资源描述
课题名称：路由器基础知识（二）
课的类型：授新课
教学目标：了解TCP/IP协议，理解IP地址及其分类，掌握子网的划分。
教学重点：IP地址分类，子网划分
教学难点：IP协议，子网划分
课时安排：2课时
教学方法：多媒体原理分析、讲授
教学过程：
一、 回顾和导入
（一）回顾上节课内容
1.OSI参考模型
2.局域网组网知识
（二）TCP/IP模型
TCP/IP分层
协议
OSI 分层
应用层
FTP
SMTP
Telnet
DNS
SNMP
7
传输层
TCP
UDP
4
网络层
IP ICMP (RIP OSPF)
3
ARP RARP
链路层
Ethernet
Token
Bus
Token
Ring
FDDI
WLAN
2
1
二、 TCP/IP协议
TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的简写，中文译名为传输控制协议/互联网络协议）协议是Internet最基本的协议，简单地说，就是由底层的IP协议和TCP协议组成的。TCP/IP协议的开发工作始于70年代，是用于互联网的第一套协议。
1. IP协议
IP协议是TCP/IP协议族中最为核心的协议。它提供不可靠、无连接的服务，也即依赖其他层的协议进行差错控制。在局域网环境，IP协议往往被封装在以太网帧中传送。而所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP数据都被封装在IP数据报中传送。如图所示：
IP头格式：
●版本（Version）字段：占4比特。用来表明IP协议实现的版本号，当前一般为IPv4，即0100。
●报头长度（Internet Header Length，IHL）字段：占4比特。是头部占32比特的数字，包括可选项。普通IP数据报（没有任何选项），该字段的值是5，即160比特=20字节。此字段最大值为60字节。
●服务类型（Type of Service ，TOS）字段：占8比特。其中前3比特为优先权子字段（Precedence，现已被忽略）。第8比特保留未用。第4至第7比特分别代表延迟、吞吐量、可靠性和花费。当它们取值为1时分别代表要求最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。这4比特的服务类型中只能置其中1比特为1。可以全为0，若全为0则表示一般服务。服务类型字段声明了数据报被网络系统传输时可以被怎样处理。例如：TELNET协议可能要求有最小的延迟，FTP协议（数据）可能要求有最大吞吐量，SNMP协议可能要求有最高可靠性，NNTP（Network News Transfer Protocol，网络新闻传输协议）可能要求最小费用，而ICMP协议可能无特殊要求（4比特全为0）。实际上，大部分主机会忽略这个字段，但一些动态路由协议如OSPF（Open Shortest Path First Protocol）、IS-IS（Intermediate System to Intermediate System Protocol）可以根据这些字段的值进行路由决策。
●总长度字段：占16比特。指明整个数据报的长度（以字节为单位）。最大长度为65535字节。
●标志字段：占16比特。用来唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发一份报文，它的值会加1。
●标志位字段：占3比特。标志一份数据报是否要求分段。
●段偏移字段：占13比特。如果一份数据报要求分段的话，此字段指明该段偏移距原始数据报开始的位置。
●生存期（TTL：Time to Live）字段：占8比特。用来设置数据报最多可以经过的路由器数。由发送数据的源主机设置，通常为32、64、128等。每经过一个路由器，其值减1，直到0时该数据报被丢弃。
●协议字段：占8比特。指明IP层所封装的上层协议类型，如ICMP（1）、IGMP（2） 、TCP（6）、UDP（17）等。
●头部校验和字段：占16比特。内容是根据IP头部计算得到的校验和码。计算方法是：对头部中每个16比特进行二进制反码求和。（和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不对头部后的数据进行校验）。
●源IP地址、目标IP地址字段：各占32比特。用来标明发送IP数据报文的源主机地址和接收IP报文的目标主机地址。
可选项字段：占32比特。用来定义一些任选项：如记录路径、时间戳等。这些选项很少被使用，同时并不是所有主机和路由器都支持这些选项。可选项字段的长度必须是32比特的整数倍，如果不足，必须填充0以达到此长度要求。
2.TCP协议
TCP是一种可靠的、面向连接的字节流服务。源主机在传送数据前需要先和目标主机建立连接。然后，在此连接上，被编号的数据段按序收发。同时，要求对每个数据段进行确认，保证了可靠性。如果在指定的时间内没有收到目标主机对所发数据段的确认，源主机将再次发送该数据段。
TCP头部结构：
●源、目标端口号字段：占16比特。TCP协议通过使用"端口"来标识源端和目标端的应用进程。端口号可以使用0到65535之间的任何数字。在收到服务请求时，操作系统动态地为客户端的应用程序分配端口号。在服务器端，每种服务在"众所周知的端口"（Well-Know Port）为用户提供服务。
●顺序号字段：占32比特。用来标识从TCP源端向TCP目标端发送的数据字节流，它表示在这个报文段中的第一个数据字节。
●确认号字段：占32比特。只有ACK标志为1时，确认号字段才有效。它包含目标端所期望收到源端的下一个数据字节。
●头部长度字段：占4比特。给出头部占32比特的数目。没有任何选项字段的TCP头部长度为20字节；最多可以有60字节的TCP头部。
●标志位字段（U、A、P、R、S、F）：占6比特。各比特的含义如下：
◆URG：紧急指针（urgent pointer）有效。
◆ACK：确认序号有效。
◆PSH：接收方应该尽快将这个报文段交给应用层。
◆RST：重建连接。
◆SYN：发起一个连接。
◆FIN：释放一个连接。
●窗口大小字段：占16比特。此字段用来进行流量控制。单位为字节数，这个值是本机期望一次接收的字节数。
●TCP校验和字段：占16比特。对整个TCP报文段，即TCP头部和TCP数据进行校验和计算，并由目标端进行验证。
●紧急指针字段：占16比特。它是一个偏移量，和序号字段中的值相加表示紧急数据最后一个字节的序号。
