第三章-网络层PPT课件.ppt
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1、第三章 INTERNET网络层2第 4 章 网络层本章内容:网络层概述网际协议IP划分子网和地址聚合 网际控制报文协议ICMP协议 因特网的路由选择协议 3本章重要的内容v虚拟互连网络的概念v IP 地址及其与物理地址的关系v传统的分类的 IP 地址(包括子网掩码)v路由选择协议的工作原理43.1 网络层概述 v网络层功能v为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时,网络层把传输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。5分组交换网的示意图H1A 互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化!主机6注意分组的存储转发过程H
2、1A 互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组主机在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H573.1 网络层概述 v网络层提供的两种服务v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。v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?83.1 网络层概述v电信网的成功经验让网络负责可靠交付v面向连接的通信方式 v建立虚电路(Virtual Circuit),以保证双方通信所需的
3、一切网络资源。v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。9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3.1 网络层概述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服务103.1 网络层概述v虚电路是逻辑连接v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。113.1 网络层概述v因特网采用的设计思路v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。v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
4、分组无关(不进行编号)。v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。123.1 网络层概述v尽最大努力交付的好处v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)。v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)。v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。v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。13应用层运输层网络层数据链
5、路层物理层应用层运输层网络层数据链路层物理层3.1 网络层概述H1 H2IP 数据报丢失H1 发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送数据报服务14虚电路服务与数据报服务的对比对对比的方面比的方面虚虚电电路服路服务务数据数据报报服服务务思路思路可靠通信可靠通信应应当由网当由网络络来保来保证证可靠通信可靠通信应应当由用当由用户户主机来保主机来保证证连连接的建立接的建立必必须须有有不需要不需要终终点地址点地址仅仅在在连连接建立接建立阶阶段使用,每段使用,每个分个分组组使用短的虚使用短的虚电电路号路号每个分每个分组组都有都有终终点的完整地址点的完整地址分分组组的的转发转发属于同一条虚属于同一条虚电电
6、路的分路的分组组均均按照同一路由按照同一路由进进行行转发转发每个分每个分组组独立独立选择选择路由路由进进行行转转发发当当结结点出故障点出故障时时所有通所有通过过出故障的出故障的结结点的虚点的虚电电路均不能工作路均不能工作出故障的出故障的结结点可能会点可能会丢丢失分失分组组,一些路由可能会一些路由可能会发发生生变变化化分分组组的的顺顺序序总总是按是按发发送送顺顺序到达序到达终终点点到达到达终终点点时时不一定按不一定按发发送送顺顺序序端到端的差端到端的差错处错处理和流量控制理和流量控制可以由网可以由网络负责络负责,也可以由,也可以由用用户户主机主机负责负责由用由用户户主机主机负责负责153.2 网
7、际协议IP v网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。与 IP 协议配套使用的还有四个协议:v地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)v逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol)v网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)v网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)163.2 网际协议IP各种应用层协议 网络接口层(HTTP,FTP,SMTP 等)物理硬件运输层TC
8、P,UDP应用层ICMPIPRARPARP与各种网络接口网络层(网际层)IGMP网际层的 IP 协议及配套协议17v网络互相连接起来要使用一些中间设备,它们又称为中间系统或中继(relay)系统。物理层中继系统:转发器(repeater)。数据链路层中继系统:网桥或桥接器(bridge)。网络层中继系统:路由器(router)。网桥和路由器的混合物:桥路器(brouter)。网络层以上的中继系统:网关(gateway)。3.2 网际协议IP18v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。v网关由于比较复杂,目前使用得较少。v互联网都是
