第7章-网络层.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第7章 网络层,本章基本要求,：,掌握,IP,地址的规划及子网划分技术,掌握网络层中源到目标分组传输的实现机理,理解网络层的主要功能,理解数据报和虚电路的区别,理解路径选择的作用与实现,理解,IP,协议、,ARP,协议和,ICMP,协议的作用,理解路由器的功能,了解拥塞控制的概念,了解,IP,报文的格式,了解静态路由与动态路由的特点及实现方法。,7.网络层功能概述,网络层的重要位置：,1、网络层的主要功能,（1）建立、维持和拆除网络连接,在网络层的虚电路服务中，要涉及到虚电路的建立、维持和拆除过程。,（2）分组的组装和拆封（组包/拆包）,（3）路由选择，即进行最佳路径选择。,（4）,拥塞控制和负载平衡,（5）,异构网络互连,2、网络层提供的服务,数据报（无连接的）,虚电路（面向连接的）,连接设置,不需要,需要,地址,每个分组需要完整的源和目的地址,每个分组包含一个虚电路号,状态信息,有路由表，无连接表,连接表,路由选择,每个包独立选择,虚电路建立后勿需路由,路由器失败的影响,丢失失败时的分组,所有经过失败路由器的,VC,失效,传输质量,同一报文会出现乱序、重复、丢失,同一报文的不同分组不会出现乱序、重复、丢失,IP,TCP,UDP,7.2,TCP/IP,的网络层,在,TCP/IP,中称为互联层或网际层。位置如下：,ICMP,IGMP,OSPF,ARP,RARP,BGP,FTP,TELNET,HTTP,SMTP,SNMP,RPC,NFS,RIP,MIME,应用层,传输层（或运输层）,网间网层,1、,IP,协议,集中体现在,IP,数据报(,IP,分组)之中。,IP,数据报的组成,：由一个,头部,和一个,数据区,构成。,IP,数据报的头部有20字节的固定长度和一个任意长的可选项。,如下图所示。,0 4 8 16 31,报头,数据区,版本字段,：记录数据报属于哪个版本的协议。,IHL,字段,：头部有多长，以32位为一个单位，最小值为5。,服务类型字段,（,Type Of Service）,：,告诉子网想要什么样的服务。（8,bit，,优先级3,bit、,时延1,bit、,吞吐量1,bit、,可靠性1,bit、,费用1,bit,总长字段,：,头部和数据部分的总长度。,标识字段,：,用来让目的主机判断新来的分段属于哪个分组，所有属于同一分组的分段包含同样的标识值。,DF,位,：表示不要分段。,MF,位：,表示还有进一步的分段。,分段偏移,：说明分段在当前数据报中的位置。,生命期,TTL,(Time To Live),或称,生存时间,字段：限制分组的最大生存时间，最大值为255，协议推荐以秒为单位。实际上，,TTL,值以结点数计数。,TTL,在经过每个结点时都递减（若排队等待转发，则会成倍递减）。一旦,TTL,的值小于等于0，便将该分组从网中删除，并向信源机发回一个出错信息。,TTL,可以防止分组在网间网中无休止地流动。,协议,字段,：指出该数据报携带的传输层所使用的协议类型（比如,TCP,或,UDP）。,还有其他协议，如,ICMP、EGP、IGP、OSPF,等。,头部校验和字段,：用来校验头部。,2、,IP,地址,IP,地址是,TCP/IP,的网络层用以标识网络中主机的逻辑地址。,可以唯一标识,Internet,中的一台主机。,转发设备（如路由器）可以根据分组中的目的,IP,地址将分组转发到目的网络，然后再根据,ARP（,地址解析协议）将目的主机的物理地址（,MAC,地址）将数据传送给该目的主机。,IP,地址是一个32位的二进制数，通常用打点十进制数字表示。每个,IP,地址分为4段（每段8位二进制数），分别用小数点隔开，如210.33.46.59。,IP,地址分类,：,A、B、C、D,和,E,类。,其中，,D,类地址为多点播送地址，,E,类地址留作将来使用。我们所接触的通常是,A、B,和,C,类,IP,地址。,一个,IP,地址由部分组成：,网络地址（网络号、网络标识）,和,网络中的主机地址（主机号、主机标识）,。,位于同一网络中的主机必然具有相同的网络,标识,。,网络号全0表示本网中的主机。,主机标识部分全0和全1都有特殊用途：主机号,全为1表示本网的广播地址，全为0表示本网。,一些特殊的保留地址:,A,类地址,：高8位表示网络地址，但最高位固定为0，如,0,NNNNNNN,HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH,全0表示本网,IP,地址，而,01111111,HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH,即,127.,x.y.z,又称回送地址，用作,回路（,loopback,),测试，所以，,A,类网络标识值从1至126，即,A,类网络地址共有126个。,低24位为主机地址，所以一个,A,类,网络内最多可以有2,24,-2台主机。