本科网络课程讲义：Chapter7I.ppt

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1、Chapter 7 Internet&TCP/IPn 7.1 Internet 基本协议栈n 7.2 IP 地址n 7.3 地址转换协议ARPn 7.4 IP 协议n 7.5 ICMP 协议n 7.6 IP 寻址n 7.7 Internet 路由协议n 7.8 组播17.1 Internet 基本协议栈IP ICMP IGMPUDP TCPEthernet RARP ARPFTP TELNET DNS SNMP SMTPPhysical InterfaceframeIP PacketDatagram SegmentMessage2数据封装流程运行FTP应用程序调用FTP 应用层模块，将内容封装

2、在FTP 协议中调用TCP 模块，将上层内容封装在TCP 协议中调用IP 模块，对每个数据段加上IP 分组头对每个IP 分组加上以太帧头或帧尾将数据帧的二进制码转换成光电信号应用层传输层网络层数据链路层物理层Seg1Seg2Seg3IPH Seg1IPH Seg2IPH Seg3FS IPH Seg1 FEFS IPH Seg2 FEFS IPH Seg3 FE3 RouterRouterRouterRouterNetworkData LinkPhysicalA router routes with the network address(such as the IP address)Appl

3、ication 1Application 2Application 1Application 2IP address is used toroute data around the InternetTCP part allows applications to communicate over the network47.2IP 地址32 bits网络号 主机号10101010 01010101 00110011 110011008 bits170 85 51 204Dottednotation(W.X.Y.Z)BinarynotationHOST HOST HOST(128 191)NET

4、HOST HOST(192 223)NET NET HOSTClass AClass BClass C(0127)0 NET 10 NET 110 NET Class DClass E播 地留 地1110 11110 保（224-239）（240-247）组 址址5特殊IP 地址n IP 地址中网络号或主机号为全0 或全1 的一般用做特殊处理，不用来标识网络或主机。n 如：全1 有限广播网络号 全1127 任意全0 主机号全0用做测试定向广播回送地址（loopback)6n IPv4 地址由4 个字节（32 位）组成，每个字节之间由点号分割，用十进制表示，称为点分十进制表示。n 分成5 类：n

5、 A类：最高位为0，随后7 位为网络号，最后24 位表示主机号。可以标识126个A类网络，每个网络可以有224-2（约1600 万）个主机。n B类：最高两位10，随后14 位为网络号，最后16 位表示主机号。可以标识214-2（约16000）个B 类网络，每个网络可以有216-2（约65000）个主机。n C类：最高三位为110，随后21 位为网络号，剩下8 位为主机号。可以标识200 万个C 类网络，每个网络最多只能有254 个主机。n D类：最高四位为1110，是组播地址，标识一个组的地址。n E类：最高五位为11110，是保留地址。7IP 地址与MAC 地址的区别MAC IP物理地址(

6、数据链路层地址）逻辑地址（网络层地址）局部意义 全局意义随机获得 上级分配48 位（如08:00:39:00:2f:c3)32 位（如202.38.75.11）87.3 地址转换协议ARP（Address Resolution Protocol)IP TCP HTTP DataE.g.Preamble(7B)Startdelimiter(1B)Dest.address(6B)Src.Address(6B)Len(2B)PADData field(Logical link control)0 to 1500 bytesSrc.IP Dest.IP？由目的IP 地址 目的MAC 地址FCS(4 B

7、)9地址转换规程n 当链路层要封装网络层分组时，它需要知道目的物理地址。n 首先，每个主机都有ARP缓存，用来存放一些IP地址与MAC地址的对应关系。主机根据分组头上的目的IP地址查阅自己的ARP缓存，如果没查到，就用广播地址发送ARP请求。n 被请求的IP地址所对应的主机返回一个ARP响应。n 主机收到响应后，就可发送数据帧，并将该IP地址与MAC地址对存放在ARP缓存中。10Proxy ARP 如果目的IP 地址是子网外的，显然它不可能收到ARP 请求，这时有两种方案：1.路由器有ARP 代理功能，它代理子网外的主机响应ARP请求。2.主机通过识别目的IP 地址的网络号，知道它是子网外的主

8、机，直接发给确省路由器11ROUTERStn.AStn.BStn.DStn.CMAC R1NET N1MAC R2NET N2Station B wants to send a frame to Station Dn One Way Using Router with Proxy ARPn Station B Arps for Station Dn Router Proxy ARP responds with MAC address of R1n Station B transmits frame with SourceMAC=MB,SourceNetwork=N1B,DestinationM

9、AC=R1,DestinationNetwork=N2Dn Router forwards frame with SourceMAC=R2,SourceNetwork=N1B,DestinationMAC=MD,DestinationNetwork=N2Dn Second Way Station knows R1 is the designated Router for N212Reverse ARP-RARPn RARP 协议定义在RFC903n RARP 协议用于查找物理地址所对应的IP地址，例如对于无盘机，启动时需要知道自己的IP 地址。13ARP 协议帧格式Preamble(7B)St