9、指用路由器进行互连的网络。v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。3.2 网际协议IP19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)203.2 网际协议IPv所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络,它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的,但是我们利用 IP 协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。v使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。v使用虚拟互连网络的好处是:当互联网上的主机进行通信时,就好像在一个网络上通信一样,而看不见互连的各具体的网
10、络异构细节。5432154321主机H1 主机 H2 R1 R4 R5 R2 R3 R1 R2 R3H1 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32 21 132 21 132 21 132 21 132 21 1分组在互联网中的传送 21223.2 网际协议IPv如果我们只从网络层考虑问题,那么 IP 数据报就可以想象是在网络层中传送。网络层网络层网络层网络层网络层网络层网络层IP 数据报H1R1R2R3R4R5H223第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址 要使Internet上主机间能正常通信,必须给每个计算机分配至少一
11、个全球都能接收和识别的唯一标识,它就是IP地址。IP的发展,目前是IPv4,由32bit组成地址空间 232=4,294,967,296表示方法:点-十进制11000100 11000001 10000001 11010101 196.193.129.21124第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类 从概念上讲,每个IP地址都是由两部分构成:网络号,主机号。其中,网络号标识某个网络,主机号标识在该网络上的一个特定的主机。根据网络的规模和用途分别分为A、B、C、D、E五类。其空间表示为:A B C D E25第三章第三章 INTERNETIN
12、TERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类分类的方法26第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类A、B、C三类IP地址的结构都是由两部分组成:网络号和主机号。A类:第一个字节的最高位是0,共128个子网,每个子网内可以有1600万台主机;B类:第一个字节的前两位是10,共16,384个子网,每个子网内可以有65,536台主机;C类:第一个字节的前三位是110,共200万个子网,每个C类子网内最多只能有256台主机。D类:第一个字节的前四位为1110E类:第一个字节的前五位为1111027第三章第三章 INTERNETINTER
13、NET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类类型 最低地址 最高地址 A 1.0.0.1 126.255.255.254 B 128.0.0.1 191.255.255.254 C 192.0.0.1 223.255.255.254 -D 224.0.0.0 239.255.255.255 E 240.0.0.0 247.255.255.255 28第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类_特殊的地址私有地址,Private address,作为内网或者试验。10.0.0.0 10.255.255.255172.16.0.0 172.
14、31.255.255192.168.0.0 192.168.255.25529第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类_特殊的地址广播地扯:所有主机号部分为“1”的地址是广播(broadcast)地址。广播地址分为两种:直接广播地址和有限广播地址在一特定子网中,主机地址部分为全1的地址称为直接广播地址(direct broadcast)。一台主机使用直接广播地址,可以向任何指定的网络直接广播它的数据报,很多IP协议利用这个功能向一个子网上广播数据。例如,在子网地址为162.105.130.0的网络上,162.105.130.255就是该网络的
15、广播地址。协议规定,每台主机和路由器等都要接收和处理目的地址为本子网广播地址的数据报。不在这个子网(162.105.130.0)内的主机(如IP地址为202.112.7.12的机器),也可以用广播地址162.105.130.255向该子网上所有的主机广播信息。30第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类_特殊的地址广播地扯:32个比特全为1的IP地址(即255.255.255.255)被称为有限广播地址(limited broadcast address)或本地网广播地址(local network broadcast address),该地
16、址被用作在本网络内部广播。使用有限广播地址,主机在不知道自己的网络地址的情况下,也可以向本子网上所有的其它主机发送消息。无论哪种广播地址都不能像其它的IP地址那样分配给某台具体的主机。因为它是指满足一定条件的一组机器。广播地址只能作为IP报文的目的地址,表示该报文的一组接收者。31第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类_特殊的地址组播地址:D类IP地址就是组播地址(multicast),即在224.0.0.0 239.255.255.255范围内的每个IP地址,实际上代表一组特定的主机。它与广播地址相似之处是都只能作为IP报文的目的地址,表
