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1、计算机网络,第 4 章 网络层,第 4 章 网络层,4.1 网络层提供的两种服务 4.2 网际协议 IP 4.2.1 虚拟互连网络 4.2.2 分类的 IP 地址 4.2.3 IP 地址与硬件地址 4.2.4 地址解析协议 ARP 与逆地址解析协议 RARP 4.2.5 IP 数据报的格式 4.2.6 IP 层转发分组的流程,第 4 章 网络层（续）,4.3 划分子网和构造超网 4.3.1 划分子网 4.3.2 使用子网时分组转发 4.3.3 无分类编址 CIDR（构造超网） 4.4 网际控制报文协议 ICMP 4.4.1 ICMP 报文的种类 4.4.2 ICMP 的应用举例 4.5 因特网
2、的路由选择协议 4.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念 4.5.2 内部网关协议 RIP 4.5.3 内部网关协议 OSPF 4.5.4 外部网关协议 BGP,第 4 章 网络层（续）,4.5.6 路由器的构成 4.6 IP 多播 4.6.1 IP 多播的基本概念 4.6.2 在局域网上进行硬件多播 4.6.2 因特网组管理协议 IGMP 和多播路由选 择协议 4.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT 4.7.1 虚拟专用网 VPN 4.7.2 网络地址转换 NAT,回顾-计算机网络体系结构,计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合 计算机网络的各部件(包括其功能)的定义及
3、部件间的关联性描述。 计算机网络的各层(部件)及其协议(关联性描述)的集合 层次化体系结构的基本特征： 网络系统垂直分割成多个相对独立的功能层实体 各相邻层实体服务接口灵活、开放 各对等实体层协议以“Last-on,First-off”栈式结构组织,回顾-互联网(TCP/IP)体系结构最初的需求,互联各种网络 抗部分网络失效 支持多类型服务 资源分布式管理 较高的成本效益 主机易于连网 资源使用可计费,回顾-互联网(TCP/IP)体系结构的设计原则,开放性原则 通用性原则 可扩展性原则 分组交换原则 协议分层原则 透明性原则,异构性原则 各网络自治原则 尽力而为传输模型 无状态路由设备 分布式
4、控制原则 端到端通信原则,本章主要内容,(1) 网络虚拟(逻辑)互连的概念 (2) IP地址及其与物理地址的关系 (3) 传统分类 IP 地址和无分类域间路由选择 CIDR (4) 路由选择协议的工作原理,网际互连层基本功能和工作机制,网络层功能,为终端设备提供通过网络的数据分组交换服务。 控制分组从源端经由网络传抵目的端的延时、可靠、路径、安全等,4.1 网络层(可)提供的两种服务 数据报服务，虚电路服务,数据报服务-无连接服务（直接基于目的地址路由的无状态交换）,H1,H2,IP数据包,丢失,H1 发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送,应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层,应用层
5、 运输层 网络层 数据链路层 物理层,虚电路服务,面向连接服务,建立连接-数据传输-释放连接,基于连接标识符路由的有状态交换,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,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,无连接的数据报子网内的路由原理图示,A,B,D,E,C,4,2,1,F,3,进程P1,H1,H3,H2,进程P3,进程P2,路由器,目的地址,A的表,C的表,E的表,出口线路,原表,修改后的表,面向连接的虚电路子网内的路由原理图示,A,B,D,E,C,4,2,1,F,3,进程P1,H1,H3,H2,进程P3,进
6、程P2,路由器,A的表,C的表,E的表,F的表,H1与H2的连接,H3与H2的连接,进,出,每个路由器为每个虚电路维护的连接及其连接标识符,H3与H1的连接,H2与H3的连接,进,出,进,出,进,出,连接标识符,虚电路服务与数据报服务的对比,互联网(TCP/IP)体系结构网络的网络层(网际互联层)服务,网际互联层向上提供： 无连接、尽最大努力交付的数据报服务。即： 端系统在发送分组前不需要先建立连接。每一个分组(即IP 数据包)独立发送，与其前后的分组无关(无状态)。 网络层不提供可靠性承诺。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)，由端系统处理可靠性。 不保证分组传送的时限
7、。 尽力交付的设计 简化网络分组交换机（路由器）功能。 降低网络造价。 以最小开销(最佳路由）将数据包(packet/datagram) 传送到同一个网络或其它网络中的目的设备。 四个基本功能： 编址 封装/解封 路由（寻址） 转发,IP 协议配套使用的四个协议： 地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol) 逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol) 网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) 网际组管理协议 IGMP (Internet Gr
