計算機網(wǎng)絡chap4.ppt

1、網(wǎng)絡層,1,計算機網(wǎng)絡第4章:網(wǎng)絡層,網(wǎng)絡層,2,學習目標,熟練掌握：子網(wǎng)劃分，路由表與路由轉發(fā)。 掌握：距離向量路由算法，鏈路狀態(tài)路由算法，IPv4分組， IPv4地址，NAT，路由協(xié)議（RIP，OSPF，BGP）。 理解：子網(wǎng)掩碼，自治系統(tǒng)，層次路由，移動IP通信過程。 了解：大綱其他內容。,網(wǎng)絡層,3,第4部分 網(wǎng)絡層,4.1 網(wǎng)絡層的功能 4.2 路由算法 4.3 IPv4 IPv4分組 IPv4地址與NAT 子網(wǎng)絡劃分與子網(wǎng)掩碼、CIDR ARP、DHCP、ICMP協(xié)議 4.4 IPv6,4.5 路由協(xié)議 層次路由與自治系統(tǒng) 域內路由與域間路由 RIP路由協(xié)議 OSPF路由協(xié)議 BG

2、P路由協(xié)議 4.6 IP組播 4.7 移動IP 4.8 網(wǎng)絡層設備,網(wǎng)絡層,4,網(wǎng)絡層提供的兩種服務,在計算機網(wǎng)絡領域，網(wǎng)絡層應該向傳輸層提供怎樣的服務（“面向連接”還是“無連接”）曾引起了長期的爭論。 爭論焦點的實質就是：在計算機通信中，可靠交付應當由誰來負責？是網(wǎng)絡還是端系統(tǒng)？,網(wǎng)絡層,5,電信網(wǎng)的成功經驗讓網(wǎng)絡負責可靠交付,面向連接的通信方式 建立虛電路(Virtual Circuit)，以保證雙方通信所需的一切網(wǎng)絡資源。 如果再使用可靠傳輸?shù)木W(wǎng)絡協(xié)議，就可使所發(fā)送的分組無差錯按序到達終點。,網(wǎng)絡層,6,應用層 運輸層 網(wǎng)絡層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層,應用層 運輸層 網(wǎng)絡層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理

3、層,虛電路服務,H1,H2,虛電路,H1 發(fā)送給 H2 的所有分組都沿著同一條虛電路傳送,網(wǎng)絡層,7,虛電路是邏輯連接,虛電路表示這只是一條邏輯上的連接，分組都沿著這條邏輯連接按照存儲轉發(fā)方式傳送，而并不是真正建立了一條物理連接。 請注意，電路交換的電話通信是先建立了一條真正的連接。因此分組交換的虛連接和電路交換的連接只是類似，但并不完全一樣。,網(wǎng)絡層,8,因特網(wǎng)采用的設計思路,網(wǎng)絡層向上只提供簡單靈活的、無連接的、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)報服務。 網(wǎng)絡在發(fā)送分組時不需要先建立連接。每一個分組（即 IP 數(shù)據(jù)報）獨立發(fā)送，與其前后的分組無關（不進行編號）。 網(wǎng)絡層不提供服務質量的承諾。即所傳送的分

4、組可能出錯、丟失、重復和失序（不按序到達終點），當然也不保證分組傳送的時限。,網(wǎng)絡層,9,盡最大努力交付的好處,由于傳輸網(wǎng)絡不提供端到端的可靠傳輸服務，這就使網(wǎng)絡中的路由器可以做得比較簡單，而且價格低廉（與電信網(wǎng)的交換機相比較）。 如果主機（即端系統(tǒng)）中的進程之間的通信需要是可靠的，那么就由網(wǎng)絡的主機中的傳輸層負責（包括差錯處理、流量控制等）。 采用這種設計思路的好處是：網(wǎng)絡的造價大大降低，運行方式靈活，能夠適應多種應用。 因特網(wǎng)能夠發(fā)展到今日的規(guī)模，充分證明了當初采用這種設計思路的正確性。,網(wǎng)絡層,10,應用層 運輸層 網(wǎng)絡層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層,應用層 運輸層 網(wǎng)絡層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層,

