CHed网络层.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,计算机网络,第 4 章 网络层,1,第1页，共188页。,第 4 章,网络层,4.1 网络层提供的两种服务,4.2 网际协议 IP,4.3 划分子网和构造超网,4.4 网际控制报文协议 ICMP,4.5 因特网的路由选择协议,4.6 IP 多播,4.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT,2,第2页，共188页。,本章最重要的内容,(1)虚拟互连网络的概念,(2)IP 地址与物理地址的关系,(3)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,(4)路由选择协议的工作原理,3,第3页，共188页。,互连网的概念,网络互连的必要性,网络通信,共享数据和服务的呼声也越来越高.,网络技术各种各样（局域网、广域网）,计算机之间互连通常要使用各种各样的网络技术,一个跨越多区域的计算机网络必须要允许使用多种技术。,4,第4页，共188页。,网络互连(internet)与Internet,网络互连是指两个以上的计算机网络，用一种或多种通信设备相互联起来，以构成更大的网络系统,internet.,网络互连概念是TCP/IP体系的中心。任何使用TCP/IP的网络都可以被认为是网际网,internet,。,Internet,（I为大写）是指当前全球最大的、开放的、由众多网络互相连接而成的特定的计算机网络，它采用TCP/IP协议族，且其前身是美国的ARPANET。,5,第5页，共188页。,LAN-LAN，LAN-MAN，WAN-WAN，LAN-WAN-LAN,网络互连的类型,6,第6页，共188页。,IEEE 802标准,IEEE802.1,概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量,IEEE802.2,逻辑链路控制。高层协议与局域网子层的接口。,IEEE802.3,CSMA/CD。定义总线网的子层和物理层的规约。,IEEE802.4,令牌总线网。定义令牌传递总线网的子层和物理层的规约。,IEEE802.5,令牌环形网。定义令牌传递环形网的子层和物理层的规约。,IEEE802.6,城域网MAN。定义城域网的子层和物理层的规约。,IEEE802.7,宽带技术,IEEE802.8,光纤技术,IEEE802.9,综合话音数据局域网,IEEE802.10,可互操作的局域网的安全,IEEE802.11,无线局域网,IEEE802.12,优先级高速局域网(100Mb/s),IEEE802.15,无线个人网,IEEE802.16,宽带无线接入网,IEEE802.17,弹性分组环,7,第7页，共188页。,网络互连的要求,网络互连系统能适应各网络间的差异:,不同的服务(面向连接和无连接服务),不同的寻址方案,不同的最大分组长度,不同的差错恢复方法,不同的网络接入技术,不同的超时控制,不同的安全机制、计费规则,提供网络间的连接，至少必须有物理层和数据链路层的链接,不同网络间的路径选择和数据传输,8,第8页，共188页。,网络互连设备,将网络互相连接起来要使用一些中间设备，ISO的术语称之为中继(relay)系统。,中继系统在网间进行协议和功能转换，它具有很强的层次性。,根据中继系统所在的层次，可以有以下五种中继系统:,物理层中继系统，即转发器(repeater);,数据链路层中继系统，即网桥(bridge);,网络层中继系统，即路由器(router);,网络层以上的中继系统，即网关(gateway)。,一般讨论互连网时，都是指用路由器进行互连的互连网络,。,9,第9页，共188页。,4.1 网络层提供的两种服务,网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大类：,无连接,的网络服务:数据报服务,面向连接,的网络服务:虚电路服务,数据报服务:,每个分组单独传送,网络为每个分组独立选择路由，路径可能不同,分组到达顺序可能与发出顺序不一致,分组中需要携带完整的目的地址,虚电路服务:,在传送数据之前，通过虚呼叫建立一条虚电路,所有分组沿同一条路径传送，并按发出的顺序到达,建立连接后，分组中只需携带连接标识,可以在建立连接时，协商参数、QoS(Quality of service)和开销等,。,10,第10页，共188页。,数据报服务和虚电路服务的特点,图:,(a)数据报服务,H1向H5发送分组信息可经过节点A-B-E，A-C-E或A-C-B-E,图:,(b)虚电路服务,H1和H5通信建立一条虚拟电路H1-A-B-E-H5,11,第11页，共188页。,两种服务的思路来源不同,虚电路服务的思路来源于传统的电信网。,电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。,数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。,可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来保证。,12,第12页，共188页。,数据报服务与虚电路服务之争,在计算机网络领域，网络层应该向运输层提供怎样的服务（“面向连接”还是“无连接”）曾引起了长期的争论。,争论焦点的实质就是：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,？,13,第13页，共188页。,电信网的成功经验让网络负责可靠交付,面向连接,的通信方式,建立,虚电路,(Virtual Circuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源。,如果再使用可靠传输的网络协议，就可使所发送的分组无差错按序到达终点。,14,第14页，共188页。,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,虚电路服务,H,1,H,2,虚电路,H,1,发送给 H,2,的所有分组都沿着同一条虚电路传送,15,第15页，共188页。