第4章_网络层与IP协议.ppt

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,*,第4章 网络层与,IP,协议,4.1 网络层,4.2,IP,协议,4.3 使用,IP,协议进行网络互联,4.1 网络层,一、,面向连接的服务,和,面向无连接的服务,面向连接的服务,是指在数据传输之前，必须先建立连接，当数据传输结束后，就终止这个连接。它具有连接建立、数据传输和连接拆除三个阶段。,面向无连接的服务,是指通信之前不需要建立连接可以直接向网络发送分组。每个分组都携带目的地址信息，以便在网络中独立选择路由。,二、数据报服务,在数据报方式中，,每个分组被称为一个数据报,。网络随时都可以接受主机发送的数据报。每个数据报自身携带有足够的信息，,网络为每个数据报独立地选择路由,。,数据报服务只是尽最大可能将数据交付给目的主机,，并不能保证：,1、数据报不丢失；,2、数据报按序交给目的主机；,3、数据报不重复，不损坏；,4、在某个时限内交给目的主机。,因此，数据报服务是不可靠的。,三、虚电路服务,在虚电路方式中，在数据传输之前，网络的源主机和目的主机之间先要建立一条逻辑通道。,每个分组包含了虚电路标识符，在虚电路所经过的各个结点都知道把这些分组转发到哪，不再进行路由选择。,但要注意虚电路方式和电路交换方式不同：,电路交换方式中数据传输过程始终占用通信信道。而,虚电路采用,存储转发,方式,，对通信线路逐段加以占用，实际并没有端到端的占用线路，所以称为虚电路。,四、两种服务的特点,虚电路服务的本质是由通信子网提供无差错的数据传输以及流量控制。它的结点交换机复杂而昂贵。,数据报服务的本质是由用户终端中的软件来保证可靠的通信，而对网络只要求提供尽最大努力的服务。,五、网络互联,互联的网络集合就称为互联网(,internet)。,一般就是通过,WAN,连接起来的,LAN,集合。,与此相反的是，,Internet(,大写的,I，,译为“因特网”)是指特定的世界范围的互联网。,网络互联的目标是在异构网络间实现通信。为此，要给每一台计算机分配一个地址。,六、网络互联设备,路由器,：工作在网络层，它根据网络层地址(如,IP,地址)将信息从一个网络转发到另一个网络，其主要功能：,路由选择和信息转发,。,路由器进行路由选择时，首先要根据路由算法形成一张路由表，路由表通常至少要包含两个重要部分：,目的地址和下一站的地址,。当路由器收到分组时，根据分组中的目的地址通过查找路由表的相应项从而确定将分组从哪个端口发送出去。,最佳路径的选择,!,4.2,IP,协议,Internet,中使用的是,TCP/IP,协议。其中网际协议,IP,是用于互联计算机网络而进行通信的协议，因此这一层也称为,IP,层。,在这一层中还有三个协议与,IP,协议配套使用。,地址解析协议,ARP,；,逆地址解析协议,RARP,；,Internet,控制报文协议,ICMP,；,ARP,协议和,RARP,协议处于,IP,协议的下层，被,IP,协议调用；,ICMP,协议处于,IP,协议的上层，它要使用,IP,协议。,一、,IP,地址及子网掩码,1、,IP,地址,IP,地址是一个与底层物理地址无关的，整网统一的32,位的,编址方案，即,IP,层的地址。,Internet,指导委员会,IAB,为,IP,地址定义了五种类型，分别适应不同规模的网络。,每个,IP,地址都由网络号和主机号组成,，但标号的长度不同，因此各类,IP,地址其可能容纳的网络数目及每个网络可能容纳的主机数目区别很大。,TCP/IP,地址,NETWORK,HOST,32 Bits,135,135,100,1,.,.,.,8 Bits,1 Byte,8 Bits,1 Byte,8 Bits,1 Byte,8 Bits,1 Byte,一个,IP,地址用,0255,之内的,4,个十进制数表示，国际通行一种点分十进制表示法。如：,135.135.100.1,每一个十进制数代表,32,位地址的其中,8,位,称为八位位组,每个,IP,地址都由两部分组成：网络号和主机号,IP,地址的结构,IP,网络：,135.135.0.0,节点,A,：,100.1,135,135,100,1,网络地址,节点地址,IP,地址：,IP,地址：,四个字节组成，如,135.135.100.1,由网络号和节点号组成,首字节决定网络类型,R,IP,地址类,IP,寻址标准最初并没有提供地址类，为了便于管理，,IP,地址分为五类，其中,A,、,B,、,C,三类是基本类型。