5、數(shù)據(jù)報服務,H1,H2,IP 數(shù)據(jù)報,丟失,H1 發(fā)送給 H2 的分組可能沿著不同路徑傳送,網(wǎng)絡層,11,虛電路服務與數(shù)據(jù)報服務的對比,網(wǎng)絡層,12,網(wǎng)際協(xié)議IP,網(wǎng)際協(xié)議 IP 是 TCP/IP 體系中兩個最主要的協(xié)議之一。與 IP 協(xié)議配套使用的還有四個協(xié)議： 地址解析協(xié)議 ARP (Address Resolution Protocol) 逆地址解析協(xié)議 RARP (Reverse Address Resolution Protocol) 網(wǎng)際控制報文協(xié)議 ICMP (Internet Control Message Protocol) 網(wǎng)際組管理協(xié)議 IGMP (Internet Gr

6、oup Management Protocol),網(wǎng)絡層,13,網(wǎng)際層的 IP 協(xié)議及配套協(xié)議,各種應用層協(xié)議,網(wǎng)絡接口層,(HTTP, FTP, SMTP 等),物理硬件,運輸層,TCP, UDP,應用層,ICMP,IP,RARP,ARP,與各種網(wǎng)絡接口,網(wǎng)絡層 （網(wǎng)際層）,IGMP,網(wǎng)絡層,14,5 4 3 2 1,主機 H1,主機 H2,R1,R4,R5,R2,R3,R1,R2,R3,H1,R5,H2,R4,間接交付,間接交付,間接交付,間接交付,間接交付,直接交付,分組在互聯(lián)網(wǎng)中的傳送,網(wǎng)絡層,15,從網(wǎng)絡層看 IP 數(shù)據(jù)報的傳送,如果我們只從網(wǎng)絡層考慮問題，那么 IP 數(shù)據(jù)報就可以想

7、象是在網(wǎng)絡層中傳送。,網(wǎng)絡層,網(wǎng)絡層,網(wǎng)絡層,網(wǎng)絡層,網(wǎng)絡層,網(wǎng)絡層,網(wǎng)絡層,IP 數(shù)據(jù)報,H1,R1,R2,R3,R4,R5,H2,網(wǎng)絡層,16,關鍵的網(wǎng)絡層功能,轉發(fā): 將分組從路由器的輸入移動到適當?shù)穆酚善鬏敵?路由: 決定分組從源到目的地所采用的路由 路由算法,類比: 路由: 規(guī)劃從源到目的地路徑的過程 轉發(fā): 通過單個立交橋的過程,網(wǎng)絡層,17,1,2,3,0111,到達分組首部的值,路由算法,路由和轉發(fā)相互影響,網(wǎng)絡層,18,網(wǎng)絡擁塞：網(wǎng)絡性能曲線,提供的負載,吞吐量,擁塞,輕度 擁塞,0,網(wǎng)絡層,19,擁塞（Congestion）,擁塞 網(wǎng)絡資源上有太多的分組時，將會導致網(wǎng)絡性能

8、下降。 對資源需求的總和 可用資源 資源：鏈路容量、交換節(jié)點中的緩存和處理機速度等。 擁塞產生的原因 低帶寬線路 多個輸入對應一個輸出 節(jié)點緩沖容量太小 結點處理機速度不高,網(wǎng)絡層,20,擁塞的策略：決不只針對某個因素改善擁塞！,若結點緩存容量太小，到達結點的分組無空間暫存； 若增大結點緩存容量，而鏈路容量和處理機速度未提高，分組排隊會很長，導致時延增大，可能因超時發(fā)送端進行重發(fā)，發(fā)出更多的分組，擁塞更加惡化； 提高結點處理機速度，增大鏈路容量，故然可以改善這段的擁塞，但可能只是將瓶頸轉移到其他地方。 因此，針對某個因素的解決方案，只能對提高網(wǎng)絡性能起到一定的好處，甚至僅僅是轉移了影響性能的瓶

9、頸。,網(wǎng)絡層,21,擁塞控制與流量控制的差別,擁塞控制（congestion control） 需要確保通信子網(wǎng)能夠承載用戶提交的通信量，是一個全局性過程，涉及主機、路由器等很多因素； 流量控制（flow control) 與點到點的通信量有關，主要解決快速發(fā)送方與慢速接收方的問題，是局部過程，一般都是基于反饋進行控制的。,網(wǎng)絡層,22,擁塞和流量控制的區(qū)別,網(wǎng)絡層,23,擁塞控制所起的作用,提供的負載,吞吐量,擁塞,輕度 擁塞,0,網(wǎng)絡層,24,第4部分 網(wǎng)絡層,4.1 網(wǎng)絡層的功能 4.2 路由算法 4.3 IPv4 IPv4分組 IPv4地址與NAT 子網(wǎng)絡劃分與子網(wǎng)掩碼、CIDR AR