10、artdelimiter(1B)Dest.address(6B)Src.Address(6B)Type(2B)协议类型2B物理地址长度1B硬件类型2B协议地址长度1B操作2B发送者物理地址发送者IP 地址目的物理地址目的IP 地址PADCRC4B帧类型（Type）：ARP 请求及响应为0X0806硬件类型：指发送者的网络接口类型，如以太网为1协议类型：指发送者所采用的网络层协议类型，如IP 协议为0X0800操作：ARP 请求1，ARP 响应2，RARP 请求3，RARP 响应414arp Utility157.4IP(Internet Protocol)协议n 7.4.1 IPv4 协议16

11、版本号与头标长度版本号（VERS）：4bits，IPv4 协议填4，IPv6 协议填6。IP分组头长度（LEN）：4bits，单位为4 字节，取值范围5-15（确省值为5，即标准头标长20 字节），指示IP 分组头的长度。17服务类型（TOS）优 先 级d t r 0 0可靠性：0-一般可靠；1-高可靠吞吐量：0-一般；1-高吞吐延时：0-一般；1-低延时000 Routine 001 Priority 010 Immediate 011 Flash 100 Flash override 101 Critical 110 Internetwork control 111 Network con

12、trol 18总长度、分段功能总长度：16bits，单位字节，描述IP 分组的总长（包括头和数据），最大分组长度为65535 字节。标识符：16bits，用于唯一标识该分组。标志：3bits，第1 位未定义，第2 位为0 表示该分组可分段，否则表示不可分段；第3 位为0 表示这是最后报片，否则则表示还有后续报片。段偏移：13bits，单位8 字节。取值0-8191，标明当前报片在原分组中的位置。19为什么要分段？20怎样分段？数据（1400 字节）分组头MTU=620 字节分组头分组头分组头数据（600 字节）数据（600 字节）数据200 字节段偏移=0段偏移=75段偏移=15021TTL、

13、Protocol生存时间（TTL）：8bits，单位秒，表示分组的生存时间。实际操作时，分组每经过一个路由器，TTL 值减一，当TTL 值为0时，该分组被丢弃。协议（Protocol）：表示高层协议类型。0 Reserved 1 Internet Control Message Protocol(ICMP)2 Internet Group Management Protocol(IGMP)3 Gateway-to-Gateway Protocol(GGP)4 IP(IP encapsulation)5 Stream 6 Transmission Control(TCP)8 Exterior G

14、ateway Protocol(EGP)9 Private Interior Routing Protocol 17 User Datagram(UDP)89 Open Shortest Path First 22分组头校验、源/目的地址分组头校验：16bits，用来检验分组头。源地址：32bits，分组发送者的IP 地址。目的地址：32bits，分组接收者的IP 地址。填充（padding）：分组头长度必须为4 字节的整数倍，如果选项的长度不是4 字节的整数倍，那么就要进行填充。23选项（option）安全性（Security）：指明分组的机密性严格的源路由选择（Strict Source

15、routing）：给出分组经过的完整路由松散的源路由选择（Loose Source routing）：给出分组经过的某些路由器列表路由记录（Route recording）：使每个路由器都附上它的IP地址时间标记（Time stamping）：使每个路由器都附上它的IP地址和时间标记TYPE（1B）LENTH（1B）VALUE（nB）TLV格式24IPv4 协议提供的功能提供TOS分段 分段提供分组的生存时间分段 寻址提供头标校验提供选项257.4.2 IPv6 协议n 扩展地址空间，128 位地址长度n 简化了头标n 修订了参数n 增加了流标记域n 改善了选项功能n 提供地址的自动配置（即插

16、即用plug&play）26IP-Version Numbern IP v 1-3 defined and replacedn IP v4-current versionn IP v5-streams protocoln IP v6-replacement for IP v4n During development it was called IPng n Next Generationn IPv8、IPv9、IPv1627IPv6 头标格式28头标比较n V6:6 fields+2 addrn V4:10 fields+2 addr+optionsn Deleted:n Header len

17、gth n type of servicen identification,flags,fragment offsetn Header Checksumn Added:n Traffic classn Flow labeln Renamed:n length-Payload lengthn Protocol-Next headern time to live-Hop Limitn Redefined:Option mechanismTraffic class29头标参数说明n Version 4 bit IP version(6)n Traffic Class 8 bit priority v

18、aluen Flow Label 20 bitn Payload Length 16 bit length of packetn Includes all extension headers plus user datan Allows for 216 1(65,535)bytesn Optional Extension Headers allow for larger packet sizesn Next Header 8 bit identifier of next headern Hop Limit 8 bit value denoting number of hops left bef