,A,类地址：网络号占前8位，且第一位为0，其取值范围为1到126之间；后24位表示主机号。其有效范围为：1.0.0.1-126.255.255.254,B,类地址：网络号占前16位，其前两位为10，其取值范围为128191。主机号占后16位。其有效范围为：128.0.0.1191.255.255.254,C,类地址：网络号占前24位，其前三位为110，其取值范围为1922,23,。后8位表示主机号，其有效范围为：192.0.0.1-22,3.255.255.254,0,IP,地址类,0,10,110,1110,1111,8,16,24,网络部分,主机部分,网络部分,主机部分,网络部分,主机部分,多播部分,实验目的,A,B,C,D,E,0 127(1126),128 191,192 223,224 239,240 255(240254),31,A,类分配给拥有大量主机的网络,B,类给中等大小的网络,C,类用于小型的局域网,E,类保留作为将来的使用,D,分配给多目传送的组,基本,IP,地址类,A,类地址的最高位为“,0”,，其后,7,位是网络标识，它用于少数主机数量众多的大型网络，主机数可以达,2,24,（,16M,）,B,类地址的最高,2,位为“,10”,，其后,14,位为网络标识，它用于中等规模的网络，每个网络主机数在,2,8,（,256,）至,2,16,（,65536,）,之间；,C,类地址的最高位为“,110”,，其后,21,位为网络标识，它用于小型网络，每个网络的主机数只能少于,2,8,（,256,）,。,特殊的,IP,地址：,1、广播地址,广播地址分为两种：直接广播地址和本地网广播地址。,在一个特定子网中，主机地址部分为全“1”的地址称为直接广播地址。,而32个比特全为“1”的,IP,地址，它被称为本地网广播地址或有限广播地址，该地址被用做在本网络内部广播。广播地址不能作为某台具体主机的地址，只能作为,IP,数据报的目的地址，表示该数据报的一组接收者。,2、“零”地址,按照规定，主机号“0”从来不分配给任何一个单个的主机，而用这种主机号为零的,IP,地址来代表该网络本身。例如，202.112.7.0表示一个,C,类网络的本身。,而网络号为“0”的,IP,地址指的是本网络上的某台主机。,另外，特殊地址,“0.0.0.0”代表本主机地址,。网络上任何主机都可以用它来表示自己。,3、回送地址,任何一个以数字127开头的,IP,地址都叫做回送地址，它是一个保留地址，最常见的表示形式为,127.0.0.1,。,使用,回送地址,的用途是，可以实现对本机网络协议的测试或实现本地进程间的通信。,4、私有地址,私有,IP,地址不能直接连接,Internet，,可以供任何单位内部专用网络使用。私有地址可以用来解决所申请,IP,地址数目不够等问题。,这三个地址范围为：,10.0.0.0-10.255.255.254,172.16.0.0-172.31.255.254,192.168.0.0-192.168.255.254,IP,地址的特点：,1、,IP,地址不反映任何有关主机位置的地理信息；,2、当一个主机接到两个网络上时，该主机必须同时具有两个,IP,地址，其网络号不同。,3、,IP,地址不仅仅标识一个主机还标明了是哪一个网络。,4、用网桥或中继器连接的若干个局域网仍为一个网络，有同样的网络号。,对于一个没有经过子网划分的传统,C,类网络来说，允许安装多少台主机？,A,、,1024,B,、,65025,C,、,254,D,、,16,E,、,48,多选,:IP,地址中网络号的作用有（）,A,、,指定了主机所属的网络,B,、,指定了网络上主机的标识,C,、,指定了设备能够进行通信的网络,D,、,指定被寻址的网中的某个节点,2、子网和子网掩码,使用,A,类地址或,B,类、,C,类地址的单位可以把他们的网络划分成几个部分，称为子网。每个子网对应一个部门或一个地理范围等。,一个网络被划分为若干个子网之后，就存在一个识别子网的问题。子网的识别采用子网掩码技术。,子网掩码也是一个32位的数字，也采用点分十进制其制定规则为：所有的1表示,IP,地址中的网络号和子网号，所有的0表示,IP,地址中的主机号。,假设一个,B,类地址172.16.0.0，要再划分为62个子网，则子网号字段要有6位。