10、P、DHCP、ICMP協(xié)議 4.4 IPv6,4.5 路由協(xié)議 層次路由與自治系統(tǒng) 域內路由與域間路由 RIP路由協(xié)議 OSPF路由協(xié)議 BGP路由協(xié)議 4.6 IP組播 4.7 移動IP 4.8 網(wǎng)絡層設備,網(wǎng)絡層,25,路由算法,就是產生路由表的算法 是網(wǎng)絡層軟件的一部分 對于數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡，對每個數(shù)據(jù)報都要做路由選擇 對于虛電路網(wǎng)絡，只需在建立連接時做一次路由選擇,網(wǎng)絡層,26,理想的路由算法,理想的路由算法： 算法必須是正確的和完整的。 算法在計算上應簡單，即開銷小，效率高。 算法應能適應通信量和網(wǎng)絡拓撲的變化，這就是說，要有自適應性。 算法應具有穩(wěn)定性，即算法必須收斂，不能振蕩發(fā)散。 算

11、法對所有用戶應是公平的。 算法應是最佳的。,網(wǎng)絡層,27,關于“最佳路由”,不存在一種絕對的最佳路由算法。 所謂“最佳”只能是相對于某一種特定要求下得出的較為合理的選擇而已。 這里最佳應考慮的因素包括：鏈路長度、時延、速率、鏈路容量、鏈路差錯率等。 實際的路由選擇算法，應盡可能接近于理想的算法。 路由選擇是個非常復雜的問題 它是網(wǎng)絡中的所有結點共同協(xié)調工作的結果。 路由選擇的環(huán)境往往是不斷變化的，而這種變化有時無法事先知道。,網(wǎng)絡層,28,從路由算法的自適應性考慮,靜態(tài)路由選擇策略即非自適應路由選擇，一般采用離線方式求出路由表，其特點是簡單和開銷較小，但不能及時適應網(wǎng)絡狀態(tài)的變化。 動態(tài)路由選

12、擇策略即自適應路由選擇，其特點是能較好地適應網(wǎng)絡狀態(tài)的變化，但實現(xiàn)起來較為復雜，開銷也比較大。,網(wǎng)絡層,29,路由,路由算法的圖論抽象: 圖中的節(jié)點是路由器 圖中的邊是物理鏈路 鏈路代價: 時延，費用或擁塞等級,目的：決定從源到目的地通過網(wǎng)絡的“好的路徑”(路由器序列),2,2,1,3,1,1,2,5,3,5,“好的”路徑: 通常意味著最小費用的路徑 其他定義也是可能的,網(wǎng)絡層,30,距離向量算法,Bellman-Ford方程 (動態(tài)規(guī)劃) 定義 dx(y) := 從x到y(tǒng)最低費用路徑的費用 則 dx(y) = min c(x,v) + dv(y) 其中min對x的所有鄰居,網(wǎng)絡層,31,Be

13、llman-Ford 例子,Clearly, dv(z) = 5, dx(z) = 3, dw(z) = 3,du(z) = min c(u,v) + dv(z), c(u,x) + dx(z), c(u,w) + dw(z) = min 2 + 5, 1 + 3, 5 + 3 = 4,取最小的節(jié)點是在最短路中的下一跳 轉發(fā)表,B-F equation says:,網(wǎng)絡層,32,距離向量算法,基本思想: 每個節(jié)點周期性的發(fā)送它自己的距離向量以估計到其鄰居 當節(jié)點x接收到來自鄰居的新DV估計，它使用B-F方程更新其自己的DV :,Dx(y) minvc(x,v) + Dv(y) for each

14、 node y N,在規(guī)模較小、正常的條件下，估計值Dx(y)收斂在實際最小費用 dx(y),網(wǎng)絡層,33,距離向量算法,迭代、異步: 每次本地迭代由下列事件引起: 本地鏈路費用改變 從鄰居獲得更新的DV報文 分布式: 每個節(jié)點僅當其DV改變時通知鄰居 如果必要，鄰居則通知它們的鄰居,每個節(jié)點:,網(wǎng)絡層,34,距離向量: 鏈路費用變化,鏈路費用變化: 好消息傳播得快 壞消息傳播得慢“計數(shù)到無窮”問題! 在算法穩(wěn)定前，迭代44 次: 毒性逆轉: 如果Z路由通過Y得到 X : Z告訴Y它(Zs)到X的距離是無窮 (因此Y將不能經Z路由到X) 這將完全解決計數(shù)到無窮問題?,網(wǎng)絡層,35,鏈路狀態(tài)路由