19、ore packet is droppedn Source Address 128 bit address of sending hostn Target Address 128 bit address of target host“流是指从某个源点向（单目或组播的）信宿发送的分组群中，源点要求中间路由器作特殊处理的那些分组”。换句话说，流是指源点、信宿和流标记三者分别相同的分组的集合。30IPv6 地址n 128 位地址可产生2128 个地址。n 理论上说，地球上每平方米有665,570,793,348,866,943,898,599 个IPv6 地址.n 实际分析表明，地球上每平方米可用的

20、IPv6 地址数为1564-3,911,873,538,269,506,102n 表示方法采用十六进制冒号分割法n 如1025:1ab6:0:0:0:87:a76f:1234n 以上地址还可表示为1025:1ab6:87:a76f:1234n 混合表示n 地址前缀表示：IPv6 地址/前缀长度31IPv6 地址的分类可聚类全局单播地址TLA（Top-Level Aggregation）：顶级聚类；NLA（Next-Level Aggregation）：次级聚类 SLA（Site-Level Aggregation）：网点级聚类；Interface ID：接口标识符 32局域使用的IPv6 地址

21、n 链路局域地址（Link-Local Address）10 比特 54 比特 64 比特1111 111010 0 Interface IDn 网点局域地址（Site-Local Address）10 比特 38 比特 16 比特 64 比特1111 1110 11 0 子网ID Interface ID33其它IPv6 地址n 未指明地址（unspecified address）：0:0:0:0:0:0:0:0 或表示为:，只能作为尚未获得正式地址的主机的源地址使用，不能将该地址用作信宿地址。n 环回地址（loopback address）：0:0:0:0:0:0:0:1n 组播地址n 标

22、志：000T，T=0，表示永久性组地址；n 任播地址（anycast address)：从单播地址空间中分配n 子网路由器的任播地址8 4 4 112 比特1111 1111标志 区域Group IDn 比特 128-n 比特子网前缀0000000000000000000034内嵌IPv4地址的IPv6地址 n 兼容IPv4的IPv6地址 n 将二个冒号和IPv4 的点分十进制记法结合，将地址表示成的形式。n 映射IPv4的IPv6地址 n 将80 比特的0 和紧接其后的16 比特的1 组成前缀置于IPv4 地址之前就够成了映射IPv4 的IPv6地址。例如记作。35IPv6 extensio

23、n headersn 中继点选项（Hop-by-hop options）n 寻路头标（Routing）n 报片头标（Fragment）n 信宿选项（Destination options）n 认证头标（Authentication）n 安全净荷加密头标（Encryption Security Payload）36下一头标值 含义0 中继点选项头标4 IP6 TCP17 UDP43 寻路头标44 报片头标45 IDRP46 RSVP50 封装化安全净荷51 认证头标58 ICMP59 无下一个头标60 信宿选项头标37Extension Header Ordern IPv6 Headern Ho

24、p by Hop Options Headern Destination Options Header 1n Routing Headern Fragmentation Headern Authentication Headern Encryption Headern Destination Options Header 2387.5 ICMP 协议（Internet Control Message Protocol）IP 在网络层提供尽力服务（best effort service)，当分组由于各种原因无法投递而遭丢弃时，就用互连网控制报文协议（ICMP）发送差错报告，尽管ICMP 也是网络

25、层协议，但它也需要经过IP 协议封装。同样ICMP 也不能保证可靠传输。ICMP 协议定义在RFC 792 和 RFC 950。39ICMP 的主要功能n ICMP 定义了两类报文：差错报文和信息报文n 差错报文n 源抑制（Source quench）：抑制发送过多分组的主机。n 超时（Time exceeded）：分组的TTL 为0。n 信宿不可达（Destination unreachable）：报告子网、主机不能定位的信宿。n 重定向（Redirect）：路由重定向 n 参数问题（Parameter problem)：分组头参数出错。n 信息报文n 回音请求/响应（Echo reques

26、t/reply）n 地址掩码请求/响应（Address mask request/reply）n 路由器发现（Router discovery）40ICMP Message Types41ICMP 的直接应用-Ping&Traceroute Programn Ping Progarmn 功能：测试主机的可到达性。n Ping 程序采用ICMP 的回音请求/响应（Echo request/reply）报文，通过向信宿发送回音请求，返回响应报文，来测试目的主机的可达性。n Traceroute n 通过发送递增的TTL 值的回音报文，测试目的主机沿途经过的路由器地址。42n Pinging 202

27、.38.75.33 with 32 bytes of data:n Reply from 202.38.75.33:bytes=32 time10ms TTL=254n Reply from 202.38.75.33:bytes=32 time10ms TTL=254n Reply from 202.38.75.33:bytes=32 time10ms TTL=254n Reply from 202.38.75.33:bytes=32 time10ms TTL=254n Ping statistics for 202.38.75.33:n Packets:Sent=4,Received=4,L

