計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)-網(wǎng)絡層

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第3章（三）網(wǎng)絡層

本講目的:概述:

□理解網(wǎng)絡層服務原理□網(wǎng)絡層的服務

Q分層路由□分層的路由選擇

O處理系統(tǒng)的擴展□工P協(xié)議

Q前沿話題：IPv6

□子網(wǎng)和子網(wǎng)掩碼

□因特網(wǎng)的實現(xiàn)實例

□工CMP協(xié)議

□因特網(wǎng)的路由選擇協(xié)議

□域內(nèi)路由選擇

□域間路由選擇

□ARP協(xié)議和RARP協(xié)議

□網(wǎng)絡層(networklayer,internetlayer)

。任務：選擇合適的路由，把分組從源端傳送到目的端。

。功能與服務：

?在源端與目的端之間建立、維護、終止網(wǎng)絡的連接

?路由選擇和分組中轉(zhuǎn)

?流量控制和擁塞控制

?多路復用：為多個傳輸層實體提供網(wǎng)絡連接服務

?分段與組合：大數(shù)據(jù)塊分段，小數(shù)據(jù)塊組合

?差錯檢測與恢復

?流量統(tǒng)計和記賬

鏈路層的任務兩節(jié)點間可靠的數(shù)據(jù)傳輸

網(wǎng)絹縣的在冬沿兩端點間的最佳路由傳輸數(shù)據(jù)

中后口JIH打（主機間的邏輯通信）

□在收發(fā)主機之間傳輸分組

□網(wǎng)絡層協(xié)議必須在每一臺主機application

什ansDort

和路由器上實現(xiàn)network

network

physical

networkdatalinknetwork

三項重要功能：datalinkphysicaldatalink

physicalphysical

□路徑?jīng)Q策:為分組在收發(fā)雙方之network

datalink

間確定路徑，路由選擇算法physicalnetwork

datalink

□交換:在路由器的輸入、輸出端physical

口傳遞分組network

networkdatalink

datalinkphysical

口建立連接:某些網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)physical

network

要求在數(shù)據(jù)流經(jīng)之前，在所經(jīng)datalinkapplication

physicaliransDort

由的路由器中建立連接(callnetwork

setup)physical

網(wǎng)絡服務模型

Q：對收發(fā)雙方而言，

到底采用什么樣的“

信道(channel)”網(wǎng)絡層所提供的

服務模曾最重要的抽象是：

u

o□保證帶寬？

-

+-Q□還原分組間的時序(消除

D虛電路

J抖動)？

4-s或

q

D

2n無損傳遞？數(shù)據(jù)報?

2

>□有序傳遞？

L

.N

S□向發(fā)送端反饋擁塞信息？

LJ

。路由選擇

?如何在多條通信路徑中找一條最佳路徑？

-依據(jù):速度,距離（步跳數(shù)）,價格,擁塞程度

?路由器一一路由表建立與維護

-靜態(tài)：人工設(shè)置，只適用于小型網(wǎng)絡

-動態(tài)：運行過程中根據(jù)網(wǎng)絡情況自動地動態(tài)維護

?路由算法一一建立與維護路由表的方法

_-距離向量算法：RIP、CGP等

-鏈路狀態(tài)算法：OSPF等

路由器的構(gòu)成

□當主機A要向另一個主機B發(fā)送數(shù)據(jù)報時，先要檢

查目的主機B是否與源主機A連接在同一個網(wǎng)絡上

O

□如果是，就將數(shù)據(jù)報直接交付給目的主機B而不需要

通過路由器。

□但如果目的主機與源主機A不是連接在同一個網(wǎng)絡上

,則應將數(shù)據(jù)報發(fā)送給本網(wǎng)絡上的某個路由器，由該

路由器按照轉(zhuǎn)發(fā)表指出的路由將數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)給下一個

路由器。這就叫作間接交付。

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r：x

直接交付和間接交付

A直接交付

-i間接交付間接交付間接交付

一7、

直接交付

、IB

直接受需要使用路由器

但間接交付就必須使用路由器

典型的路由器的結(jié)構(gòu)

路由選擇處理機

3-----網(wǎng)絡層

路由選擇協(xié)議

2——數(shù)據(jù)鏈路層路由

1-----物理層路由表選擇

輸入端口輸出端口

332

■分組

輸入端口輸出端口羲發(fā)

建.’