15、算法,Dijkstra算法 所有節(jié)點知道網(wǎng)絡拓撲、鏈路費用 經“鏈路狀態(tài)廣播”完成 所有節(jié)點具有相同信息 從一個節(jié)點(源)到所有其他節(jié)點計算最低費用路徑 給出對這些節(jié)點的轉發(fā)表 迭代: k次迭代后，得知到k個目的地的最低費用路徑,概念: c(x,y): 從節(jié)點x到y(tǒng)的鏈路費用; = 如果不是直接鄰居 D(v):從源到目的地v路徑費用的當前值 p(v): 從源到v沿路徑的前任節(jié)點 N: 已知在最小費用路徑中的節(jié)點集合,網(wǎng)絡層,36,Dijsktra算法,1 初始化: 2 N = u 3 對所有節(jié)點v 4 if v 臨近 u 5 then D(v) = c(u,v) 6 else D(v) = 7

16、 8 Loop 9 找出w不在N中使得D(w)最小 10 將w加入N 11 對于所有v臨近w并不在N中，更新D(v): 12 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) ) 13 /* 到v的新費用或是到v的老費用或到w加上從w到v的已知最短路費用*/ 15 until 所有節(jié)點在 N中,網(wǎng)絡層,37,Dijkstra 算法: 例子,步驟 0 1 2 3 4 5,N u ux uxy uxyv uxyvw uxyvwz,D(v),p(v) 2,u 2,u 2,u,D(w),p(w) 5,u 4,x 3,y 3,y,D(x),p(x) 1,u,D(y),p(y) 2,x,D(

17、z),p(z) 4,y 4,y 4,y,網(wǎng)絡層,38,Dijkstra算法, 討論,算法復雜性: n個節(jié)點 每次迭代: 需要檢查所有節(jié)點w, 不在N中 n(n+1)/2 對比: O(n2) 更有效的實現(xiàn)是可能的: O(nlogn) 可能振蕩: 如鏈路費用 = 承載流量的量,e,1,1,e,1,1,e,1,1,網(wǎng)絡層,39,LS和DV算法的比較,報文復雜性 LS: 對n個節(jié)點，E條鏈路, 發(fā)送O(nE) 報文 DV: 僅在鄰居之間交換 收斂時間變化 收斂速度 LS: O(n2) 算法要求 O(nE)報文 可能具有振蕩 DV: 收斂時間變化 可能有選路環(huán)路 計數(shù)到無窮問題,健壯性: 如果路由器異常

18、，將發(fā)生什么現(xiàn)象? LS: 節(jié)點可能通告不正確的鏈路費用 每個節(jié)點僅計算它自己的表 DV: DV節(jié)點通告不正確的路徑費用 每個節(jié)點表能由其他人使用 差錯通過網(wǎng)絡傳播,網(wǎng)絡層,40,第4部分 網(wǎng)絡層,4.1 網(wǎng)絡層的功能 4.2 路由算法 4.3 IPv4 IPv4分組 IPv4地址與NAT 子網(wǎng)絡劃分與子網(wǎng)掩碼、CIDR ARP、DHCP、ICMP協(xié)議 4.4 IPv6,4.5 路由協(xié)議 層次路由與自治系統(tǒng) 域內路由與域間路由 RIP路由協(xié)議 OSPF路由協(xié)議 BGP路由協(xié)議 4.6 IP組播 4.7 移動IP 4.8 網(wǎng)絡層設備,網(wǎng)絡層,41,IP v4分組的格式,一個 IP 數(shù)據(jù)分組由首部

19、和數(shù)據(jù)兩部分組成。 首部的前一部分是固定長度，共 20 字節(jié)，是所有 IP 數(shù)據(jù)報必須具有的。 在首部的固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的。,網(wǎng)絡層,42,固 定 部 分,可變 部分,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,數(shù) 據(jù) 部 分,首 部,傳送,IP 數(shù)據(jù)報,發(fā)送在前,網(wǎng)絡層,43,可變 部分,首 部,

20、0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,數(shù) 據(jù) 部 分,首 部,傳送,IP 數(shù)據(jù)報,網(wǎng)絡層,44,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比

21、特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,數(shù) 據(jù) 部 分,首 部,傳送,IP 數(shù)據(jù)報,固 定 部 分,網(wǎng)絡層,45,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定 部 分,可變 部分,網(wǎng)絡層,46,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志