,虚电路是逻辑连接,虚电路表示这只是一条,逻辑上的连接,，分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而并不是真正建立了一条物理连接。,请注意，电路交换的电话通信是先建立了一条,真正的连接,。因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似，但并不完全一样。,16,第16页，共188页。,因特网采用的设计思路,网络层向上只提供简单灵活的、,无连接的,、,尽最大努力交付,的,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）。,网络层不提供服务质量的承诺。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。,17,第17页，共188页。,尽最大努力交付的好处,由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉（与电信网的交换机相比较）。,如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由,网络的主机中的运输层负责,（包括差错处理、流量控制等）。,采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用。,因特网能够发展到今日的规模，充分证明了当初采用这种设计思路的正确性。,18,第18页，共188页。,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,数据报服务,H,1,H,2,IP 数据报,丢失,H,1,发送给 H,2,的分组可能沿着不同路径传送,19,第19页，共188页。,虚电路服务与数据报服务的对比,对比的方面,虚电路服务,数据报服务,思路,可靠通信应当由网络来保证,可靠通信应当由用户主机来保证,连接的建立,必须有,不需要,终点地址,仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号,每个分组都有终点的完整地址,分组的转发,属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发,每个分组独立选择路由进行转发,当结点出故障时,所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作,出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化,分组的顺序,总是按发送顺序到达终点,到达终点时不一定按发送顺序,端到端的差错处理和流量控制,可以由网络负责，也可以由用户主机负责,由用户主机负责,20,第20页，共188页。,4.2 网际协议IP,网际协议 IP,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,四个协议,：,地址解析协议 ARP,(Address Resolution Protocol),逆地址解析协议 RARP,(Reverse Address Resolution Protocol),网际控制报文协议 ICMP,(Internet Control Message Protocol),网际组管理协议 IGMP,(Internet Group Management Protocol),21,第21页，共188页。,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,ICMP,IP,RARP,ARP,与各种网络接口,网络层,（网际层）,IGMP,22,第22页，共188页。,互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题需要解决，如：,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,不同的用户接入控制,不同的服务（面向连接服务和无连接服务）,不同的管理与控制方式,4.2.1 虚拟互连网络,23,第23页，共188页。,当,中继系统,是,转发器或网桥,时，一般并不称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。,网关由于比较复杂，目前使用得较少。,互联网,都是指用,路由器,进行互连的网络。,由于历史的原因，许多有关 TCP/IP,的文献将网络层使用的路由器称为,网关,。,网络互连使用路由器,24,第24页，共188页。,路由器在网际互连中的作用,路由器的构成,路由器具有四个要素：输入端口、输出端口、交换开关和路由处理器。,路由器的作用,：,将从输入端口接收的分组从合适的输出端口转发到下一跳的路由器。,1,2,3,输入端口,1,2,3,输入端口,分组处理器,转发表,交换结构,1,2,3,输出端口,1,2,3,输出端口,路由选择处理机,路由选择协议,路由表,路由选择,分组转发,3网络层,2数据链路层,1物理层,25,第25页，共188页。,直接交付和间接交付,间接交付,间接交付,间接交付,A,B,C,直接交付,直接交付,直接交付不需要使用路由器,但间接交付就必须使用路由器,26,第26页，共188页。,输入端口对线路上收到的分组的处理,数据链路层剥去帧首部和尾部后，将分组送到网络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时延。,物理层处理,数据链路层,处理,网络层处理,分组排队,交,换,结,构,输入端口的处理,从,线,路,接,收,分,组,查表和转发,27,第27页，共188页。,输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路,当交换结构传送过来的分组先进行缓存。数据链路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。,物理层处理,数据链路层,处理,网络层处理,分组排队,输出端口的处理,向,线,路,发,送,分,组,缓存管理,交,换,结,构,28,第28页，共188页。