,B,类地址,：高16位表示网络地址，所以共有2,14,个,B,类网。低16位表示主机地址，所以一个,B,类网络内最多只能有2,16,-2台主机。,10,NNNNNNNNNNNNNN,HHHHHHHHHHHHHHHH,B,类地址的第一个打点十进制值为128-191。,C,类地址,：高24位表示网络地址，所以共有2,21,个,C,类网。低8位表示主机地址，所以一个,C,类网络内最多只能有2,8,-2台主机。,110,NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN,HHHHHHHH,C,类地址的第一个打点十进制值为192-223。,私有地址(,private address),私有地址仅供网络内部使用，其地址范围包括三个部分，即,10.0.0.0-10.255.255.255,172.16.0.0-172.31.255.255,192.168.0.0-192.168.255.255,以私有地址作为,IP,地址的主机若要访问外面的因特网，必须采用网络地址翻译,NAT(Network address translation),或应用代理(,proxy),进行转换。,3、子网划分,任何一个,A、B,和,C,类网络中都有可容纳的,最大主机数,。例如，,一个,C,类网络最多只能安装254台机器，当超过这个数时，就要另外申请一个,C,类网络。,一个,B,类网络最多可容纳65 534台主机，如此大规模的单一的物理网络几乎是不可能的。,这样，网络部分=,网络标识（也称网间网标识）+子网标识,子网,编址,技术,：,就是将,原,主机部分,划分为,子网部分,和,主机部分,。,在一个网络内可以划分出若干个,子网,。,例如，设子网部分占4比特，则子网个数为2,4,=16，可用的有16-2=14个，全0和全1有特殊用途。,子网中位数,子网数量,有效子网数量,1,2,1,=2,2-2=0,2,2,2,=4,4-2=2,3,2,3,=8,8-2=6,4,2,4,=16,16-2=14,5,2,5,=32,32-2=30,6,2,6,=64,64-2=62,7,2,7,=128,128-2=126,8,2,8,=256,256-2=254,9,2,9,=512,512-2=510,.,下面是一个,C,类网络,202.11.2.0,，一个由路由器其分成了三个相对独立的网段，并且每个网段的主机数不超过30台。,若使每个网段成为一个子网络，主机部分占5位，则每个子网中最多可安装2,5,-2=30台主机。,第,n,个子网,地址范围,网络号,广播地址,1,202.11.2.0-202.11.2.31,202.11.2.0,202.11.2.31,2,202.11.2.32-202.11.2.63,202.11.2.32,202.11.2.63,3,202.11.2.64-202.11.2.95,202.11.2.64,202.11.2.95,4,202.11.2.96-202.11.2.127,202.11.2.96,202.11.2.127,5,202.11.2.128-202.11.2.159,202.11.2.128,202.11.2.159,6,202.11.2.160-202.11.2.191,202.11.2.160,202.11.2.191,7,202.11.2.192-202.11.2.223,202.11.2.192,202.11.2.223,8,202.11.2.224-202.11.2.255,202.11.2.224,202.11.2.255,如何划分子网部分与主机部分？,不同网点的情况不同：有些网点网络多，但每个网络上的主机少；有些网点网络少，但每个网络上的主机多。,首先要,明确所需的子网数量,和,每个子网中所要拥有的主机数,，然后再确定网络部分和主机部分的比特位数，,以便选择最合理的子网划分。,引入子网划分技术可以有效提高,IP,地址的利用率，从而可节省宝贵的,IP,地址资源。,假设上例中没有子网划分技术，则至少需要申请三个,C,类地址。,4、子网掩码,（,subnet mask）,引入子网划分之后，,主机或路由设备如何确定目的子网？,IP,协议规定，每一个使用子网的网点都选择一个32位的位模式与32位的,IP,地址相对应。,对应网络部分的各位都为“1”，对应主机部分的各位都为“0”,。这就是,子网掩码,。,例如，从子网掩码2552552550可知，网络部分占前3个字节，主机部分占后1个字节。,而从2552552520 可知，网络部分占22位，主机部分占10位。,注意：同一个网络的子网掩码相同。,目的子网的确定：,IP,地址与子网掩码按位“与”之后，便得到一个完整的网络地址,。,尽管这些子网的,网际网标识,相同，但是由于它们的子网号不同，因而可以惟一地确定一个目的子网。,一个单位申请了一个,B,类网络，其部分子网如下所示。