第四章 网络层(精品).ppt

计算机网络第 4 章 网络层第 4 章 网络层 4.1 网络层提供的两种服务4.2 网际协议 IP 4.2.1 虚拟互连网络 4.2.2 分类的 IP 地址 4.2.3 IP 地址与硬件地址 4.2.4 地址解析协议 ARP 与逆地址解析协议 RARP4.2.5 IP 数据报的格式 4.2.6 IP 层转发分组的流程第 4 章 网络层（续）4.3 划分子网和构造超网 4.3.1 划分子网 4.3.2 使用子网时分组转发 4.3.3 无分类编址 CIDR（构造超网）4.4 网际控制报文协议 ICMP 4.4.1 ICMP 报文的种类 4.4.2 ICMP 的应用举例4.5 因特网的路由选择协议 4.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念 4.5.2 内部网关协议 RIP 4.5.3 内部网关协议 OSPF 4.5.4 外部网关协议 BGP 第 4 章 网络层（续）4.5.6 路由器的构成 4.6 IP 多播 4.6.1 IP 多播的基本概念 4.6.2 在局域网上进行硬件多播4.6.2 因特网组管理协议 IGMP 和多播路由选 择协议4.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT 4.7.1 虚拟专用网 VPN 4.7.2 网络地址转换 NAT 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4.1 网络层提供的两种服务 n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。n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？电信网的成功经验让网络负责可靠交付 n面向连接的通信方式 n建立虚电路(Virtual Circuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源。n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。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H1 H2虚电路H1 发送给 H2 的所有分组都沿着同一条虚电路传送虚电路是逻辑连接n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。n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。因特网采用的设计思路n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。n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）。n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。尽最大努力交付的好处n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）。n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）。n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。n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。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H1 H2IP 数据报丢失H1 发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送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4.2 网际协议IP n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：n地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)n逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol)n网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)n网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)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ICMPIPRARPARP与各种网络接口网络层（网际层）IGMPn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：n不同的寻址方案n不同的最大分组长度n不同的网络接入机制n不同的超时控制n不同的差错恢复方法n不同的状态报告方法n不同的路由选择技术n不同的用户接入控制n不同的服务（面向连接服务和无连接服务）n不同的管理与控制方式 4.2.1 虚拟互连网络 n中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。n物理层中继系统：转发器(repeater)。n数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。n网络层中继系统：路由器(router)。n网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。n网络层以上的中继系统：网关(gateway)。网络互相连接起来要使用一些中间设备 n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。n网关由于比较复杂，目前使用得较少。n互联网都是指用路由器进行互连的网络。n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 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）虚拟互连网络的意义 n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。n使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。n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。5432154321主机H1 主机 H2 R1 R4 R5 R2 R3 R1 R2 R3H1 R5 H2 R4间接交付间接交付间接交付间接交付间接交付直接交付32 21 132 21 132 21 132 21 132 21 1分组在互联网中的传送 从网络层看 IP 数据报的传送 n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H1R1R2R3R4R5H24.2.2 分类的 IP 地址1.IP 地址及其表示方法 n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。