17、示该报文的一组接收者,而不能把它分配给某台具体的主机。组播地址和广播地址区别:广播地址是按主机的物理位置来划分各组的(属于同一个子网),而组播地址指定一个逻辑组,参与该组的机器可能遍布整个Internet网。32第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类_特殊的地址组播地址 组播地址主要用于电视会议、视频点播等应用。我们可以想象一个由多方参与的电视会议,正在发言的一方的声音和图像要被传送到其他参与者的主机上。实际上,一个组播IP地址唯一地标志一个逻辑组。每个要求参与组播接收的主机使用IGMP协议,主动登记到希望加人的组中去。网络中的路由器根据参
18、与的主机的位置,为该组播的通信组形成一棵发送树。服务器在发送数据时,只需发送一份数据报文,该报文的目的地址为相应的组播地址。路由器根据已经形成的发送树依次转发,只是在树的分岔点处复制数据报,向多个网络转发一份拷贝。经过多个路由器的转发后,则该数据报可以到达所有登记到该组的主机处。这样就大大减少了源端主机的负担和网络资源的浪费。33第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类_特殊的地址“零”地址 网络号=主机号为零的IP地址。从来不分配给任何一个单个的主机主机号为零,例如,202.112.7.0 就是一个典型的C类网络地址,表示该网络本身。主机号
19、=网络号为“0”的IP地址,指的是本网络上的某台主机。例如,如果一台主机(IP地址为202.112.7.13)接收到一个IP报文,它的目的地地址中网络号部分为“0”,而主机号部分与它自己的地址匹配(即,IP地址为0.0.0.13),则接收方把该IP地址解释成为本网络的主机地址,并接收该IP数据报。“0.0.0.0”=代表本主机地址。网络上任何主机都可以用它来表示自己。主要用于DHCP和缺省路由。34第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址IP地址分类_特殊的地址回送地址,也称回馈地址 任何一个以数字127开头的IP地址(127.any.any.any)都
20、叫做回送地址(loopback address).它是一个保留地址,最常见的表示形式为127.0.0.1。在每个主机上对应于IP地址127.0.0.1有个接口,称为回送接口(loopback interface)。IP协议规定,当任何程序用回送地址作为目的地址时,计算机上的协议软件不会把该数据报向网络上发送,而是把数据直接返回给本主机。因此,网络号等于127的数据报文不能出现在任何网络上,主机和路由器不能为该地址广播任何寻径信息。回送地址的用途是,可以实现对本机网络协议的测试或实现本地进程间的通信。35第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址掩码 MAS
21、K 掩码是一个与IP地址对应的32位数字。掩码的一些位为1,另一些位为0。通过掩码可以把IP地址中的主机号再分为两部分:子网号和主机号。其工作原理是掩码与IP地址逐位相“与”10110011 11101110 10001000 0001100111111111 11111111 00000000 0000000010110011 11101110 00000000 00000000IPANDMASKNetwork address36第三章第三章 INTERNETINTERNET的网络层的网络层vIP协议IP地址掩码 MASK 掩码开始连续的几位设为1。IP地址与掩码中为1的位相对应的部分为子网
22、号,其他为0的位则表示的是主机号。使用了掩码后,我们通常把原来的网络号和新划分的子网号合在一起称为网络号(与掩码为1的位相对应),把掩码划分后的新的主机号叫做主机号(与掩码为0的位相对应)。A类地址相对应的标准掩码是:255.0.0.0 B类地址相对应的标准掩码是:255.255.0.0 C类地址相对应的标准掩码是:255.255.255.0。37v IP 地址v我们把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络。IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机(或路由器)分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符。vIP 地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN(Internet Corporat
23、ion for Assigned Names and Numbers)进行分配。3.2 网际协议IP38v分类 IP 地址v每一类地址都由两个固定长度的字段组成,其中一个字段是网络号 net-id,它标志主机(或路由器)所连接到的网络,而另一个字段则是主机号 host-id,它标志该主机(或路由器)。v两级的 IP 地址可以记为:IP 地址:=,3.2 网际协议IPnet-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址011host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播
24、地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 10139net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址011host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节4041v用二进制表示时,A类地址的最高位为0。v因此第一个八位组的最大值:01111111(转换成十进制数为127),最小值为00000000(转换成十进制数为0)。v规定,0和127两个数保
25、留使用,不能用作网络地址。v所以,任何IP地址的第一个八位组的取值范围在1126之间的都是A类地址。net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址011host-id8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 1 01B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节4243v用二进制表示时,B类地址的前两位总是10。v因此,第1个八位组的最大值:10111111(转换成十进制数为191),最小值10000000(转换成
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