所以子网掩码为255.255.252.0。这时第一个子网的,IP,地址为172.16.4.1172.16.7.254,将子网掩码和,IP,地址进行“与”运算，得到该,IP,地址的网络号或子网号；将子网掩码的反码和,IP,地址进行“与”运算，得到该,IP,地址的主机号。,所以，子网掩码能够表示,IP,地址中的主机号是如何被划分成子网地址和主机号的。,子网掩码的重要性,IP,地址在没有相关的子网掩码的情况下是不能存在的,子网掩码定义了构成,IP,地址的,32,位中的,多少位,用于定义网络，或者,网络,及其,相关子网,。,缺省的子网掩码,0,网络部分,主机部分,A,10,110,网络部分,主机部分,网络部分,主机部分,B,C,11111111,00000000,00000000,00000000,11111111,11111111,00000000,00000000,11111111,11111111,11111111,00000000,255.0.0.0,255.255.0.0,255.255.255.0,缺省掩码,IP,地址的每一类都具有默认的子网掩码，它定义了每个地址类别中，,IP,地址的多少位用于表示没有子网的网络地址,以下为,A,、,B,、,C,类网络缺省的子网掩码,第,4,字节,第,3,字节,第,2,字节,第,1,字节,字节,/IP,地址,0,0,135,135,结果,（所在网段,）,00000000,00000000,10000111,10000111,按位求与,and,00000000,00000000,11111111,11111111,255.255.0.0,00000001,01100100,10000111,10000111,135.135.100.1,划分子网的目的和优势,目的,标准网络地址分配不灵活、造成一定地,址空间的浪费；为了充分利用网络地址,优势,进行网络分段，隔离网络广播,易于管理,提高网络安全性,划分子网,在默认子网掩码中加入位,如果我们希望在一个网络中建立子网，通过借用主机地址位，在默认的子网掩码中加入一些位，减少了用于主机地址的位数，加入到掩码中的位数决定决定了我们可以配置的子网,在一个划分了子网的网络中，每个地址包含一个网络部分、一个子网部分和一个主机部分,110,网络部分,网络号,+,子网号,+,主机号,11111111,11111111,11111111,111 00000,255.255.255.224,3,位的,C,类子网掩码,IP,地址：,135.135.100.1,借用,3,位的子网掩码如下：,子网划分步骤,一、需求子网数,二、选择子网掩码,三、计算主机数,四、计算每个子网的网络号,五、每个子网的广播地址,一、需求子网数,假设,ABC,公司已被分配,135.135.100.1,的注册的,IP,地址，但需要,6,个不同的网络，网络管理员必须创建,6,个子网,子网,1,子网,4,子网,2,子网,5,子网,3,子网,6,ABC,公司,135.135.100.1,一、需求子网数,借用,3,位主机位数，确定它的子网数。,有效子网数,N=2,n,2,（,n=3,为借用主机子网位数）,网络号,网络号,11111111,11111111,11100000,00000000,子网掩码：,主机号,主机号,135,135,100,1,255,255,224,0,IP,地址：,借用,3,位,二、计算子网掩码,借用,3,位主机位数，确定它的子网掩码，将所借位置,1,网络号,网络号,11111111,11111111,11100000,00000000,子网掩码：,主机号,主机号,135,135,100,1,255,255,224,0,IP,地址：,借用,3,位,三、计算可用主机数,有效子网数,H=2,n,2,（,n,为用于主机的位数）,借用,3,位主机位数，确定它的主机数,H=2,13,2=8190,网络号,网络号,11111111,11111111,11100000,00000000,子网掩码：,主机号,主机号,135,135,100,1,255,255,224,0,IP,地址：,剩余,13,位,注释,子网地址,子网值,子网位形式,135.135.192.0,192,110,135.135.96.0,96,011,135.135.128.0,128,100,135.135.160.0,160,101,保留,135.135.224.