--?I13交換結(jié)構(gòu)?A3

“轉(zhuǎn)發(fā)”和“路由選擇”的區(qū)

別

口“轉(zhuǎn)發(fā)”(forwarding)就是路由器根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表將用戶

的HP數(shù)據(jù)報從合適的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。

n“路由選擇"(routing)則是按照分布式算法，根據(jù)從

各相鄰路由器得到的關(guān)于網(wǎng)絡拓撲的變化情況，動態(tài)

地改變所選擇的路由。

口路由表是根據(jù)路由選擇算法得出的。而轉(zhuǎn)發(fā)表是從路

由表得出的。

□在討論路由選擇的原理時，往往不去區(qū)分轉(zhuǎn)發(fā)表和路

由表的區(qū)別，

輸入端口對線路上

收到的分組的處理

口數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢臀膊亢螅瑢⒎纸M送到網(wǎng)絡層

的隊列中排隊等待處理。這會產(chǎn)生一定的時延。

輸入端口的處理

從

線

交

路

換

接

結(jié)

收

構(gòu)

分

組

n當交換結(jié)構(gòu)傳送過來的分組先進行緩存。數(shù)據(jù)鏈路層

處理模塊將分組加上鏈路層的首部和尾部，交給物理

層后發(fā)送到外部線路。

輸出端口的處理

向

網(wǎng)絡層處理線

分組排隊路

發(fā)

數(shù)據(jù)鏈路層送

物理層處理分

處理

組

緩存管理

路由選擇

P路由選擇協(xié)議------

目標：在收發(fā)雙方的通信過程

中為分組（所經(jīng)由的一系列路

由器中）確定一條“好”的路

路由選擇算法的圖形抽象:

□圖中的結(jié)點是路由器

□圖中的線條為物理鏈路

□鏈路成本：延遲，￥費用,口“好”路：

或擁塞的程度□一般為費用最低的路徑

O也可以另行定義

路由算法分類

全局或分散的信息？靜態(tài)或動態(tài)的？

全局：靜態(tài)：”

□所有路由器都有完整的拓撲邏

輯,鏈路成本信息a路由變化較少的情況

□'linkstate,算法動態(tài)：

分散：a路由變化較快的情況

□路由器只了解物理上鄰接的路□定期更新

由器，了解到達這些路由器的

鏈路成本。為了響應鏈路成本的

□通過迭代計算處理，可與相鄰變化

路由器交換信息

□''distancevector**算法

15

LJ

互聯(lián)網(wǎng)與因特網(wǎng)

n互連在一起的網(wǎng)絡要進行通信，會遇到許多問題需要解決，如:

O不同的尋址方案

O不同的最大分組長度

O不同的網(wǎng)絡接入機制

O不同的超時控制

O不同的差錯恢復方法

O不同的狀態(tài)報告方法

O不同的路由選擇技術(shù)

O不同的用戶接入控制

O不同的服務（面向連接服務和無連接服務）

O不同的管理與控制方式

虛擬互連網(wǎng)絡的意義

□所謂虛擬互連網(wǎng)絡也就是邏輯互連網(wǎng)絡，它的意思就

是互連起來的各種物理網(wǎng)絡的異構(gòu)性本來是客觀存在

的，但是我們利用工P協(xié)議就可以使這些性能各異的

網(wǎng)絡從用戶看起來好像是一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡。

□使用IP協(xié)議的虛擬互連網(wǎng)絡可簡稱為HP網(wǎng)。

n使用虛擬互連網(wǎng)絡的好處是：當互聯(lián)網(wǎng)上的主機進行

通信時，就好像在一個網(wǎng)絡上通信一樣，而看不見互

連的各具體的網(wǎng)絡異構(gòu)細節(jié)。

因特網(wǎng)的網(wǎng)際協(xié)議工P

網(wǎng)際協(xié)議工P是TCP/IP體系中兩個最主要的協(xié)議之一。

與工P協(xié)議配套使用的還有四個協(xié)議：

□地址解析協(xié)議ARP

(AddressResolutionProtocol)

口逆地址解析協(xié)議RARP

(ReverseAddressResolutionProtocol)

□因特網(wǎng)控制報文協(xié)議工CMP

(InternetControlMessageProtocol)

口因特網(wǎng)組管理協(xié)議工GMP

(InternetGroupManagementProtocol)

網(wǎng)際協(xié)議HP及其配套協(xié)議

各種應用層協(xié)議

應用層

(TELNET,FTP,SMTP等)