22、,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定 部 分,可變 部分,網(wǎng)絡層,47,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未

23、用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定 部 分,可變 部分,網(wǎng)絡層,48,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定 部 分,可變 部分,網(wǎng)絡層,49,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗

24、 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定 部 分,可變 部分,網(wǎng)絡層,50,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定 部 分,可變 部分,標志(flag) 占 3 bi

25、t，目前只有前兩個比特有意義。 標志字段的最低位是 MF (More Fragment)。 MF 1 表示后面“還有分片”。MF 0 表示最后一個分片。 標志字段中間的一位是 DF (Dont Fragment) 。 只有當 DF 0 時才允許分片。,網(wǎng)絡層,51,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定

26、部 分,可變 部分,網(wǎng)絡層,52,IP分片和重新組裝,網(wǎng)絡鏈路有MTU (最大傳輸長度) 最大可能的鏈路級幀 不同的鏈路類型，不同的 在網(wǎng)絡中，大IP 數(shù)據(jù)報被分割(“分段”) 一個數(shù)據(jù)報 變?yōu)閹讉€數(shù)據(jù)報 “重新裝配”僅在最后目的地 IP首部比特用于標識、排序相關段,分段: 輸入: 一個大的數(shù)據(jù)報 輸出: 3個小的數(shù)據(jù)報,reassembly,網(wǎng)絡層,53,IP分片和重新組裝,例子 4000字節(jié)數(shù)據(jù)報 MTU = 1500字節(jié),在數(shù)據(jù)字段1480 字節(jié),偏移 = 1480/8,網(wǎng)絡層,54,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型

27、,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定 部 分,可變 部分,生存時間(8 bit)記為 TTL (Time To Live)，這是為了 限制數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡中的生存時間，其單位最初是秒， 但為了方便，現(xiàn)在都用“跳數(shù)”作為 TTL 的單位。 數(shù)據(jù)報每經過一個路由器，其 TTL 值就減 1。,網(wǎng)絡層,55,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總

28、長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定 部 分,可變 部分,網(wǎng)絡層,56,運輸層,網(wǎng)絡層,首部,TCP,UDP,ICMP,IGMP,OSPF,數(shù) 據(jù) 部 分,IP 數(shù)據(jù)報,網(wǎng)絡層,57,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首

29、部長度,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定 部 分,可變 部分,網(wǎng)絡層,58,發(fā)送端,接收端,16 bit,字 1,16 bit,字 2,16 bit,字 n,數(shù) 據(jù) 報 首 部,IP 數(shù)據(jù)報,16 bit,字 1,16 bit,字 2,16 bit,字 n,數(shù)據(jù)部分,網(wǎng)絡層,59,首 部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,標志,生 存 時 間,協(xié) 議,標 識,服 務 類 型,總 長 度,片 偏 移,填 充,首 部 校 驗 和,源 地 址,目 的 地 址,可 選 字 段 （長 度 可 變）,比特,首部長度,0,1,2,3,4

30、,5,6,7,D,T,R,C,未用,優(yōu) 先 級,數(shù) 據(jù) 部 分,比特,固 定 部 分,可變 部分,網(wǎng)絡層,60,IP 數(shù)據(jù)報首部的可變部分,IP 首部的可變部分就是一個選項字段，用來支持排錯、測量以及安全等措施，內容很豐富。 選項字段的長度可變，從 1 個字節(jié)到 40 個字節(jié)不等，取決于所選擇的項目。 增加首部的可變部分是為了增加 IP 數(shù)據(jù)報的功能，但這同時也使得 IP 數(shù)據(jù)報的首部長度成為可變的。這就增加了每一個路由器處理數(shù)據(jù)報的開銷。 實際上這些選項很少被使用。,網(wǎng)絡層,61,IPv4地址,在網(wǎng)絡中有幾種尋址方法？ 在網(wǎng)絡中，存在兩種尋址方法?，F(xiàn)在已經了解了其中一種尋址方法的定義，那就是

31、MAC地址?；ミB網(wǎng)連接中，第二種尋址方法使用的是所謂的IP地址。 MAC地址是物理地址，是數(shù)據(jù)鏈路層使用的地址。IP地址是網(wǎng)絡層使用的地址。,網(wǎng)絡層,62,IPv4地址,我們把整個因特網(wǎng)看成為一個單一的、抽象的網(wǎng)絡。IP 地址就是給每個連接在因特網(wǎng)上的主機（或路由器）分配一個在全世界范圍是唯一的 32 位的標識符。 IP 地址現(xiàn)在由因特網(wǎng)名字與號碼指派公司ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)進行分配。,網(wǎng)絡層,63,什么是IP地址,IP地址是基于Internet Protocol(因特網(wǎng)協(xié)議)的。 每一個物理網(wǎng)絡