0,224,111,135.135.64.0,64,010,135.135.32.0,32,001,保留,135.135.0.0,0,000,四、计算每个子网的网络号,该子网的广播地址,子网地址,子网值,子网位形式,135.135.223.255,135.135.192.0,192,110,135.135.127.255,135.135.96.0,96,011,135.135.159.255,135.135.128.0,128,100,135.135.191.255,135.135.160.0,160,101,保留,135.135.224.0,224,111,135.135.95.255,135.135.64.0,64,010,135.135.63.255,135.135.32.0,32,001,保留,135.135.0.0,0,000,五、计算每个子网的广播地址（主机位置,1,）,确定子网地址范围,确定值的原则,例子,功能,下一个子网地址,-1,135.135.63.255,子网的广播地址,下一个较高的子网地址,135.135.64.0,下一个子网地址,下一个子网地址,-2,135.135.63.254,最后一个主机地址,比子网,ID,高,1,位,135.135.32.1,第一个主机地址,第,1,个可用的子网地址,135.135.32.0,第一个子网地址,如何判定子网地址,按位求与：,如带有子网掩码,255.255.224.0,的,IP,地址,135.135.100.1,属于哪一网段,?,第,4,字节,第,3,字节,第,2,字节,第,1,字节,字节,/IP,地址,0,96,135,135,结果,（所属子网,）,00000000,01100000,10000111,10000111,按位求与,and,00000000,11100000,11111111,11111111,255.255.224.0,00000001,01100100,10000111,10000111,135.135.100.1,实现超网必须要求被合并的,C,类地址有相同的高位，也就是说被合并的必须是一些连续的地址。,如下八个连续的,C,类地址就可以合并：,192.168.168.0-192.168.175.0,这时就可以用子网掩码255.255.248.0将这些地址合并。,超网的目的,:,超网用于,结合多个,C,类地址,，而路由器认为在同一网段,超网掩码用,网络地址,位作为主机地址的一部分，使用超网子网掩码的位数比缺省的减少，以便增加有效的主机数,复杂子网,超网,给您分配一个,B,类,IP,网络,172.17.0.0,，子网掩码,255.255.255.192,则您可以利用的网络数为（），每个网段最大主机数（）,A,、,512126,B,、,1022 62,C,、,1024 62,D,、,256254,E,、,192254,某公司申请到一个,C,类,IP,地址，需要分配给,8,个子公司，最好的子网掩码设应为（）,A,、,255.255.255.0,B,、,255.255.255.128,C,、,255.255.255.240,D,、,255.255.255.224,有一个公司有,6,个部门，分别是经理室、财务处、广告部、人事处、研发部、公用网络，最多的部门有,30,台计算机，现有,IP,地址段,172.16.0.0,，请根据需要划分出子网、计算子网号、子网掩码以及每个子网的范围。,二、地址转换协议,(ARP,RARP),数据报在网络中传送时使用的是,IP,地址。但在通过物理硬件传送数据帧时却使用的是硬件地址，硬件是看不懂,IP,地址的。因此要进行地址的转换。,将一台计算机的,IP,地址转换成等价的硬件地址的过程就是由地址解析协议,ARP,来完成的。,相反过程的地址转换由逆地址解析协议,RARP,协议来完成。,地址解析是一个网络内的局部过程，也就是说两台计算机必须连接在,同一个物理网络中,，一台计算机才能够解析另一台计算机的硬件地址。,ARP,协议,也是通过查找地址转换表来确定硬件地址的。如果表中没有对应的选项则主机,A,会发送一个,ARP,请求，将,B,的,IP,地址广播给每台计算机。,B,在收到请求后把自己的硬件地址做为响应回送给,A。,运行逆地址解析需要有一个,RARP,服务器,。由服务器来接收无盘工作站的请求，也是通过查找映射表来将其的,IP,地址发回给无盘工作站。