络上的路由器。但此路由器在收到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，将IP数据报交付给目的主机,-76-,划分子网,-77-,2子网掩码 从一个IP数据报的首部无法判断源主机或者目的主机所连接的网络是否进行了子网的划分，这是因为32位的IP地址本身以及数据报的首部都没有包含任何有关子网的划分信息，因此引入子网掩码,网络号net-id,主

35、机号host-id,因特网部分,本地部分,net-id,subnet-id,因特网部分,本地部分,host-id,因特网部分,主机号,子网号,1111111111111111,11111111,00000000,net-id,subnet-id,00000000,三级IP地址,二级IP地址,子网掩码,划分子网时的网络地址,-78-,使用子网掩码的好处是：不管网络有没有划分子网，不管网络字段net-id的长度是1字节、2字节还是3字节，只要将子网掩码和IP地址进行逐比特与运算，就理解得出网络地址，这样在路由器处理到来分组时就可采用同样的算法 子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。路由器在和相邻

36、路由器交换路由信息时，必须将自己所在网络(或子网)的子网掩码告诉相邻路由器。,-79-,现在因特网规定：所有的网络都必须有一个子网掩码，同时在路由器的路由表中也必须有子网掩码这一栏。如果一个网络不划分子网，那么该网络的子网掩码就使用默认子网掩码,-80-,8位扩展屏蔽,-81-,10位扩展屏蔽,-82-,C类常用子网掩码,-83-,子网掩码计算,-84-,虽然根据已成为因特网标准协议的RFC950，子网号不能为全1或全0，但随着无分类域间路由选择CIDR的广泛使用，现在全1和全0的子网号也可以使用，需要注意的是，必须弄清路由器所用的路由软件是否支持全0和全1的子网号,-85-,6.3.2使用子

37、网掩码的分组转发过程,在不划分子网的两级IP地址下，从IP地址得出网络地址是个很简单的事，但在划分子网的情况下，从IP地址却不能唯一地得出网络地址来，因为网络地址取决于那个网络所采用的子网掩码，但数据报的首部并没有提供子网掩码的信息，因此分组转发算法也必须做相应改动,-86-,划分子网后分组转发算法 1.从收到的数据报首部提取目的IP地址D 2.先判断是否为直接交付，对路由器直接相连的网络逐个进行检查：用各网络的子网掩码和D逐比特相与，看结果是否和相应的网络地址匹配，若匹配，则将分组进行直接交付，否则间接交付，执行3 3.若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则将数据报传送给路由表所指明的下

38、一跳路由器，否则执行4 4.对路由表中的每一行(目的网络地址，子网掩码，下一跳地址)，将其中的子网掩码和D逐比特相与，其结果为N，若N与该行的目的网络地址匹配，则将数据报传送给该行指明的下一跳路由器，否则执行5 5.若路由表中有一个默认路由，则将数据报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,-87-,划分子网后分组的转发举例,3,,30,38,29,,2, 28,12

39、28 28, ,,28,接口0,28,28,接口1,,,R2,目的网络地址,子网掩码,下一跳,R2,R1,H1,H2,H3,-88-,6.3.3无分类编址CIDR,划分子网在一定程度上缓解了因特网发展中的问题。1992年因特网仍然面临的问题： B类地址已分配一半，1994年3月将分配完 因特网主干网上路由表的项目数急剧增长到上万 整个IPv4的地址空间将全部耗尽

40、 IETF因特网工程部研究出了无分类编址CIDR解决前两个问题，第三个问题由IETF的IPv6工作组解决。,-89-,目前CIDR已经成为因特网建议标准。 CIDR的最主要特点有： 消除了传统的A、B、C类地址以及划分子网的概念，而使用各种长度的“网络前缀”代替“网络号”和“子网号”，使得IP地址由三级减为两级。标记方法为：IP地址:=网络前缀 ，主机号，CIDR使用“斜线记法”(CIDR记法)，记载IP地址后面加上/，然后写上网络前缀所占的比特数.如1/20表示在32位IP地址中，网络前缀占20位，主机号占12位。前缀长度一般在1327之间。,-90-,CIDR将网络前

41、缀相同的IP地址组成“CIDR地址块”，一个CIDR地址块由地址块的起始地址和地址块中的地址数来定义。CIDR也可用斜线法来表示。如/20表示的地址块有212个地址，其起始地址为。,最小地址,,10000000,00001110,00100000,00000000,最大地址,55,10000000,00001110,00101111,11111111,-91-,一个CIDR地址块可以表示很多地址，路由表可以利用它来查找目的网络。这种地址的聚合常称为路由聚合，它使得路由表中的一个项目可以表示很多传统分类地址的