32、必須有自己的唯一的IP地址。 IP地址對于WAN上的互連網(wǎng)連接來說，是非常必要的。,網(wǎng)絡層,64,如何設計IP地址,網(wǎng)絡層,65,IP 地址的編址方法,分類的 IP 地址。這是最基本的編址方法，在 1981 年就通過了相應的標準協(xié)議。 子網(wǎng)的劃分。這是對最基本的編址方法的改進，其標準RFC 950在 1985 年通過。 構成超網(wǎng)。這是比較新的無分類編址方法。1993 年提出后很快就得到推廣應用。,網(wǎng)絡層,66,分類 IP 地址,IP 地址可以分為兩級： IP 地址 := , 地址由兩個固定長度的字段組成： 網(wǎng)絡號net-id：標志主機（或路由器）所連接到的網(wǎng)絡； 主機號host-id：標志該主

33、機（或路由器）。,網(wǎng)絡層,67,net-id 24 bit,host-id 24 bit,net-id 16 bit,net-id 8 bit,IP 地址中的網(wǎng)絡號字段和主機號字段,0,A 類地址,host-id 16 bit,B 類地址,C 類地址,0,1,1,D 類地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 類地址,保 留 為 今 后 使 用,1 1 1 1 0,0,1,網(wǎng)絡層,68,net-id 24 bit,host-id 24 bit,net-id 16 bit,net-id 8 bit,IP 地址中的網(wǎng)絡號字段和主機號字段,0,A 類地址,host-id 16 bit,B 類地址,C

34、 類地址,0,1,1,D 類地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 類地址,保 留 為 今 后 使 用,1 1 1 1 0,0,1,A 類地址的網(wǎng)絡號字段 net-id 為 1 字節(jié),網(wǎng)絡層,69,net-id 24 bit,host-id 24 bit,net-id 16 bit,net-id 8 bit,IP 地址中的網(wǎng)絡號字段和主機號字段,0,A 類地址,host-id 16 bit,B 類地址,C 類地址,0,1,1,D 類地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 類地址,保 留 為 今 后 使 用,1 1 1 1 0,0,1,B 類地址的網(wǎng)絡號字段 net-id 為 2 字節(jié),網(wǎng)絡

35、層,70,net-id 24 bit,host-id 24 bit,net-id 16 bit,net-id 8 bit,IP 地址中的網(wǎng)絡號字段和主機號字段,0,A 類地址,host-id 16 bit,B 類地址,C 類地址,0,1,1,D 類地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 類地址,保 留 為 今 后 使 用,1 1 1 1 0,0,1,C 類地址的網(wǎng)絡號字段 net-id 為 3 字節(jié),網(wǎng)絡層,71,net-id 24 bit,host-id 24 bit,net-id 16 bit,net-id 8 bit,IP 地址中的網(wǎng)絡號字段和主機號字段,0,A 類地址,host-id

36、 16 bit,B 類地址,C 類地址,0,1,1,D 類地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 類地址,保 留 為 今 后 使 用,1 1 1 1 0,0,1,A 類地址的主機號字段 host-id 為 3 字節(jié),網(wǎng)絡層,72,net-id 24 bit,host-id 24 bit,net-id 16 bit,net-id 8 bit,IP 地址中的網(wǎng)絡號字段和主機號字段,0,A 類地址,host-id 16 bit,B 類地址,C 類地址,0,1,1,D 類地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 類地址,保 留 為 今 后 使 用,1 1 1 1 0,0,1,B 類地址的主機號字段

37、host-id 為 2 字節(jié),網(wǎng)絡層,73,net-id 24 bit,host-id 24 bit,net-id 16 bit,net-id 8 bit,IP 地址中的網(wǎng)絡號字段和主機號字段,0,A 類地址,host-id 16 bit,B 類地址,C 類地址,0,1,1,D 類地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 類地址,保 留 為 今 后 使 用,1 1 1 1 0,0,1,C 類地址的主機號字段 host-id 為 1 字節(jié),網(wǎng)絡層,74,net-id 24 bit,host-id 24 bit,net-id 16 bit,net-id 8 bit,IP 地址中的網(wǎng)絡號字段和主機號