nIP 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 IP 地址的编址方法 n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。n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。n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。二进制十进制二进制表示二进制表示二进制表示二进制表示十进制表示十进制表示十进制表示十进制表示1111111125511111110254111111002521111100024811110000240111000002241100000019210000000128000000000什么是IP地址nIP地址是给每个连接在地址是给每个连接在Internet上的主机分配的一个上的主机分配的一个32bit地址。地址。nIP地址有两种表示形式：二进制和点分十进制。地址有两种表示形式：二进制和点分十进制。n为了使用方便通常采用点分十进制的方式标记。为了使用方便通常采用点分十进制的方式标记。一个一个32位位IP地址的二进制是由地址的二进制是由4个个8位域组成。位域组成。11000000 10101000 00000001 00000110=192.168.1.61100000011000000101010001010100000000001000001101921921681686 6二进制表示二进制表示十进制表示十进制表示1 1IP 地 址255255255255NetworkHost32 bits十进制十进制最大值最大值网络号网络号 Network主机号主机号 Host IP 地址结构地址结构IP 地 址255255255255NetworkHost12864321684211111111111111111111111111111111118 916 1724 253212864321684211286432168421128643216842132 bits二进制二进制十进制十进制最大值最大值IP 地 址255255255255NetworkHost12864321684211111111111111111111111111111111118 916 1724 253212864321684211286432168421128643216842132 bits十进制十进制最大值最大值二进制二进制1010110000010000011110101100110017216122204举例：十进制举例：十进制举例：二进制举例：二进制IP地址网络网络11000000网络网络10101000网络网络00000011主机主机01100100192.168.1.0192.168.3.0192.168.1.100192.168.2.101192.168.2.100192.168.3.100192.168.2.0Host IDNetwork ID通过使用路由器，只有需要穿过非本通过使用路由器，只有需要穿过非本地网络的通信量才穿过路由器边界。地网络的通信量才穿过路由器边界。IP地址的分类根据根据IP地址版本进行分类主要有地址版本进行分类主要有IPv4版本和版本和IPv6版本。版本。IPv4：（：（32bit）点分十进制表示点分十进制表示192.168.0.1 IPv6：（：（128bit）冒号分十六进制表示）冒号分十六进制表示 1080:0:0:0:8:810:213C:123A 目前，目前，IPv6已在已在见的地址版本。的地址版本。IPv6地址数国地址数国际骨干网使用，骨干网使用，IPv4仍是我仍是我们常及安全性常及安全性优于于IPv4，未来网，未来网络将使用将使用IPv6版本版本。IP地址的分类根据根据IP网络规划分：网络规划分：Net-idHost-idHost-idHost-idNet-idNet-idHost-idHost-idNet-idNet-idNet-idHost-id8bit8bit8bit8bitA类地址：类地址：B类地址：类地址：C类地址：类地址：D类地址：类地址：E类地址：类地址：组播（多播）地址组播（多播）地址实验用途实验用途0XXXXXXX10XXXXXX110XXXXX范围（范围（）范围（范围（）范围（范围（）范围（范围（）IP地址分类A A类类B B类类C C类类D D类类E E类类地址类地址类第一个八位位组的格式第一个八位位组的格式0 0XXXXXXXXXXXXXX1010XXXXXXXXXXXX110110XXXXXXXXXX11101110XXXXXXXX11111111XXXXXXXX11261126128191128191192223192223224239224239240254240254地址范围地址范围IP地址范围、类和位格式地址范围、类和位格式IP地址的分类根据根据IPIP地址的使用的环境分：地址的使用的环境分：公有公有IPIP地址：这些地址：这些IPIP地址分配给注册并向地址分配给注册并向Inter NICInter NIC提出申请提出申请的组织机构，通过它直接访问因特网。的组织机构，通过它直接访问因特网。私有私有IPIP地址：属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。地址：属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。常见的私有常见的私有IPIP地址段：地址段：所属分所属分类类起始地址起始地址终止地址终止地址类类10.0.0.010.0.0.010.255.255.25510.255.255.255类类172.16.0.0172.16.0.0172.31.255.255172.31.255.255类类192.168.0.0192.168.0.0192.168.255.255192.168.255.255特殊IP地址127.0.0.1255.255.255.2550.0.0.0主机位为全主机位为全0(192.168.1.0)主机位为全主机位为全1(192.168.1.255)169.254.X.Y本地环回测试本地环回测试广播地址广播地址任何网络（默认路由）任何网络（默认路由）代表该网络代表该网络代表该网络的所有主机代表该网络的所有主机自动专用自动专用IP寻址寻址APIPA(DHCP)含义含义特殊特殊IP地址地址子网划分什么是子网划分？什么是子网划分？通过借用通过借用IPIP地址的若干主机位来充当地址的若干主机位来充当子网地址从而将原网络划分为若干子子网地址从而将原网络划分为若干子网。网。为什么要子网划分？为什么要子网划分？、减少网络流量、减少网络流量、提高网络性能、提高网络性能、简化管理、简化管理、易于扩大网络地理范围、易于扩大网络地理范围Net-idHost-idNet-idsubnet-idHost-id子网划分前后的不同规划172.16.0.1172.16.0.2172.16.0.3172.16.255.255172.16.0.2172.16.1.2172.16.2.3172.16.255.254利用掩码划分子网什么是子网掩码？默认情况的掩码是多少？什么是子网掩码？默认情况的掩码是多少？子网掩码不能单独存在，必须结合子网掩码不能单独存在，必须结合IPIP地址一起使用，将某个地址一起使用，将某个IPIP地地址划分成网络部分和主机部分。址划分成网络部分和主机部分。