42、路由，也称为构成超网。路由聚合有利于减少路由器之间的路由选择信息的交换，从而提高了整个因特网的性能 CIDR不使用子网，但使用掩码一词(但不交子网掩码)。对于/20地址块，掩码为11111111111111111111000000000000(20个连续1)，斜线记法中的数字就是掩码中的1的个数,-92-,路由表的项目由网络前缀和下一跳地址组成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果，选择哪一条路由成为核心问题。 结论：应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由，这称为最长前缀匹配。,-93-,6.4 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Interne

43、t 控制报文协议ICMP。ICMP允许主机或路由器报告出错情况和提供有关异常情况的报告。但ICMP不是高层的协议它仍是IP层中的协议。ICMP报文作为IP层的数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。,-94-,ICMP报文格式,IP数据报,0,8,16,31,-95-,ICMP报文的类型： ICMP 差错报文和ICMP询问报文。,-96-,ICMP测试:PING命令产生的回声应答,A,B,B可以到达吗?发送ICMP回声请求,B可以到达。发送ICMP回声应答,-97-,6.5 因特网的路由选择协议,6.5.1有关路由选择协议的几个基本概念 6.5.2内部网关协议RIP 6.5.3

44、内部网关协议OSPF 6.5.4外部网关协议BGP,-98-,6.5.1有关路由选择协议的几个基本概念,1.理想的路由算法 路由选择协议的核心就是路由算法，即需要何种算法来获得路由表中的各项目，一个理想的路由算法应具有如下特点 算法必须是正确的和完整的。 算法在计算上应简单 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化，即自适应性 算法应具有稳定性 算法应是最佳的(度量值最小),-99-,从路由算法能否随网络通信量或拓扑自适应地进行调整变化来划分，只有两大类 静态路由选择策略(非自适应路由选择)：简单，开销较小 动态路由选择策略(自适应路由选择)：能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销较大

45、,-100-,2分层次的路由选择协议 因特网采用的路由选择协议主要是自适应的、分布式路由选择协议。由于下面两个原因，因特网采用分层次的路由选择协议 因特网规模非常大，如果让所有的路由器知道所有的网络应怎样到达，则路由表将非常大，处理起来也太花时间。而所有这些路由器之间交换路由信息所需的带宽就会使因特网的通信链路饱和 许多单位不愿意让外界了解自己单位网络的布局细节和本部门所采用的路由选择协议，但同时还希望自己连接到因特网上,-101-,因特网将整个互联网划分成许多较小的自治系统(AS)。一个自治系统是一个互联网，其最重要的特点是自治系统有权自主地决定在本系统内应采用何种路由选择协议。 因特网把路

46、由选择协议划分两大类 内部网关协议IGP(IRP，内部路由器协议)，即在一个自治系统内部使用的路由选择协议，如RIP，OSPF 外部网关协议EGP(ERP ，外部路由器协议)，若源站和目的站处在不同的自治系统中(它们使用不同的内部网关协议)，当数据报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红，此协议即为EGP,-102-,自治系统,自治系统A,自治系统B,自治系统C,EGP,EGP,EGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,IGP,-103-,总之，使用分层次的路由选择算法，可将因特网的路由选择协议划分成 内部网关协议IGP:RI

47、P，OSPF 外部网关协议EGP:BGP,-104-,6.5.2内部网关协议RIP,1.工作原理 路由信息协议RIP是IGP中最先得到广泛使用的协议，它是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的标准协议，最大优点是简单 RIP协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离，即跳数。从一个路由器到直接连接的网络的距离定义为1，从一路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加1,网1,网2,网3,网4,R1,R2,R3,-105-,RIP认为一个好的路由就是跳数少，即经过的路由器数目少，哪怕还存在另一条高速但路由器多的路由(见下图) RIP允许一条路径最

48、多只能包含15个路由器，即距离最大值为16时即相当于不可达。因为RIP只适用于小型互联网,R1,R2,R3,R4,-106-,RIP和 OSPF都是分布式路由选择协议，他们共同特点就是每一个路由器都要不断地和其他一些路由器交换路由信息 和哪些路由器交换信息？ 交换什么信息？ 在什么时候交换信息？,-107-,和哪些路由器交换信息？ 仅和相邻的路由器交换信息 交换什么信息？ 当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表 在什么时候交换信息？ 按固定时间间隔交换路由信息，例如30s，当网络拓扑结构发生变化时，路由器也及时向相邻路由器通告拓扑变化后的路由信息,-108-,收敛：在自治系统中所有的结点都得到正确的路由选择信息，即对网络拓扑结构观点取得一致，RIP收敛速度较快 路由表中最重要的信息就是：到某个网络的距离(即最短距离)，以及应经过的下一跳地址。路由表更新的原则是找出到每个目的网络的最短距离。这种更新算法又称为距离向量算法。RIP是距离向量算法,-109-,2。距离向量算法 收到相邻路由器(其地址为X)的一个RIP报文 1。先修改此RIP报文中的所有项目：将下一跳字段中的地址都改为X，并将所有的距离字段值加1 2。对修改后的RIP报文中每一项目，重复下面步骤 若项目中