●选项字段：占32比特。可能包括"窗口扩大因子"、"时间戳"等选项。
常见的一些协议和它们对应的服务端口号。
三、 IP地址及分类
在Internet上连接的所有计算机，从大型机到微型计算机都是以独立的身份出现，我们称它为主机。为了实现各主机间的通信，每台主机都必须有一个唯一的网络地址。就好像每一个住宅都有唯一的门牌一样，才不至于在传输数据时出现混乱。Internet的网络地址是指连入Internet网络的计算机的地址编号。所以，在Internet网络中，网络地址唯一地标识一台计算机。我们都已经知道，Internet是由几千万台计算机互相连接而成的。而我们要确认网络上的每一台计算机，靠的就是能唯一标识该计算机的网络地址，这个地址就叫做IP（InternetProtocol的简写）地址，即用Internet协议语言表示的地址。目前，在Internet里，IP地址是一个32位的二进制地址，为了便于记忆，将它们分为4组，每组8位，由小数点分开，用四个字节来表示，而且，用点分开的每个字节的数值范围是0~255，如202.116.0.1，这种书写方法叫做点数表示法。IP地址可确认网络中的任何一个网络和计算机，而要识别其他网络或其中的计算机，则是根据这些IP地址的分类来确定的。一般将IP地址按节点计算机所在网络规模的大小分为A，B，C三类，默认的网络掩码是根据IP地址中的第一个字段确定的。
1.A类地址
A类地址的表示范围为：0.0.0.0~126.255.255.255，默认网络掩码为：255.0.0.0；A类地址分配给规模特别大的网络使用。A类网络用第一组数字表示网络本身的地址，后面三组数字作为连接于网络上的主机的地址。分配给具有大量主机（直接个人用户）而局域网络个数较少的大型网络。例如IBM公司的网络。
2.B类地址
B类地址的表示范围为：128.0.0.0~191.255.255.255，默认网络掩码为：255.255.0.0；B类地址分配给一般的中型网络。B类网络用第一、二组数字表示网络的地址，后面两组数字代表网络上的主机地址。
3.C类地址
C类地址的表示范围为：192.0.0.0~223.255.255.255，默认网络掩码为：255.255.255.0；C类地址分配给小型网络，如一般的局域网和校园网，它可连接的主机数量是最少的，采用把所属的用户分为若干的网段进行管理。C类网络用前三组数字表示网络的地址，最后一组数字作为网络上的主机地址。
实际上，还存在着D类地址和E类地址。但这两类地址用途比较特殊，在这里只是简单介绍一下：D类地址称为广播地址，供特殊协议向选定的节点发送信息时用。E类地址保留给将来使用。连接到Internet上的每台计算机，不论其IP地址属于哪类都与网络中的其他计算机处于平等地位，因为只有IP地址才是区别计算机的唯一标识。所以，以上IP地址的分类只适用于网络分类。在Internet中，一台计算机可以有一个或多个IP地址，就像一个人可以有多个通信地址一样，但两台或多台计算机却不能共用一个IP地址。如果有两台计算机的IP地址相同，则会引起异常现象，无论哪台计算机都将无法正常工作。
顺便提一下几类特殊的IP地址：
1） 广播地址目的端为给定网络上的所有主机，一般主机段为全0
2） 单播地址目的端为指定网络上的单个主机地址
3） 组播地址目的端为同一组内的所有主机地址
4） 环回地址127.0.0.1在环回测试和广播测试时会使用
四、 子网的划分
若公司不上Internet,那一定不会烦恼IPAddress的问题,因为可以任意使用所有的IPAddress,不管是AClass或是BClass,这个时候不会想到要用SubNet,但若是上Internet那IPAddress便弥足珍贵了,目前全球一阵Internet热,IPAddress已经愈来愈少了,而所申请的IPAddress目前也趋保守,而且只有经申请的IPAddress能在Internet使用,但对某些公司只能申请到一个CCLass的IPAddress,但又有多个点需要使用,那这时便需要使用到Subnet,这就需要考虑子网的划分，下面简介Subnet的原理及如何规划。
1. Subnet Mask的介绍
设定任何网路上的任何设备不管是主机、PC、Router等皆需要设定IPAddress,而跟随着IPAddress的是所谓的NetMask,这个NetMask主要的目的是由IPAddress中也能获得NetworkNumber,也就是说IPAddress和NetMask作AND而得到NetworkNumber,如下所示：
IPAddress
192.10.10.6 11000000.0001010.00001010.00000110
NetMask
255.255.255.0 11111111.11111111.11111111.00000000
AND
-------------------------------------------------------------------
NetworkNumber
192.10.10.0 11000000.00001010.00001010.00000000
NetMask有所谓的预设值,如下所示
ClassIPAddress范围NetMask
A 1.0.0.0-126.255.255.255 255.0.0.0
B 128.0.0.0-191.255.255.255 255.255.0.0
C 192.0.0.0-223.255.255.255 255.255.255.0
在预设的NetMask都只有255的值,在谈到SubnetMask时这个值便不一定是255了。在完整一组CClass中如203.67.10.0-203.67.10.255NetMask255.255.255.0,203.67.10.0称之NetworkNumber(将IPAddress和Netmask作AND),而203.67.10.255是Broadcast的IPAddress,所以这两者皆不能使用,实际只能使用203.67.10.1--203.67.10.254等254个IPAddress,这是以255.255.255.0作NetMask的结果,而所谓SubnetMsk尚可将整组CClass分成数组NetworkNumber,这要在NEtMask作手脚,若是要将整组CCLass分成2个NetworkNumber那NetMask设定为255.255.255.192,若是要将整组CCLass分成8组NetworkNumber则NetMask要为255.255.255.224,这是怎麽来的,由以上知道NetworkNumber是由IPAddress和NetMask作AND而来的,而且将NetMask以二进位表示法知道是1的会保留,而为0的去掉