運輸層TCP,UDP

ICMPIGMP

網(wǎng)際層IP

RARPARP

網(wǎng)絡接口層與各種網(wǎng)絡接口

物理硬件

工P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［RFC950］在1985年通過。

□構(gòu)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。

分類工P尋址:

□IP地址：32-bit用來

定義主機，路由器的接

口

□接口:連接主機,路由器

之間的物理鏈路

□路由器一般有多個接口

O主機也可能有多個網(wǎng)絡

接口[1

oIP地址只和接口有關(guān)，

而與主機,路由器卻沒有

太多關(guān)聯(lián)

=11011111000000010000000100000001

I______________I]_________11______________I]

223111

23：

工P尋址

□IP地址：

O網(wǎng)絡部分（高序位）

O主機部分（低序位）

□網(wǎng)絡是什么?（從IP地

址的視角）

。工P地址中網(wǎng)絡部分相同

的設(shè)備接口

O不經(jīng)過路由器就可以物

理上相互通達的設(shè)備

由3個工P網(wǎng)絡組成的網(wǎng)絡

（對于以223開頭的工P地址，前24位

為網(wǎng)絡地址）

24

工P地址

為討論“網(wǎng)絡”的說法，重新審視工P地址:

“分類”編址：

32bits

保留的工P地址

□以下這些IP地址具有特殊的含義:

?般來說,主機號部分為全“工”的卬地址保留用作廣播地址

劃分子網(wǎng)

□為什么要劃分子網(wǎng)？

。工P分類不合理，地址空間利用率低

?美國的某些機構(gòu)擁有的地址空間甚至比其他一些國家的全部地址

空間還大

□每個網(wǎng)絡都指定一個網(wǎng)絡地址將使路由表太大

?增加了路由器成本

?查找路由耗時增加

?路由器之間交換的路由信息增加

□兩級工P地址不夠靈活

?不能充分利用已申請到的地址資源擴充新的網(wǎng)絡

-如何在現(xiàn)有的地址范圍中建立多個網(wǎng)絡？

□劃分子網(wǎng)（Subnetting}

。又稱子網(wǎng)尋址/時子網(wǎng)1：

00001000010100000010101xxxxxxxxxxxxxx

。方法：網(wǎng)絡號子網(wǎng)號主機號

?從工P地址的主子網(wǎng)2：

-主機編號部分相000010100000010110xxxxxxxxxxxxxx

網(wǎng)絡號子網(wǎng)號主機號

O例如:

?原來的網(wǎng)絡：

?借用2位劃分子網(wǎng)后：10564.0和105128.0

口子網(wǎng)的特點：

Q多個子網(wǎng)可以運行在同一物理網(wǎng)絡上。

。劃分子網(wǎng)后，原來的網(wǎng)絡對外仍呈現(xiàn)為一個完整的網(wǎng)絡

,外面看不見其內(nèi)部的子網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

。即：劃分子網(wǎng)完全是該網(wǎng)絡內(nèi)部的事務，與外部無關(guān)。

在一個物理網(wǎng)絡上運行多個子網(wǎng)

子網(wǎng)1的主機子網(wǎng)2的主機

frfW—MW0■■??■■?MMBMMB'

劃分子網(wǎng)后,網(wǎng)絡對外仍是一個網(wǎng)絡

:所有目的地址為

：10.5.X.X的分組均

到達此路由器

子網(wǎng)掩碼

a子網(wǎng)掩碼的作用

□使網(wǎng)絡內(nèi)的計算機了解子網(wǎng)劃分的結(jié)構(gòu)

□使邊緣路由器了解子網(wǎng)劃分的結(jié)構(gòu)

□子網(wǎng)掩碼的格式

。子網(wǎng)掩碼也是32bit長的二進制數(shù)，由一串連續(xù)的1后跟

一串連續(xù)的0組成；

。前面的1與網(wǎng)絡號和子網(wǎng)號對應，后面的0與主機號對應

o如前面的例子：

,子網(wǎng)結(jié)構(gòu)為：0000101000000101ssxxxxxxxxxxxxxx

,子網(wǎng)掩碼為：11xxxxxxxxxxxxxx

寫成十進制數(shù)為：

32

□不劃分子網(wǎng)時，各類工P地址默認的子網(wǎng)掩碼為:

oA類：

QB類：

QC類:

口已知工P地址和子網(wǎng)掩碼，如何計算子網(wǎng)地址?