38、字段,0,A 類地址,host-id 16 bit,B 類地址,C 類地址,0,1,1,D 類地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 類地址,保 留 為 今 后 使 用,1 1 1 1 0,0,1,D 類地址是多播地址,網(wǎng)絡層,75,net-id 24 bit,host-id 24 bit,net-id 16 bit,net-id 8 bit,IP 地址中的網(wǎng)絡號字段和主機號字段,0,A 類地址,host-id 16 bit,B 類地址,C 類地址,0,1,1,D 類地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 類地址,保 留 為 今 后 使 用,1 1 1 1 0,0,1,E 類地址保留為今后

39、使用,網(wǎng)絡層,76,路由器如何利用IP地址轉發(fā)分組？,利用分組中的IP 地址： 找到網(wǎng)絡號 net-id 找到目的網(wǎng)絡。 當分組到達目的網(wǎng)絡后： 利用主機號host-id 直接交付給目的主機。,網(wǎng)絡層,77,點分十進制記法,采用點分十進制記法 則進一步提高可讀性,1,128 11 3 31,將每 8 bit 的二進制數(shù) 轉換為十進制數(shù),網(wǎng)絡層,78,網(wǎng)絡層,79,網(wǎng)絡層,80,網(wǎng)絡層,81,網(wǎng)絡層,82,特殊的IP地址,網(wǎng)絡層,83,常用的三種類別的 IP 地址,IP 地址的使用范圍,網(wǎng)絡 最大 第一個 最后一個 每個網(wǎng)絡 類別 網(wǎng)絡數(shù) 可用的 可用的 中最大的 網(wǎng)絡號 網(wǎng)

40、絡號 主機數(shù) A 126 (27 2) 1 126 16,777,214 B 16,384 (214) 128.0 191.255 65,534 C 2,097,152 (221) 192.0.0 223.255.255 254,網(wǎng)絡層,84,IP 地址的一些重要特點,(1) IP 地址是一種分等級的地址結構。分兩個等級的好處是： 第一，IP 地址管理機構在分配 IP 地址時只分配網(wǎng)絡號，而剩下的主機號則由得到該網(wǎng)絡號的單位自行分配。這樣就方便了 IP 地址的管理。 第二，路由器僅根據(jù)目的主機所連接的網(wǎng)絡號來轉發(fā)分組（而不考慮目的主機號），這樣就可以使路由表中的項目數(shù)大幅度減少，從而減小了路由

41、表所占的存儲空間。,網(wǎng)絡層,85,IP 地址的一些重要特點,(2) 實際上 IP 地址是標志一個主機（或路由器）和一條鏈路的接口。 當一個主機同時連接到兩個網(wǎng)絡上時，該主機就必須同時具有兩個相應的 IP 地址，其網(wǎng)絡號 net-id 必須是不同的。這種主機稱為多歸屬主機(multihomed host)。 由于一個路由器至少應當連接到兩個網(wǎng)絡（這樣它才能將 IP 數(shù)據(jù)報從一個網(wǎng)絡轉發(fā)到另一個網(wǎng)絡），因此一個路由器至少應當有兩個不同的 IP 地址。,網(wǎng)絡層,86,IP 地址的一些重要特點,(3) 用轉發(fā)器或網(wǎng)橋連接起來的若干個局域網(wǎng)仍為一個網(wǎng)絡，因此這些局域網(wǎng)都具有同樣的網(wǎng)絡號 net-id。

42、(4) 所有分配到網(wǎng)絡號 net-id 的網(wǎng)絡，不管是范圍很小的局域網(wǎng)，還是可能覆蓋很大地理范圍的廣域網(wǎng)，都是平等的。,網(wǎng)絡層,87,互聯(lián)網(wǎng)中的 IP 地址,B,222.1.1.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,R3,R2,222.1.3.,LAN

43、3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,互聯(lián)網(wǎng),在同一個局域網(wǎng)上的主機或路由器的 IP 地址中的網(wǎng)絡號必須是一樣的。 圖中的網(wǎng)絡號就是 IP 地址中的 net-id,網(wǎng)絡層,88,互聯(lián)網(wǎng)中的 IP 地址,B,222.1.1.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,222.1.4

44、.2,,,,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,互聯(lián)網(wǎng),在同一個局域網(wǎng)上的主機或路由器的 IP 地址中的網(wǎng)絡號必須是一樣的。 圖中的網(wǎng)絡號就是 IP 地址中的 net-id,網(wǎng)絡層,89,互聯(lián)網(wǎng)中的 IP 地址,B,222.1.1.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,222.1.

