计算机网络4网络层

网络层,网络层概述 关键的网络层功能:选路和转发 网络层提供的两种服务 IPV4地址 标准分类IP地址：网络接口与IP地址、物理地址与IP地址、如何划分、 划分子网的三级地址结构：划分的方法、子网掩码 可变长度子网掩码VLSM 无类别域间路由CIDR技术 专用IP地址与内部网络地址规划方法 网络地址转换NAT技术,IPv4协议数据报格式 首部格式 IP分组的分片与组装 路由选择算法与分组交付 分组交付的基本概念：直接交付和间接交付 路由选择算法的分类：静态路由表和动态路由表 路由选择算法与路由表：标准路由选择算法、 子网的路由选择、 IP路由汇聚 路由表的建立、更新与路由选择协议:RIP、OSPF、BGP 互联网控制报文协议ICMP ICMP报文类型 ICMP的应用 地址解析协议ARP,5.1 网络层概述,在发送侧接收传输层报文段 在发送侧将段封装进数据报 将数据报向相邻路由器发送 在接收侧，向运输层交付段 网络层协议在每台主机、路由器中 当IP数据报通过路由器时，路由器检查所有数据报首部字段,路由器的作用：将数据报从入链路转发到出链路； 路由器协议栈：没有网络层以上的部分,如何工作？,1. 关键的网络层功能,转发: 将分组从路由器的输入移动到适当的路由器输出。 路由器本地动作 选路: 决定分组从源到目的地所采用的路由或路径 决定端到端路径的网络范围的进程 选路算法（计算路径的算法）,类比: 选路: 规划从源到目的地路径的过程 转发: 通过单个立交桥的过程,1,2,3,0111,到达分组首部的值,选路算法,选路和转发相互影响,关键问题： 路由器中的转发表如何配置？ 揭示了选路和转发的相互作用关系。,方法1： 路由器接收选路协议报文来配置路由表。选路算法：决定了插入路由器的转发表的值。 方法2： 人工配置路由表；,2. 网络层提供的两种服务,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。 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,面向连接的通信方式 建立虚电路(Virtual Circuit)，以保证双方通信所需的一切网络资源。 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 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。 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,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。 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）。 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,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）。 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）。 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。 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,H2,IP 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,3.虚拟互联网络,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： 不同的寻址方案 不同的最大分组长度 不同的网络接入机制 不同的超时控制 不同的差错恢复方法 不同的状态报告方法 不同的路由选择技术 不同的用户接入控制 不同的服务（面向连接服务和无连接服务） 不同的管理与控制方式,没有一种单一的网络能够适应所有用户的需求,中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。 物理层中继系统：中继器(repeater)和集线器（hub）。 数据链路层中继系统： 网桥(bridge)或以太网交换机（Switch）。 网络层中继系统：路由器(router)。,网络互相连接起来 要使用一些中间设备,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。 网关由于比较复杂，目前使用得较少。 互联网都是指用路由器进行互连的网络。 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）,5 4 3 2 1,主机 H1,主机 H2,R1,R4,R5,R2,R3,R1,R2,R3,H1,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,分组在互联网中的传送,5.2 IPV4地址 1. 