。用子網(wǎng)掩碼和工P地址“相與”（AND操作），結(jié)果就是

子網(wǎng)地址。

。例如：工P地址,子網(wǎng)掩碼。則

可計算出的子網(wǎng)地址為

00001010000001010110000000000001

AND)11111111111111111100000000000000

■00001010000001010100000000000000(=)

推論：若兩個IP地址具有完全相同的子網(wǎng)地址，則它們在同一子網(wǎng)中。

工P尋址

如何找到網(wǎng)絡？223.1.1.1.1.4

□先斷開路由器，主機間

的接口連接

□建立一個“被隔離的223.1.9.2/\

網(wǎng)絡孤島”

223188

由6個網(wǎng)絡組成的

互聯(lián)系統(tǒng)

223、.3.27

L

(——-Z1223.1.2.2~^122：

DhObObf￡Ih

LJ

>?4?,

分組的旅行過程

routingtableinA

Dest.Net.nextrouterNhops

223.1.11

223.1.22

工P分組:

223.1.32

miscsourcedest,+I

data

fieldsIPaddrIPaddr

口在旅行過程中分組保持不變

2231.1X^223.129|

223.1.2.

71-

fi

分組的旅行過程

miscDest.Net.nextrouterNhops

data1

fields223.1.11

由A發(fā)送給E：223.1.22

223.1.32

□檢查E的網(wǎng)絡地址

在不同網(wǎng)絡上

nE

QA,E沒有直接的連接

□路由表：至!JE下一步跳的路由器

的地址為2231.1X^223.129|

鏈路層將分組封裝在鏈路層幀

n223.1.2.

中發(fā)給地址為的路71-

由器

□分組到達

□繼續(xù)..…

分組旅行的過程

Dest.next

misc

datanetworkrouterNhopsinterface

fields1

223.1.1-1

分組到達了223.1.1.4,而223.1.2-1

信宿為223.1.3-17

□查找E的網(wǎng)絡地址

□E與路由器的接口在

萬一網(wǎng)絡中

。路由器，E直接連接

口鏈路層將分組放入鏈路幀經(jīng)過地

址為的接口發(fā)送到

□數(shù)據(jù)分組到達!!!

LJ

逆地址解析協(xié)議RARP

□不管網(wǎng)絡層使用的是什么協(xié)議，在實際網(wǎng)絡的鏈路上傳送

數(shù)據(jù)幀時，最終還是必須使用硬件地址。

口每一個主機都設(shè)有一個ARP高速緩存(ARPcache),里面

有所在的局域網(wǎng)上的各主機和路由器的IP地址到硬件地

址的映射表。

□當主機A欲向本局域網(wǎng)上的某個主機B發(fā)送工P數(shù)據(jù)報

時，就先在其ARP高速緩存中查看有無主機B的工P地

址。如有，就可查出其對應的硬件地址，再將此硬件地址

寫入MAC幀，然后通過局域網(wǎng)將該MAC幀發(fā)往此硬件

地址。

主機A廣播發(fā)送

ARP請求分組，我是209.005,硬件地址是00-00?C0?15-AD-18

I我想知道主機的硬件地址

^ARP請求|請求a|ARP請求?|ARP請求R

，209005I|I

itrAu以丫」B犯z

_________________________I______,______,______、

00-00-C0-15-AD-18

今收［我是

ARP響應刀組硬件地址是08-00-2B-00-EE-0A

仁ARP響應

ARP高速緩存的作用

□為了減少網(wǎng)絡上的通信量，主機A在發(fā)送其

ARP請求分組時，就將自己的工P地址到硬件地

址的映射寫入ARP請求分組。

口當主機B收到A的ARP請求分組時，就將主

機A的這一地址映射寫入主機B自己的ARP

高速緩存中。這對主機B以后向A發(fā)送數(shù)據(jù)報

時就更方便了。

應當注意的問題

□ARP是解決同一個局域網(wǎng)上的主機或路由器的IP

地址和硬件地址的映射問題。

□如果所要找的主機和源主機不在同一個局域網(wǎng)上，

那么就要通過ARP找到一個位于本局域網(wǎng)上的某

個路由器的硬件地址，然后把分組發(fā)送給這個路由

器，讓這個路由器把分組轉(zhuǎn)發(fā)給下一個網(wǎng)絡。剩下

的工作就由下一個網(wǎng)絡來做。

應當注意的問題

□從工P地址到硬件地址的解析是自動進行的，主機的

用戶對這種地址解析過程是不知道的。

□只要主機或路由器要和本網(wǎng)絡上的另一個已知IP

地址的主機或路由器進行通信，ARP協(xié)議就會自

動地將該IP地址解析為鏈路層所需要的硬件地址

使用硬件地址進行通信?