,分组丢弃,若路由器处理分组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零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。,路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。,29,第29页，共188页。,交换结构,I,1,I,3,I,2,O,1,O,2,存,储,器,I,1,I,3,I,2,O,1,O,2,I,1,I,3,I,2,O,1,O,2,O,3,(a)通过存储器,(c)通过互连网络,(b)通过总线,总线,互连网络,O,3,O,3,30,第30页，共188页。,互连网络与虚拟互连网络,网络,网络,网络,网络,网络,(a)互连网络,(b)虚拟互连网络,路由器,虚拟互连网络,（互联网）,31,第31页，共188页。,虚拟互连网络的意义,所谓,虚拟互连网络,也就是逻辑互连网络，它的意思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，但是我们利用 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,。,使用,IP 协议的虚拟互连网络,可简称为 IP 网。,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。,32,第32页，共188页。,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,主机,H,1,主机 H,2,R,1,R,4,R,5,R,2,R,3,R,1,R,2,R,3,H,1,R,5,H,2,R,4,间接交付,间接交付,间接交付,间接交付,间接交付,直接交付,3,2 2,1 1,3,2 2,1 1,3,2 2,1 1,3,2 2,1 1,3,2 2,1 1,分组在互联网中的传送,33,第33页，共188页。,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,H,1,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,H,2,34,第34页，共188页。,4.2.2 分类的 IP 地址,1.IP 地址及其表示方法,我们把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络。IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机（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,因特网名字与号码指派公司,ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配,35,第35页，共188页。,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RFC 950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。,36,第36页，共188页。,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 地址可以记为：,IP 地址:=,(4-1),:=代表“,定义为,”,37,第37页，共188页。,net-id,24 位,host-id,24 位,net-id,16 位,net-id,8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id,16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,host-id,8 位,D 类地址,1,1,1,0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1,1,1,1,0,1,38,第38页，共188页。,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,10000000 00001011 00000011 00011111,每隔 8 位插入一个空格,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,128.11.3.31,128,11 3 31,将每 8 位的二进制数,转换为十进制数,39,第39页，共188页。,2.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,A 126(2,7,2)1 126 16,777,214,B 16,383(2,14,1,)128.1 191.255 65,534,C 2,097,151(2,21,1,)192.0.1 223.255.255 254,40,第40页，共188页。,IP 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：,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。这样就方便了,IP,地址的管理。,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。,41,第41页，共188页。,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,多归属主机,(multihomed host)。,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。,42,第42页，共188页。,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，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。