标准分类IP地址,IP地址及其表示方法 因特网上每一个主机或路由器的每一个网络接口分配一个唯一的32位的标识符； IP地址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地址通常用点分十进制表示,223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001,223,1,1,1,IP地址的编址方法经过了4个阶段 标准分类IP地址：最基本的编址方法； 子网的划分：对最基本的编址方法的改进； 构成超网：比较新的无分类编址方法； 网络地址转换：解决IP地址短缺的问题；,网络地址的基本概念,连接到每个局域网的计算机都有一个MAC地址，即物理地址； MAC地址的长度为48位，在网卡出厂时就被固化在网卡的EPROM中； MAC地址是数据链路层地址，它为数据链路层软件使用，用来标识接入局域网的一台主机； IP地址是网络层的地址，主要用于路由器的寻址，网络层是通过软件来设置，因此人们也把它称为逻辑地址。 分类的IP地址，每一类地址都由两个固定长度的字段组成； 一个是网络号（Net-id），表示主机或路由器所连接到的网络，网络号在因特网范围必须是唯一的； 另一个是主机号（Host-id），表示该主机或路由器，主机号在网络号指明的范围内必须是唯一的； 因此IP地址在整个因特网范围是唯一的； IP地址:=,21,从IP地址的结构来看，IP地址不仅仅指明了一个主机，还指明了主机所连接到的网络。,网络接口与IP地址的关系,网络接口: 用于连接主机与路由器之间的物理链路： 路由器有多个接口 主机可能有一个，也可能有多个接口 IP地址只与设备的网络接口有关,IP地址的划分,A类地址 A类地址的网络号的第1位为0，其余的7位可以分配； A类地址共分为大小相同的128（27=128）块，每一块的net ID不同； net ID=10的10.0.0.010.255.255.255用于专用的地址，其余的125块可指派给一些机构； 每个A类网络可以分配的主机号host ID可以是224-2=16 777 214个； 主机号为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的。 A类地址覆盖范围为：1.0.0.0-127.255.255.255。,B类地址 B类地址的网络号长度为14位，网络号有 214=16384个； B类地址的主机号长度为16位，因此每个B类网络 可以有216=65 536个主机号； 主机号为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的； B类地址覆盖范围为：128.0.0.0191.255.255.255。,C类地址 对于C类IP地址，网络号长度为21位，主机号长度为8位； 网络号长度为21位，允许有221=2 097 152个不同的C类网络； 主机号长度为8位，每个C类网络的主机号最多有28=256个； 主机号为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的，一个C类IP地址允许分配的主机号为254个； C类地址覆盖范围为：192.0.0.0-223.255.255.255,D类IP地址 D类IP地址地址覆盖范围为： 224.0.0.0239.255.255.255 D类IP地址用于多播（一对多通信）。 E类IP地址 E类IP地址地址覆盖范围为： 240.0.0.0247.255.255.255 E类地址用于某些实验和将来使用。,特殊的IP地址,直接广播地址 在A类、B类与C类IP地址中，主机号是全1的地址为直接广播地址； 它是用来使路由器将一个分组以广播方式发送给特定网络的所有主机。 受限广播地址 如果网络号网络号与主机号的32位全1的IP地址（255.255.255.255）为受限广播地址； 它是用来将一个分组以广播方式发送给本物理网络中的所有主机。,29,“这个网络上的特定主机”地址 在A类、B类与C类IP地址中，网络号为全0的地址为这个网络上的特定主机地址； 路由器接到这样分组的目的地址时，不会向外转发该分组，而是直接交付给本网络中的目的主机。 回送地址（lookback address） A类IP地址中127.0.0.0是回送地址； 回送地址用于网络软件测试和本地进程间通信。,30,专用IP地址,RFC1918提出了在A、B、C三类IP地址中各保留一部分地址作为专用IP地址，用于使用TCP/IP协议但不接入互联网的内部网络，或者需要向互联网发送需要将专用地址转换成公用IP地址的内部网络。 保留的专用地址：,31,IP地址的一些重要特点,IP地址分两部分是一种分等级的地址结构，好处 IP地址管理机构只分配网络号（第一级），主机号（第二级）由得到该网络号的单位自行分配； 路由器只根据目的主机所连接的网络号来转发分组，使得路由表中的项目数大幅度减少，减小了路由表所占的存储空间以及查找路由表的时间； IP地址是标志一个主机或路由器和一条链路的接口。 多归属主机：连接到两个网络上时，必须具有两个相应IP地址，且网络号必须不同 路由器至少应当有两个不同的IP地址； 一个网络是指具有相同网络号Net-id的主机的集合，具有不同网络号的的局域网必须使用路由器进行互连； IP地址中，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;,B,222.1.1.,222.1.1.1,222.1.1.2,222.1.1.3,222.1.1.4,R1,222.1.2.5,222.1.2.2,222.1.2.1,222.1.2.3,222.1.2.4,222.1.2.,222.1.6.1,222.1.5.1,222.1.5.2,222.1.6.2,222.1.4.1,222.1.4.2,222.1.3.3,222.1.3.2,222.1.3.1,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.