8、oup Management Protocol),4.2 网际协议IP - TCP/IP 体系最主要协议之一,各种应用层协议,网络 接口层,(HTTP, FTP, SMTP 等),物理网络,运输层,TCP, UDP,应用层,ICMP,IP,RARP,ARP,与各种网络接口,IGMP,网络层 （网际层）,异构性网络互连通信的问题，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,4.2.1 虚拟(逻辑)互连网络,逻辑网络:将各种
9、物理网络的异构性利用IP协议互连实现网络属性的统一。 虚拟网络: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物理网络异构细节。,网际互联-构成虚拟(逻辑)网络,网络,网络,网络,网络,网络,(a) 互连网络,(b) 虚拟互连网络,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,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,H1,R1,R2,R3,R4,R5,H2,从
10、网络层看，IP 数据报就象是在统一属性(同构)网络层中传送。,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)。,网络互连设备,IP地址: 用于指示IP网(支持TCP/IP协议的网络)上主机位置的32bit标识符。 表示方式： 两级结构化地址。 IP 地址 := , 例如: 1, 1 网络号(net-id) ：n bit用于指示主机所连接到的网络。 主机号(host-id)：m bit用于指示net-id网络上
11、的主机。 n+m=32 例如 11000000 10101000 10000010 , 00000101,4.2.2 分类的 IP 地址 IP 地址及其表示方法,结构化IP 地址的意义,(1)方便 IP 地址的管理 IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号 主机号则由得到该网络号的单位自行分配。 (2)提高寻址效率 网间寻址：全局处理,路由器/主机仅需根据网络号寻址, 缩减网络号存储、查询等处理量。 网内寻址：网络内本地化处理。,IP 地址及其表示方法示例,11000000 10101000 10000010 00000101,网络,网络,网络,网络,网络,路由器,主机 H1,110
12、00000 10101000 10000010 00000001,IP 地址的点分十进制标记法,采用点分十进制记法 则进一步提高可读性,128.11.3.31,128 11 3 31,将每 8 位的二进制数 转换为十进制数,IP地址编码方式的三次演变,传统分/有类IP地址编码方式 子网化IP地址编码方式 超网(无类)化IP地址编码方式,分类 IP 地址：,net-id 24 位,host-id 24 位,net-id 16 位,net-id 8 位,0,A 类地址,host-id 16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为
13、今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,按固定长度网络号和主机号定义 IP 地址，每一类地址有固定的编址范围或用途。,A、B、C三种类别 IP 地址的编址范围,网络 最大 第一个 最后一个 每个网络 类别 网络数 可用的 可用的 中最大的 网络号 网络号 主机数 A 126 (27 2) 1 126 16,777,214 B 16,383(214 1) 128.1 191.255 65,534 C 2,097,151 (221 1) 192.0.1 223.255.255 254,特殊IP地址 特殊IP地址详见RFC3330，5735,RFC3330定义的特殊IP地址,Summary Tabl
14、e Address Block Present Use Reference 0.0.0.0/8 “This“ Network RFC1700, page 4 10.0.0.0/8 Private-Use Networks RFC1918 14.0.0.0/8 Public-Data Networks RFC1700, page 181 24.0.0.0/8 Cable Television Networks 39.0.0.0/8 Reserved but subject to allocation RFC1797 127.0.0.0/8 Loopback RFC1700, page 5 128.0.0.0/16 Reserved but subject to allocation 169.254.0.0/16 Link Local 172.16.0.0/12 Private-Use Networks RFC1918 191.255.0.0/16 Reserved but subject to allocation 192.0.0.0/