,网间网其余部分,R2,R1,R3,R4,128.11.10.1,128.101.1.11,128.101.1.0,128.101.4.1,128.101.1.16,128.101.3.1,128.101.1.14,128.101.2.1,128.101.1.12,128.101.4.0,128.101.3.0,128.101.2.0,上述网络为,B,类网络，网间网的网络地址为,128.101.0.0。,现从原主机部分划出一个字节作为子网部分，剩下的一个字节作为划分后的主机部分。,因此，子网掩码为255.255.255.0,子网掩码的另一种写法,，如,从128.101.1.12/,24,中可知，子网掩码占24位，即255.255.255.0。,5、,Internet,控制协议,除了用于数据传送的,IP,协议外，,Internet,还有多个用于网络层的控制协议，包括,ICMP,、,ARP,和,RARP,等。,（1）,Internet,控制消息协议,ICMP,（,Internet control message protocol,）,当,Internet,中发生意外事件时，由,ICMP,报告；用,ICMP,也可检测网络,，包括路由、拥塞、服务质量等问题。,常见的,ICMP,消息类型：,关于网络状态测试工具“,Ping”,和“,Tracert,”,就都是基于,ICMP,实现的。,例如，常用的,ping,命令一般用回声请求(,echo request),和回声应答,(,echo reply),消息。如,ping 127.0.0.1，则显示：,reply from127.0.0.1,bytes=,time=,TTL=,或者显示：,超时,等信息。,例如,ping,192.168.1.1,则向目的主机,192.168.1.1,发送若干个,ICMP,包，,以测试两主机是否能正常通信。,（2）,ARP,与,RARP,地址解析协议,ARP,(Address Resolution Protocol),的作用是,将,IP,地址映射为物理地址,。,因为数据链路层硬件不能认别,IP,地址，所以并不能真正使用,IP,地址来发送分组，必须将,IP,地址转换为物理地址，并将该,IP,分组封装为帧，物理地址放入帧的首部，然后再通过物理信道传送出去。,在下图中，,R1,和,R2,连接三个网络。,R1、R2,各有两个,IP,地址，并对应两个物理地址。,192.31.60.4-,E3 192.31.65.1-F1,192.31.60.7-F3 192.31.63.3-E4,主机1、主机2、主机3和主机4的,IP,地址与物理地址的对应关系依次如下：,192.31.65.7-,E1 192.31.65.5-E2,192.31.63.10-E5 192.31.63.8-E6,R1,R2,1,2,3,4,192.31.65.5,192.31.65.7,192.31.60.4,192.31.65.1,E1 E2 E3,CS,以太网192.31.63.0,F1,F2,F3,至WAN,192.31.63.3,192.31.60.7,192.31.63.8,E4 E5 E6 EE,以太网192,.31.63.0,192.31.63.10,（如上图）主机1要发送一个分组给主机2（,两台主机在同一个网络内的情况,）：,先发送一个广播分组到以太网上，“谁的,IP,地址是19231655”。,CS,上每个机器（包括,R1）,都会收到此广播并检查自己的,IP,地址。只有主机2用自己的以太网地址（,E2）,回应。,主机1知道了19231655 对应的物理地址为,E2。,主机1即可生成一个目的地址为,E2,的以太网帧发送出去。,为了提高,ARP,效率，,主机1缓存主机2的,MAC,地址信息。若今后目的地是主机2，则直接查找自己的缓存区，找出,E2,。,只有缓存中没有目的主机的,IP,地址，才再进行,ARP,广播。,还有一种优化方法就是计算机在启动时广播它自己的地址映射（,IP,地址与物理地址的映射）。网络中其他机器都可以在自己的缓存中保存这个映射。这样目的地的物理地址就可以在源机器的缓存中找到，提高,ARP,效率。,又如，当源主机1与目的主机4,不在同一个网络中,时，,主机1,要发送一个分组给,主机4,，数据要经过两个路由器,R1,和,R2。,如果直接采用上述,ARP,方法就不会成功，因为主机4不能收到主机1的广播。一种方案是使用,代理,ARP,(Proxy ARP)，,如,R1，,凡是出本网的数据报，都由,R1,回答本网内的,ARP,请求，,R1,被称为,缺省网关,Defualt,Gateway。,该例中的数据包所经过的路径为：,主机1,R1,R2,主机4。,反向地址解析协议,RARP,（Reverse ARP),将物理地址映射到,IP,地址,。,当一个无盘工作站启动时，它只知道自己的物理地址，而不知道其,IP,地址，利用,RARP,可以得到对应的,IP,地址。,RARP,使一个新启动的无盘工作站可以广播其以太网地址，并说“我的以太网地址是14：04：05：18：01：25，有谁知道我的,IP,地址？”，一个远程服务器就可以回答对应的,IP,地址。