,ARP,协议,32,位的,IP,地址,48,位的,MAC,地址,ARP,提供从,Internet,地址到物理地址的解析,子网内的,ARP,解析,1.1.1.11.1.1.2,IP:1.1.1.2=?,我需要知道,1.1.1.2,的物理地址,.,子网内的,ARP,解析,1.1.1.1,1.1.1.2,IP:1.1.1.2=?,我知道你的请求，这是我的物理地址,我需要知道,1.1.1.2,的物理地址,.,子网内的,ARP,解析,1.1.1.1,IP:1.1.1.2,Ethernet:00E0.FC12.3456,1.1.1.2,IP:1.1.1.2=?,我知道你的请求，这是我的物理地址,我需要知道,1.1.1.2,的物理地址,.,子网间,ARP,解析,RARP,协议,Ethernet:0800.0020.1111 IP=?,我的地址是多少？,RARP协议,Ethernet:0800.0020.1111 IP=?,我的地址是多少？,我听到了广播你的地址是,172.16.3.25.,RARP,协议,Ethernet:0800.0020.1111,IP:172.16.3.25,Ethernet:0800.0020.1111 IP=?,我的地址是多少？,我听到了广播你的地址是,172.16.3.25.,RARP,协议,Ethernet:00E0.FC12.3456,IP:1.1.1.1,Ethernet:00E0.FC12.3456,IP=?,我的地址是多少？,我听到了广播你的地址是,1.1.1.1,实现物理地址到逻辑地址的映射,20BytesIP,数据报的格式,Version(4),Destination IP Address(32),Options(0 or 32 if any),Data(varies if any),1,Bit 0,Bit 15,Bit 16,Bit 31,HeaderLength(4),Priority&Type of Service(8),Total,Length(16),Identification(16),Flags(3),Fragment offset(13),Time to live(8),Protocol(8),Header,checksum,(16),Source IP Address(32),版本号：指每个数据报都有确定的,IP,协议的版本，若版本号不同可能进行转换，目前流行的版本号是4。,报头长度：指示报头的长度占4位，其最小值为5，表示报头只有5个32位长无选择项，最大值为15，则说明还有40字节的选择项，即报头的最大长度为60字节。,数据报长度：占16位，表示报头与数据的总长，即最长为65535字节。,IP,数据报长度的确定，受物理网络的限制，对大型数据报，,IP,层还需将其分片传输，每片中都由报头和数据片组成（小的数据报）。,三、,IP,数据报的格式,生存时间（,TTL）：,用来确定数据报在网中传输最多可用多少秒，其作用是避免因网中出现环路而无限延迟，其取值最大为255随着数据报的传输，此值不断减少，以秒为单位。当减少到0时，将丢弃此数据报。,协议,：占1字节，用来指示传输协议类型，如“6”代表,TCP,协议，“7”代表,UDP,协议等等。,报头校验和,：占16位，用来确保数据报头的无差错传输。,源,IP,地址和目标,IP,地址,四、,ICMP,协议,ICMP,协议,通常用于由路由问题而引起的差错报告和控制，它能由出错点向发送点发送出错报文或控制报文,ICMP,实际上是,IP,协议中的一个模块，当,IP,软件收到,ICMP,报文后，交由,ICMP,模块来处理。,ICMP,报文是指在,IP,数据报的数据区被,ICMP,协议所需的数据（称为,ICMP,报文所取代。,ICMP,报文被封装到一个,IP,数据报中,ICMP,报文格式,ICMP,报文,IP,首部（,20,字节,）,IP,数据报,16,位校验和,8,位类型,8,位代码,不同类型和代码有不同的内容,PING,的过程,Tracert,的过程,4.3 使用,IP,协议进行网络互联,一、,IP,协议互联原理,实际上就是路由器的工作原理。每个路由器都有一张路由表。当路由器收到一个数据报时会提取出它的目的地址，根据这个目的地址来查找路由表来把这个数据报转发给下一站。