,43,第43页，共188页。,互联网中的 IP 地址,B,222.1.1.,R,1,222.1.2.,R,3,R,2,222.1.3.,LAN,3,N,3,N,2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N,1,LAN,2,LAN,1,互联网,44,第44页，共188页。,4.2.3 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,45,第45页，共188页。,HA,1,HA,5,HA,4,HA,3,HA,6,主机 H,1,主机 H,2,路由器 R,1,硬件地址,路由器 R,2,HA,2,IP,1,IP,2,局域网,局域网,局域网,通信的路径,H,1,经过 R,1,转发再经过 R,2,转发H,2,查找路由表,查找路由表,46,第46页，共188页。,HA,1,HA,5,HA,4,HA,3,HA,6,主机 H,1,主机 H,2,路由器 R,1,硬件地址,路由器 R,2,HA,2,IP,1,IP,2,局域网,局域网,局域网,IP,1,HA,1,HA,5,HA,4,HA,3,HA,6,HA,2,IP,6,主机 H,1,主机 H,2,路由器 R,1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP,2,IP,4,IP,3,IP,5,路由器 R,2,IP,1,IP,2,IP,1,IP,2,IP,1,IP,2,从 HA,1,到 HA,3,从 HA,4,到 HA,5,从 HA,6,到 HA,2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,从协议栈的层次上看数据的流动,47,第47页，共188页。,HA,1,HA,5,HA,4,HA,3,HA,6,主机 H,1,主机 H,2,路由器 R,1,硬件地址,路由器 R,2,HA,2,IP,1,IP,2,局域网,局域网,局域网,IP,1,HA,1,HA,5,HA,4,HA,3,HA,6,HA,2,IP,6,主机 H,1,主机 H,2,路由器 R,1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP,2,IP,4,IP,3,IP,5,路由器 R,2,IP,1,IP,2,IP,1,IP,2,IP,1,IP,2,从 HA,1,到 HA,3,从 HA,4,到 HA,5,从 HA,6,到 HA,2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,从虚拟的,IP,层上看,IP,数据报的流动,48,第48页，共188页。,HA,1,HA,5,HA,4,HA,3,HA,6,主机 H,1,主机 H,2,路由器 R,1,硬件地址,路由器 R,2,HA,2,IP,1,IP,2,局域网,局域网,局域网,IP,1,HA,1,HA,5,HA,4,HA,3,HA,6,HA,2,IP,6,主机 H,1,主机 H,2,路由器 R,1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP,2,IP,4,IP,3,IP,5,路由器 R,2,IP,1,IP,2,IP,1,IP,2,IP,1,IP,2,从 HA,1,到 HA,3,从 HA,4,到 HA,5,从 HA,6,到 HA,2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,在链路上看,MAC,帧的流动,49,第49页，共188页。,IP,1,HA,1,HA,5,HA,4,HA,3,HA,6,HA,2,IP,6,主机 H,1,主机 H,2,路由器 R,1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP,2,IP,4,IP,3,IP,5,路由器 R,2,IP,1,IP,2,IP,1,IP,2,IP,1,IP,2,从 HA,1,到 HA,3,从 HA,4,到 HA,5,从 HA,6,到 HA,2,MAC 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 IP,1,IP,2,表示从源地址,IP,1,到目的地址 IP,2,两个路由器的 IP 地址并不出现在 IP 数据报的首部中,50,第50页，共188页。,4.2.4 地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP,IP 地址,物理地址,ARP,物理地址,IP 地址,RARP,51,第51页，共188页。,地址解析协议 ARP,不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，,最终,还是必须,使用硬件地址,。,每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，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,。,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。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。,52,第52页，共188页。,ARP 响应,A,Y,X,B,Z,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-18,08-00-2B-00-EE-0A,我是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15-AD-18,我想知道主机 209.0.0.6 的硬件地址,硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0A,A,Y,X,B,Z,00-00-C0-15-AD-18,53,第53页，共188页。,ARP 高速缓存的作用,为了减少网络上的通信量，主机 A 在发送其 ARP 请求分组时，就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组。