192.10.10.193--11000000.00001010.00001010.11000001
255.255.255.0--11111111.11111111.11111111.00000000
--------------------------------------------------------------
192.10.10.0--11000000.00001010.00001010.00000000
以上是以255.255.255.0为NetMask的结果,NetworkNumber是192.10.10.0,若是使用255.255.255.224作NetMask结果便有所不同
192.10.10.193--11000000.00001010.00001010.10000000
255.255.255.224--11111111.11111111.11111111.11100000
--------------------------------------------------------------
192.10.10.192--11000000.00001010.00001010.10000000
此时NetworkNumber变成了192.10.10.192,这便是Subnet。那要如何决定所使用的NetMask,255.255.255.224以二进位表示法为11111111.11111111.11111111.11100000,变化是在最後一组,11100000便是224,以三个Bit可表示2的3次方便是8个NetworkNumber
NetMask二进位表示法可分几个Network
255.255.255.0
11111111.11111111.11111111.00000000 1
255.255.255.128
11111111.11111111.11111111.10000000 2
255.255.255.192
11111111.11111111.11111111.11000000 4
255.255.255.224
11111111.11111111.11111111.11100000 8
255.255.255.240
11111111.11111111.11111111.11110000 16
255.255.255.248
11111111.11111111.11111111.11111000 32
255.255.255.252
11111111.11111111.11111111.11111100 64
以下使用255.255.255.224将C Class203.67.10.0分成8组NetworkNumber,各个NetworkNumber及其BroadcastIPAddress及可使用之IPAddress序号NetworkNumberBroadcast可使用之IPAddress
（1）203.67.10.0--203.67.10.31
203.67.10.1--203.67.10.30
（2）203.67.10.32--203.67.10.63
203.67.10.33--203.67.10.62
（3）203.67.10.64--203.67.10.95
203.67.10.65--203.67.10.94
（4）203.67.10.96--203.67.10.127
203.67.10.97--203.67.10.126
（5）203.67.10.128--203.67.10.159
203.67.10.129--203.67.10.158
（6）203.67.10.160--203.67.10.191
203.67.10.161--203.67.10.190
（7）203.67.10.192--203.67.10.223
203.67.10.193--203.67.10.222
（8）203.67.10.224--203.67.10.255
203.67.10.225--203.67.10.254
可验证所使用的IPAddress是否如上表所示
203.67.10.115--11001011.01000011.00001010.01110011
255.255.255.224--11111111.11111111.11111111.11100000
--------------------------------------------------------------
203.67.10.96--11001011.01000011.00001010.01100000
203.67.10.55--11001011.01000011.00001010.00110111
255.255.255.224--11111111.11111111.11111111.11100000
--------------------------------------------------------------
203.67.10.32--11001011.01000011.00001010.00100000
其他的NetMask所分成的NetworkNumber可自行以上述方法自行推演出来。
2. Subnet的应用
使用Subnet是要解决只有一组CClass但需要数个NetworkNumber的问题,并不是解决IPAddress不够用的问题,因为使用Subnet反而能使用的IPAddress会变少,Subnet通常是使用在跨地域的网络互联之中,两者之间使用Router连线,同时也上Internet,但只申请到一组CClassIPAddress,过Router又需不同的Network,所以此时就必须使用到Subnet,当然二网络间也可以RemoteBridge连接,那便没有使用Subnet的问题。
课堂总结：
本次课主要讲解路由器的路由机制，介绍了路由器在处理数据包的过程当中具体的操作原理，要求大家理解掌握路由协议和算法等相关内容，为今后学习掌握静态或动态路由配置打下坚实理论基础。
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