掩码中的部分代表网络部分，的部分代表主机部分掩码中的部分代表网络部分，的部分代表主机部分11000000 10101000 00000001 00 00001111111111 11111111 11111111 00 000000网络部分网络部分主机部分主机部分192.168.1.3255.255.255.011111111 11111111 11111111 11 000000255.255.255.192子网部分子网部分子网掩码、子网划分计算问题问题一：已知需要划分出的子网数来计算掩码。问题一：已知需要划分出的子网数来计算掩码。步骤一：将子网数目转化为二进制步骤一：将子网数目转化为二进制步骤二：取得该二进制的位数步骤二：取得该二进制的位数N步骤三：取得该步骤三：取得该IP地址的默认掩码，将其主机地址部分地址的默认掩码，将其主机地址部分的的前的的前N位置即位置即得出该得出该IP地址划分子网的子网掩码。地址划分子网的子网掩码。例如：欲将例如：欲将B类类IP地址地址168.195.0.0划分成划分成27个子网：个子网：、27=11011、该二进制为五位数，、该二进制为五位数，N=5、将、将B类地址默认掩码类地址默认掩码255.255.0.0的主机地址前的主机地址前5位置位置1，得到，得到 255.255.248.0 4、每个子网的主机数每个子网的主机数 224-N-2子网划分后的网络布局192.168.0.0/26192.168.0.64/26192.168.0.128/26192.168.0.192/26192.168.0.1192.168.0.62192.168.0.65192.168.0.126192.168.0.129192.168.0.190192.168.0.193192.168.0.254什么是CIDR？CIDR：无类域间路由：无类域间路由CIDR基本思想是取消地址的分类结构，取而代之的基本思想是取消地址的分类结构，取而代之的是允许以可变长分界的方式分配网络数。是允许以可变长分界的方式分配网络数。表示方式：采用斜线记法，在表示方式：采用斜线记法，在IP地址后面加个地址后面加个“/数数字字”，来区分网络及主机部分。，来区分网络及主机部分。例如：例如：192.168.0.2/24 掩码为：掩码为：255.255.255.0 192.168.0.2/23 掩码为：掩码为：255.255.254.0 192.168.0.2/25 掩码为：掩码为：255.255.255.128IP地址相关练习地址地址类别类别网络号网络号主机号主机号10.3.4.5128.45.23.21191.168.0.1202.98.96.68IP地址相关练习地址地址类别类别网络号网络号主机号主机号10.3.4.5A10.0.0.00.3.4.5128.45.23.21B128.45.0.0 0.0.23.21191.168.0.1B191.168.0.00.0.0.1202.98.96.68C202.98.96.00.0.0.68IP地址相关练习问题：某公司向问题：某公司向ISPISP申请到申请到202.98.68.0/24202.98.68.0/24的网络地址段，考虑的网络地址段，考虑到安全性及易管理性企业内网需划分到安全性及易管理性企业内网需划分6 6个子网，且每个子网的主机个子网，且每个子网的主机2525台，请台，请合理规划设计合理规划设计IPIP地址分配。地址分配。解答：子网掩码选用解答：子网掩码选用255.255.255.224255.255.255.224IP 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：n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。n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。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。n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)。n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。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。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地址解析协议 ARPn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。n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。n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。ARP 响应AYXBZ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209.0.0.5209.0.0.600-00-C0-15-AD-1808-00-2B-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 的硬件地址我是 209.0.0.6硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0AAYXBZ209.0.0.5209.0.0.600-00-C0-15-AD-18ARP 高速缓存的作用n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。n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。应当注意的问题nARP 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。n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。应当注意的问题（续）n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。n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。使用 ARP 的四种典型情况 n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。n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。n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。n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。什么我们不直接使用硬件地址进行通信？n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。n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。逆地址解析协议 RARP n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。n这种主机往往是无盘工作站。因此 RARP协议目前已很少使用。