□由于全世界存在著各式各樣的網(wǎng)絡，它們使用不同的硬

件地址。要使這些異構(gòu)網(wǎng)絡能夠互相通信就必須進行非

常復雜的硬件地址轉(zhuǎn)換工作，因此幾乎是不可能的事。

□連接到因特網(wǎng)的主機都擁有統(tǒng)一的HP地址，它們之間

的通信就像連接在同一個網(wǎng)絡上那樣簡單方便，因為調(diào)

用ARP來尋找某個路由器或主機的硬件地址都是由計算

機軟件自動進行的，對用戶來說是看不見這種調(diào)用過程

的。

逆地址解析協(xié)議RARP

口逆地址解析協(xié)議RARP使只知道自己硬件地址

的主機能夠知道其工P地址。

□這種主機往往是無盤工作站。因此RARP協(xié)議

目前已很少使用。

--

LJ

工P數(shù)據(jù)報的格式

□一個IP數(shù)據(jù)報由首部和數(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

所有工P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。

優(yōu)先級DTRC未用

A比特04816192431

版本首部長度服務類型總長度

固

定標識標志片偏移

首

部

部生存時間協(xié)議首部檢驗和

分

源地址

目的地址

信

可

立

防：

？

口可選字段（長度可變）填充：

數(shù)據(jù)部分，

傳送〈首部數(shù)據(jù)部分

IP數(shù)據(jù)報

優(yōu)先級DTRC未用

A比特04816192431

版本首部長度服務類型總長度

面

標識標志片偏移

首

定

部生存時間協(xié)議首部檢驗和

量源地址

目的地址

疆

：：::

？可選字段（長度可變）填充

數(shù)據(jù)部分

「j

首部數(shù)據(jù)部分

IP數(shù)據(jù)報

優(yōu)先級DTRC未用

傳送首部數(shù)據(jù)部分

IP數(shù)據(jù)報

優(yōu)先級DTRC未用

版本一占4bit,指IP協(xié)議的版本

目前的IP協(xié)議版本號為4（即IPv4）

未

優(yōu)

先

級

DTRC用

O48d69d

i24i

版本&部長同服務類型

總長度

固

定標識標志片偏移

.幫

首生存時間協(xié)議首部檢驗和

部

源地址

目的地址

可選字段（長度可變）I填充

數(shù)據(jù)部分

首部長度——占4bit,可表示的最大數(shù)值

是15個單位（一個單位為4字節(jié)）

因此IP的首部長度的最大值是60字節(jié)。

優(yōu)先級DTRC未用

比特04816192431

首部長④服務類型

版本總長度

—

固I

定標識標志片偏移

首

部

部生存時間協(xié)議首部檢驗和

分

源地址

目的地址

可變

:可選字段（長度可變）填充：

部分

數(shù)據(jù)部分

服務類型一占8bit,用來獲得更好的服務

這個字段以前一直沒有被人們使用

優(yōu)先級DTRC未用

比特04816192431

版本首部長度服務類型I總長度I

—

固

定標識標志片偏移

首

部

部生存時間協(xié)議首部檢驗和

分

源地址

目的地址

可變

:可選字段（長度可變）填充::

部分

數(shù)據(jù)部分

總長度——占16bit,指首部和數(shù)據(jù)之和的長度，

單位為字節(jié)，因此數(shù)據(jù)報的最大長度為65535字節(jié)。

56

標識(ident幣cation)占16bit,

它是一個計數(shù)器，用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)報的標識。

標識(ident幣cation)占16bit,

它是一個計數(shù)器，用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)報的標識。

優(yōu)先級

DT

RC未用

比特04816192431

首部長度

版本服務類型

總長度___________

-固

定標志I

標識

首I片偏移I

部部

生存時間首部檢驗和

分協(xié)議

源地址

目的地址

可變工

可選字段（長度可變）填充

部分工

數(shù)據(jù)部分

片偏移（12b讓）指出：較長的分組在分片后