28、ost=0(0%loss),n Approximate round trip times in milli-seconds:n Minimum=0ms,Maximum=0ms,Average=0ms437.6 IP 寻址n IPv4 的地址问题n 32 位的IPv4 地址总共有232(4,294,967,296)IP 地址，但根据地址的分类方式，实际可用的地址要少得多。n 地址分配得不合理。n 解决方法n 采用CIDR（Classless Inter domain Routing，无类别域间寻路）n 采用NAT（Network Address Translation)技术n 采用IPv6447

29、.6.1 CIDRn CIDR 是 1993 年9 月发布在RFC 1517,1518,1519,1520n 采用变长的网络前缀（network prefix）的概念取消了地址分类中网络号固定长度做法。n 采用子网掩码（subnet mask)与IP 地址相与来获取IP 地址中的网络号与主机号45子网掩码n 32bits 的位模式，表示方法与IP 地址类似。n 位模式中的1 对应于IP 地址的网络号，0 对应于主机号。例：11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111某主机的IP 地址为，如果其子网掩码为，则其网络号为，主机号为79；

30、如果子网掩码为，则其网络号为，主机号为15另外也可以采用地址/掩码长度表示，例如：46n Subnet mask Dotted not.Max sub.Max hosts(/subnet)n 11111111.11111111.11000000.00000000 255.255.192.0 2 16382 n 11111111.11111111.11100000.00000000 255.255.224.0 6 8190n 11111111.11111111.11110000.00000000 255.255.240.0 14 4094n 11111111.11111111.11111000.

31、00000000 255.255.248.0 30 2046n 11111111.11111111.11111100.00000000 255.255.252.0 62 1022n 11111111.11111111.11111110.00000000 255.255.254.0 126 510n 11111111.11111111.11111111.00000000 255.255.255.0 254 254n 11111111.11111111.11111111.10000000 255.255.255.128 510 126n 11111111.11111111.11111111.110

32、00000 255.255.255.192 1022 62n 11111111.11111111.11111111.11100000 255.255.255.224 2046 30n 11111111.11111111.11111111.11110000 255.255.255.240 4094 14n 11111111.11111111.11111111.11111000 255.255.255.248 8190 6n 11111111.11111111.11111111.11111100 255.255.255.252 16382 2IP 地址=网络地址+主机地址IP 地址=网络地址+子网

33、地址+主机地址47子网掩码：将一个C 类网络划分成若干个子网子网掩码：子网掩码：487.6.2 NATn 在RFC1597 中定义了内部网地址（或称专网，Private Internet，Intranet）n 有部分地址被IANA 组织定义用作内部网地址:-A single Class A network 172.16.0.0-172.31.255.255 16 contiguous Class B networks.255 256 contiguous Class C networks 49NAT 技术n NAT 技术可以在路由器、防火墙上实现内外地址的翻译工作n 实现方式：n 静态NAT（

34、static NAT）n 动态NAT（Dynamic NAT）n 过载（Overloading）50NAT 技术举例静态方式下，内部地址与外部IP 地址总是一一对应的。如：192.168.32.10 总是翻译成 213.18.123.110.在动态方式下，有一组全局IP地址与内部IP 地址对应。例如：192.168.32.10 总是翻译成213.18.123.100 to 213.18.123.150.范围内第一个可用的IP 地址过载（Overloading）也是一种动态方式，用一个全局IP 地址加上端口号实现与内部IP 地址的翻译。51InternetWeb serverabcNATConn

35、ection request to port 80 from c to source 10.0.0.4,port 1025.10.0.0.4,port 1025mapped to204.1.1.10,port 2000Connection request from c forwarded to source 204.1.1.10,port 2000.Request received and accepted.Outgoing Web Client Through NAT Inside IP Inside Port Out IP Out Port10.0.0.3 1034 204.1.1.10

36、200510.0.0.4 1025 204.1.1.10 200052InternetWeb serverabcNATResponse sent to 204.1.1.10,port 2000.Outgoing Web Client Through NAT Inside IP Inside Port Out IP Out Port10.0.0.3 1034 204.1.1.10 200510.0.0.4 1025 204.1.1.10 2000Translate 204.1.1.10,port 2000 to 10.0.0.4 port 1025537.6.3 路由表（route table）n 路由器根据分组的目的IP 地址查找路由表，找出分组的下一个中继点。n 每一个路由器都有一个路由表。n 路由表至少包含两个条目n 目的网络/主机地址n 下一跳（Next Hop）地址n 路由表可由管理员手工配置（静态路由表），也可通过路由协议和路由算法动态建立和维护（动态路由表）。n 路由表的表项有显式路由和默认路由两种，默认路由可以缩小路由表的表项。54