,网络层设备,路由器是网络的“边缘”设备,路由器的基本构成,路由器的核心作用是实现网络互连,路由器必须具备：,两个或两个以上的接口,协议至少实现到网络层,至少支持两种以上的子网协议,具有存储、转发和寻径的功能,路由器的作用,实现不同速率网络的适配,隔离广播，实施安全策略，保证网络安全,建立维护路由信息，实现数据包转发,分片与重组,备份、流量控制,异种网络互连,路由器的工作流程,IP,ETH,PPP,以太口,串口,IP,PPP,ETH,串口,以太口,协议封装,路由选择,协议转换,路由器,路由器,WAN,传送,拆包,LAN1,LAN2,接收,发送,路由表中的每一项都指定了一个目的地和为到达这个目的地所要经过的下一站。,实际上，,路由表的目的地是一个网络,，而不是一个单独的主机。下一站是下一个路由器的,IP,地址。,使用路由器为数据报选择下一个站的过程叫路由或转发。但在数据报当中并没有下一站的,IP,地址。为解决这个问题就采用封装技术。,当路由器转发一个数据报时会取出目的地址，从路由表中得出下一站路由器的,IP,地址。再把数据报封装在数据帧中，解析出下一站路由器的物理地址作为帧的首部。,数据报在一次转发中只封装一次。到达下一个网络时数据报被提取出再进行封装。,IP,包转发,将数据报文从一个网络转发到另一个网络,根据,IP,包中的目的地址选择路由，完成转发,路由信息存放在路由表中：,路由表的精确匹配,精确匹配：子网掩码最长的路由,最后使用缺省路由,否则，发送,ICMP Unreachable,报文,二、路由协议,路由协议实际上就是路由表的生成协议。,Internet,采用的是动态的，分层次的路由协议。,Internet,将整个互联网划分为许多较小的,自治系统，简称为,AS,。,一个自治系统内部使用同样的协议。,因特网把路由协议分成两大类：,内部网关协议,IGP(RIP,OSPF),外部网关协议,EGP。,1、路由信息协议,RIP,RIP,是一个基于距离向量的分布式路由选择协议。,它的最大优点就是简单。距离为到目的网络所经过的路由器数。,RIP,允许一个通路最多只能包含15个路由器，因此距离最大值为16时相当于不可达。,RIP,的工作原理如下：互联网中的路由器相互广播自己的路由表。路由表的更新原则是使到目的网络的距离最短。,若相邻的路由器,X,说：我到目的网络,Y,的距离为,N。,则收到此消息的路由器,K,就知道：若下一站路由器选,X，,则我到目的网络,Y,的距离为,N+1。,如果,K,的路由表中没有到网络,Y,的项目，则增加到网络,Y,的项目。如果已有“到目的网络,Y,的距离为,M”,则在,MN+1,时进行更新。更新后到目的网络,Y,经过路由器,X，,距离为,N+1。,RIP,的缺点就是首先只适用于小型互联网。其次就是“好消息传得快，坏消息传得慢。”,2、,开放最短路径优先,OSPF,它的基本要点如下：,每个路由器都有一个链路状态数据库。路由器用链路状态数据库中的数据来计算出自己的路由表。,网络拓扑结构发生任何变化，链路状态数据库就能很快进行更新，使各个路由器重新计算自己的路由表。它依靠各个路由器之间频繁交换信息来建立链路状态数据库，并维持这个数据库在全网范围内的一致性。,术语,ARP,代表什么？（）,A Address Resolution Protocol,B Address Recall Protocol,C Address Resolution Phase,D ARP Resolution Protocol,网络层的协议有（）协议。多选,A ICMP,B ARP,C RARP,D IP,若主机,A,需要知道主机,B,的,MAC,地址，则属于,ARP,的工作流程为（）,A,、主机A,在网络中广播,ARP,请求报文,B,、主机,b,接收到请求报文后将自己的,IP,地址到,MAC,地址的映射发送给主机,A,C,、主机,B,收到请求报文后将主机,A,的,IP,地址和,MAC,地址映射存储到自己的,CACHE,中,D,、主机,A,缓存主机,B,的,IP,地址到,MAC,地址的映射,高层的协议将数据传递到网络层后，形成（），而后传送到数据链路层。,A,比特流,B,数据帧,C,信元,D,数据包,如果一个内部网络对外的出口只有一个，那么最好配置是（）,A,主机路由,B,动态路由,C,缺省路由,路由表表目为三维组，其中不包括：（）。,A,下一跳地址,B,目的网络地址,C,子网掩码,D,源网络地址,用来检查到一台主机的网络层是否连通的命令是：（）。,A PING,B TELNET,C TRACERT,D IPCONFIG,