,当主机 B 收到 A 的 ARP 请求分组时，就将主机 A 的这一地址映射写入主机 B 自己的 ARP 高速缓存中。这对主机 B 以后向 A 发送数据报时就更方便了。,54,第54页，共188页。,应当注意的问题,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。,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。剩下的工作就由下一个网络来做。,55,第55页，共188页。,应当注意的问题（续）,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。,只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信，ARP 协议就会自动地将该,IP,地址解析为链路层所需要的硬件地址。,56,第56页，共188页。,使用 ARP 的四种典型情况,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。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。,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。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。,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。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。,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。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。,57,第57页，共188页。,为什么我们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,不同的硬件地址,。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事。,连接到因特网的主机都拥有,统一的 IP 地址,，它们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，因为调用 ARP 来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程的。,58,第58页，共188页。,逆地址解析协议 RARP,逆地址解析协议 RARP 使只知道自己硬件地址的主机能够知道其 IP 地址。,这种主机往往是无盘工作站。因此 RARP协议目前已很少使用。,59,第59页，共188页。,4.2.5 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。,60,第60页，共188页。,固,定,部,分,20,字节,可变,部分,40字,节,0,4,8,16,19,24,31,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,首部长度,数 据 部 分,数 据 部 分,首 部,IP 数据报,首,部,发送在前,61,第61页，共188页。,IP数据报首部的固定部分的各字段,版本(4bit):,IP协议的版本,现在使用的是IP version4。,首部长度(4bit):,最大长度为60字节。若不是4字节的整数倍，用最后 一个填充字段填充。,区分,服务(8bit):,很少使用,总长度(16bit):,首部和数据之和的长度。最大长度为2,16,-1=65535字节,标识(16bit):,使分段后的各数据报片能准确重装。,标志(3bit):,(目前只有前两个比特有意义)。,最低位MF=1表示后面还有分片的数据报;,最低位MF=0表示数据报片中的最后一个;,中间位DF=0表示允许分片。,片偏移:,某个片在原分组中的相对位置。,生存时间,:数据报的生存时间或路由跳数,协议(8bit):,指出数据报携带的运输层数据使用的协议。,首部校验和:,只校验数据报的首部。,地址:,源站IP地址(4字节);目的站IP地址(4字节)。,可变部分:,即选项字段，支持排错、测量以及安全等措施。字段的长度1到40个字节不等，取决于所选项目(如记录路由，时戳等)。,62,第62页，共188页。,偏移=0/8=0,偏移=0/8,=0,偏移=1400/8=175,偏移=2800/8=350,1400,2800,3799,2799,1399,3799,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 3,1400,2800,字节 0,【例4-1】,IP 数据报分片,63,第63页，共188页。,运输层,网络层,首部,TCP,UDP,ICMP,IGMP,OSPF,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,64,第64页，共188页。,首,部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,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,首部长度,数 据 部 分,固,定,部,分,可变,部分,首部检验和(16 位)字段只检验数据报的首部,不检验数据部分。,这里不采用,CRC,检验码而采用简单的计算方法。,区 分 服 务,65,第65页，共188页。,2.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。,66,第66页，共188页。,4.2.6 IP 层转发分组的流程,有四个 A 类网络通过三个路由器连接在一起。每一个网络上都可能有成千上万个主机。