,7.3,路由与路由协议,1、路由与路由表,路由,（,routing）,是指对到达目标网络所进行的最佳路径选择。,路由功能主要由,路由器,（,Router）,来完成。,路由器是,实现网络层（第三层）功能,的网络互连设备。,带路由模块的交换机又称为,三层交换机,。,某些操作系统中也有实现路由功能的软件，也称为,软件路由,。,路由表,就是,专门用于存放路由信息的,数据库,表。,路由表中的信息是完成,数据包转发的依据,。,路由表的建立和更新可由手工完成，也可以由,路由器,根据某种,路由算法,（或,路由协议,）完成。,下面是一个路由表的例子：,2、,静态路由和动态路由,静态路由,是指网络管理员根据其所掌握的网络连通信息,以手工配置方式,创建和,更新,的路由表表项。,动态路由,是指在路由器上运行路由协议，,并,通过,路由协议自主学习,而获得的路由信息。,动态构建和更新的路由表不仅能更好地适应网络状态的变化(如网络拓扑和网络流量的变化)，同时也减少了人工生成与维护路由表的工作量。,3、,路由协议,（1）用于动态生成路由表信息的协议被称为,路由协议,。,路由协议有时又被称为,主动路由协议,，,规定网络层分组格式的网络层协议称为,被动路由协议,。,路由协议,的,核心是,路由选择算法。,根据路由选择算法的不同，,路由协议被分为,距离矢量路由协议,、,链路状态路由协议,和,混合型路由协议,三大类。,路由消息协议,RIP,(Routing Information Protocol),和,内部网关路由协议,IGRP,(Interior Gateway Routing Protocol),属于典型的距离矢量路由协议；,开放最短路径优先协议,OSPF,(Open Shortest Path First),属于链路状态路由协议,；,IS-IS,(intermediate system-intermediate system),和,增强型内部网关路由协议,EIGRP,(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol),属于混合型路由协议。,RIP,根据“距离”选择路由。“距离”指经过路由器的个数（即，,中间节点数，跳数,hop),。,RIP,认为所经过的跳数最少的路径就是最佳路径,。,OSPF,其要点如下：,所有路由器都维持一个,链路状态数据库,。,“链路状态”就是指,相邻的路由器,及,将数据发往这些路由器的费用,（或,权重,）。,每个路由器根据链路状态数据库中的数据，算出自己的路由表。,一旦网络拓扑发生变化，链路状态数据库就能得到很快更新。,OSPF,依靠各路由器之间的频繁交换信息（如每隔10秒）来建立链路状态数据库，并维持这个数据库在全网范围内的一致性。,（2）,自治系统、内部网关协议,和,外部网关协议,自治系统,AS,(Autonomous System),是指网络中那些由相同机构操纵或管理，对外具有相同路由视图的路由器所组成的系统。,内部网关协议,IGP,(Interior Gateway Protocols),是指作用于自治系统以内的路由协议。,外部网关协议,EGP,(Exterior Gateway Protocols),则是作用于不同自治系统之间的路由协议。,RIP、IGRP、OSPF、EIGRP,等都属于内部网关协议，在因特网上广为使用的,边界网关协议,BGP,(border gateway protocol),则是,一种,外部网关协议。,7.4,路由器在网络互连中的作用,1、,提供异构网络的互连,异构网络的含义,典型的互连方式包括,LAN-LAN、LAN-WAN,和,WAN-WAN,等。,2、,实现网络的逻辑划分,3、,实现,VLAN,之间的通信,路由器,工作在网络层，主要用于网络之间的,分组转发,。主要有如下几项工作：,（,A）,数据传输。由于所连接的网络,可能采用不同的网络层协议，因此对,接收到的分组，路由器可能先要进行一定的处理，然后再转发出去。,（,B）,当收到的分组太长时，可以对其,分段,，每一段形成一个独立的分组被传送。,（,C）,路由器必须为到达的分组作,路由选择,。,当网络层,提供面向连接的服务时,，要先建立虚电路，然后不必为每个到达的分组选择路由。但是当,提供无连接的服务时,，要为每个到达的分组作路由选择。（,TCP/IP,的网络层提供无连接的服务，即以独立的,IP,数据报传送）,路由器还要进行,网络拓扑维护,工作。,习 题,7.2,现有如下图所示的网络，网段1和网络3通过两个路由器经网段2相互连接，已知网段2的网络号为202.22.4.16/28，且网段1和网段3的主机数均不超过254台，请你完成以下工作,:,(1),使用私有,IP,地址空间并采用子网划分技术，然后分别为网段1和网段3分配一个子网络号，并指明其子网掩码的值。,(2)为路由器,A,和路由器,B,的每个接口分配一个,IP,地址。,(3)为位于网段3中的主机,B,分配一个,IP,地址，并说明其默认网关的,IP,地址。,