45、6.1,,,,,,,,,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,互聯(lián)網(wǎng),在同一個局域網(wǎng)上的主機或路由器的 IP 地址中的網(wǎng)絡號必須是一樣的。 圖中的網(wǎng)絡號就是 IP 地址中的 net-id,網(wǎng)絡層,90,互聯(lián)網(wǎng)中的 IP 地址,B,222.1.1.,,,,,R1,,222.

46、1.2.2,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,互聯(lián)網(wǎng),在同一個局域網(wǎng)上的主機或路由器的 IP 地址中的網(wǎng)絡號必須是一樣的。 圖中的網(wǎng)絡號就是 IP 地址中的 net-id,網(wǎng)絡層,91,互聯(lián)網(wǎng)中的 IP 地址,B,222.1.1.,222.1.

47、1.1,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,互聯(lián)網(wǎng),路由器總是具有兩個或兩個以上的 IP 地址。 路由器的每一個接口都有一個 不同網(wǎng)絡號的

48、IP 地址。,網(wǎng)絡層,92,互聯(lián)網(wǎng)中的 IP 地址,B,222.1.1.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,互聯(lián)網(wǎng),路

49、由器總是具有兩個或兩個以上的 IP 地址。 路由器的每一個接口都有一個 不同網(wǎng)絡號的 IP 地址。,網(wǎng)絡層,93,互聯(lián)網(wǎng)中的 IP 地址,B,222.1.1.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,,,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,22

50、2.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,互聯(lián)網(wǎng),路由器總是具有兩個或兩個以上的 IP 地址。 路由器的每一個接口都有一個 不同網(wǎng)絡號的 IP 地址。,網(wǎng)絡層,94,互聯(lián)網(wǎng)中的 IP 地址,B,222.1.1.,,,,,R1,,,,,,222.1.2.,,,,,,,,222.1

51、.3.2,,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,互聯(lián)網(wǎng),兩個路由器直接相連的接口處，可指明也可不指明 IP 地址。如指明 IP 地址，則這一段連線就構成了一種只包含一段線路的特殊“網(wǎng)絡” ?，F(xiàn)在常不指明 IP 地址。,網(wǎng)絡層,95,IP 地址與硬件地址,TCP 報文,IP 數(shù)據(jù)報,MAC 幀,應用層數(shù)據(jù),首部,首部,尾部,首部,網(wǎng)絡層,96,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主機 H1,主機 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域網(wǎng),局域網(wǎng),

52、局域網(wǎng),通信的路徑 H1經過 R1 轉發(fā)再經過 R2 轉發(fā)H2,查找路由表,查找路由表,網(wǎng)絡層,97,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主機 H1,主機 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域網(wǎng),局域網(wǎng),局域網(wǎng),IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,路由器 R1,IP 層上的互聯(lián)網(wǎng),MAC 幀,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 幀,MAC 幀,IP 數(shù)據(jù)報,從協(xié)議棧的層次上看數(shù)據(jù)的流動,網(wǎng)絡層,98,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主機 H1,主機 H2,路由器 R1,硬件地址

53、,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域網(wǎng),局域網(wǎng),局域網(wǎng),IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,路由器 R1,IP 層上的互聯(lián)網(wǎng),MAC 幀,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 幀,MAC 幀,IP 數(shù)據(jù)報,從虛擬的 IP 層上看 IP 數(shù)據(jù)報的流動,網(wǎng)絡層,99,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主機 H1,主機 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域網(wǎng),局域網(wǎng),局域網(wǎng),IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,路由器 R1,IP 層

54、上的互聯(lián)網(wǎng),MAC 幀,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 幀,MAC 幀,IP 數(shù)據(jù)報,在鏈路上看 MAC 幀的流動,網(wǎng)絡層,100,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,路由器 R1,IP 層上的互聯(lián)網(wǎng),MAC 幀,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 幀,MAC 幀,IP 數(shù)據(jù)報,在 IP 層抽象的互聯(lián)網(wǎng)上只能看到 IP 數(shù)據(jù)報 圖中的 IP1IP2 表示從源地址 IP1 到目的地址 IP2 兩個路由器的 IP 地址并不出現(xiàn)在 IP 數(shù)據(jù)報的首部中,網(wǎng)絡層,101,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主機 H1,主機 H2,路由器 R1,IP 層上的互聯(lián)網(wǎng),MAC 幀,IP2,IP4,IP3,IP5,