,可以想像，若按目的主机号来制作路由表，则所得出的路由表就会过于庞大。,但若按主机所在的,网络地址,来制作路由表，那么每一个路由器中的路由表就只包含 4 个项目。这样就可使路由表大大简化。,67,第67页，共188页。,直接交付和间接交付,间接交付,间接交付,间接交付,A,B,C,直接交付,直接交付,直接交付不需要使用路由器,但间接交付就必须使用路由器,68,第68页，共188页。,网,1,网,4,网,3,网,2,目的主机所在的网络,下一跳地址,直接交付，接口 1,直接交付，接口 0,路由器 R,2,的路由表,链路,4,链路,3,链路,2,链路,1,R,2,R,3,R,1,0,1,R,2,R,3,R,1,在路由表中，对每一条路由，最主要的是,（目的网络地址，下一跳地址）,69,第69页，共188页。,查找路由表,根据目的网络地址就能确定下一跳路由器，这样做的结果是：,IP 数据报最终一定可以找到目的主机所在目的网络上的路由器（可能要通过多次的间接交付）。,只有到达最后一个路由器时，才试图向目的主机进行直接交付。,70,第70页，共188页。,在路由表中使用默认路由(default route),1,2,4,3,目的站 下一跳,1,直接,2 3,3 3,4 3,结点,1,的转发表,这三个项目的“下一跳”都是转发到“3”（结点 3）。,可以合并,以结点,1,和结点,2,中的转发表为例来讨论,71,第71页，共188页。,在路由表中使用默认路由,1,2,4,3,目的站 下一跳,1,直接,默认 3,结点 1 的转发表,默认路由,72,第72页，共188页。,在路由表中使用默认路由,1,2,4,3,目的站 下一跳,1 3,2,直接,3 3,4 4,结点 2 的转发表,这两个项目的“下一跳”都是转发到“3”（结点 3）。,可以合并,73,第73页，共188页。,在路由表中使用默认路由,1,2,4,3,目的站 下一跳,2,直接,4 4,默认 3,结点 2 的转发表,默认路由,使用默认路由使转发表更加简洁，可减少查找转发表的时间。,74,第74页，共188页。,必须强调指出,IP,数据报的首部中没有地方可以用来指明“,下一跳,路由器的 IP 地址”。,当路由器收到待转发的数据报，不是将下一跳路由器的,IP,地址填入 IP 数据报，而是送交下层的,网络接口软件,。,网络接口软件,使用,ARP,负责将下一跳路由器的,IP,地址转换成硬件地址,，并将此硬件地址放在链路层的,MAC,帧的首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。,75,第75页，共188页。,4.3 划分子网和构造超网,4.3.1 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。例如,对于许多大型网络（如A类），本地IP地址空间可以多得难以管理。,IP 地址空间的利用率有时很低。,给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。,两级的 IP 地址不够灵活。,76,第76页，共188页。,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,77,第77页，共188页。,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,若干个位作为,子网号,subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位。,IP地址:=,(4-2),划分子网的基本思路,78,第78页，共188页。,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 数据报直接交付目的主机。,划分子网的基本思路（续）,79,第79页，共188页。,所有到网络 145.13.0.0的分组均到达此路由器,我的网络地址,R,1,R,3,R,2,网络,145.13.0.0,80,第80页，共188页。,划分为三个子网后对外仍是一个网络,子网,的分组均到达,此路由器,网络,R,1,R,3,R,2,81,第81页，共188页。,划分子网后变成了三级结构,当没有划分子网时，IP 地址是两级结构。,IP地址的层次：,IP地址=网络号+主机号,划分子网后 IP 地址就变成了,三级结构,。,划分子网只是把 IP 地址的主机号 host-id 这部分进行再划分，而不改变 IP 地址原来的网络号 net-id。,类标志,网络地址,子网地址,主机地址,Class Flags,Network address,Subnetwork address,host Address,82,第82页，共188页。,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划分。,使用,子网掩码,(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分。,2.子网掩码,83,第83页，共188页。,IP 地址的各字段和子网掩码,145,.,13,.,3,.,10,两级 IP 地址,子网号为 3 的网络的网络号,三级 IP 地址,主机号,子网掩码,net-id,host-id,子网的,网络地址,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0,0,net-id,subnet-id,host-id,145,.,13,.,145,.,13,.,3,3,.,10,84,第84页，共188页。,(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-id,host-id,subnet-id,子网号,子网掩码,子网的,网络地址,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0,net-id,subnet-id,0,逐位进行 AND 运算,85,第85页，共188页。,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,1 1 1 1 1 1 1 1,0