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1、第四章 IP协议与网络互联,本章内容,IP互联网的工作原理 IP协议和IP地址 子网和子网划分（重点理解） IP数据报 ARP 协议、RARP协议和DHCP协议 ICMP协议 路由原理及路由协议,4.1.IP互联网,网络发展初期,网络要求互联,网络要求互联,4.2.IP互联网和IP协议,4.2. 要求理解 IP协议的特征 IP互联网的工作机理,IP（Internet Protocol）互联网是当前最通用的互联网络，它是使用IP协议构建的 IP定义了统一的地址表示法IP地址和统一的数据表示法I P数据报，使得各种物理网络以及各种帧格式的差异性对高层协议不复存在。,4.2.1.IP协议的特征 IP
2、协议是无连接的,IP协议的数据报传送服务是不可靠的 不能保证IP数据报能成功地到达目的地 。 省略了复杂的可靠性传输机制，所以IP协议能尽量高效率地进行传送，减轻了网关的负担，提高了网关的吞吐率。 有可靠性方面的要求，必须使用上层的协议（如TCP）或自己编写软件去完成。,4.2.2.IP互联网的工作机理,主机A的应用层将该数据经传输层送到IP层 主机A的IP层将该数据封装成IP数据包，进行路由选择，最终决定将他投递到路由器X；,IP数据包,应用层产生的原始数据包,主机A把IP数据交给以太网控制程序，以太网控制程序负责将数据报封装成以太网祯，传递到路由器X； 路由器X的以太网控制程序接受到主机A
3、发送的祯，将该信息送到IP层处理；,以太网祯,IP数据包,路由器X的IP层对该IP数据包进行拆封和处理，经过路由选择得知该数据包必须穿越广域网才能到达目的地； 路由器X对数据包再次封装为广域网桢，并送到广域网控制程序；,广域网控制程序负责将广域网桢从路由器X传递到路由器Y,4.2.3.互联层协议,IP协议 地址转换协议（ARP， Address Resolution Protocol）。ARP协议把 IP地址解析成 MAC地址。 反向地址转换协议（RARP， Reverse Address Resolution Protocol）。RARP用于从物理地址到IP地址的转换。,Internet控制
4、报文协议（ICMP， Internet Control Message Protcol）。ICMP协议的作用是主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。,4.3.IP地址,理解 IP地址的结构和各部分含义,IP地址的作用 每一种网络中，网络节点的地址标识法是不一样的。 以太网的物理地址采用48bit表示，而电话网则采用14位十进制表示 为此，在互联网中，需要一个通用的地址格式。,4.3.2.IP地址的组成 互联网的多层结构决定了IP地址的多层结构,IP协议规定： IP地址的长度为32bit（4个字节）。可以采用点分十进制表示。每个字节表示为从0255的十进制数，字节之间用点号分隔。 例
5、如，IP地址“10100110 01101111 00000100 01100100” 用点分十进制表示法就是“166.111.4.100” 。,每个IP地址都由两部分组成： 网络号（NetID）和主机号(HostID),IP协议规定了IP地址分为A-E五类,A类：最高位“0”后7位做网络号，24位做主机号 B类：最高位“10”后14位做网络号，16位做主机号 C类：最高位“110”后21位做网络号，8位做主机号 D类：组播地址 E类：保留，为扩展用,4.3.3几个特殊的IP地址 网络地址 TCP/IP协议规定，各位全为“0”的网络号被解释成“本”网络。如202.93.120.0 广播地址 T
6、CP/IP规定，主机号全为“1“的网络地址用于广播之用，叫做广播地址。所谓广播，指同时向同一子网所有主机发送报文。,回送地址 A类网络地址127是一个保留地址，用于网络软件测试以及本地机进程间通信，叫做回送地址（loopback address）。无论什么程序，一旦使用回送地址发送数据，协议软件立即返回之，不进行任何网络传输。含网络号127的分组不能出现在任何网络上。,保留IP地址 TCP/IP协议规定了三类局域网保留IP地址，这三个地址段分别是: 10.x.x.x、172.16. x.x、192.168. x.x（X在0255之间，注意实际用时网络号部分不能为全0或全1）。这些IP地址可以在
7、一个局域网内部使用，但直接以这样的内网地址连接到Internet是不行的。 为此，当内部的机器与外部的机器连接时，需要先通过有合法外网地址的主机把内网IP地址转换为合法的外网IP地址，这就是网络地址转换（Network Address Translation），简称NAT。,比如，连接外网的电脑或设备，通过固定或动态获取得到了一个合法的IP地址，如219.254.38.180，它还需要有一个网络内部的地址比如192.168.0.1，用来充当其他电脑的网关。如果局域网内部的一台电脑IP地址是192.168.0.2：4000（4000是它的端口号），想访问Internet上某个主机，,192.16
8、8.0.2：4000的请求先传到主机192.168.0.1上，主机把这个IP地址转换为219.254.38.180：9000。然后以端口号为9000的这个IP地址向Internet上的那个主机发出请求，回答的数据流则传回给主机219.254.38.180：9000，主机接收到数据后，会查找与9000这个端口号相关联的内部IP地址，当它发现是192.168.0.2：4000后，就把数据传给192.168.0.2：4000，这样，IP地址的转换就完成了。,4.4.子网和子网掩码,理解 子网的表示方法 子网掩码的意义,4.4.子网和子网掩码,4.4.1.子网编址方法 在局域网中，有时为了管理的需要，
9、将一个标准的IP网络划分多个小的IP子网。如可将一个A类网络分成256个B类大小的子网（subnet）。,例如一个B类网络，可以把主机地址中前8位用来表示子网地址，后8位留作主机地址,这样就允许有254个子网，每个子网可以有254台主机。,每一个子网都有自己的网络地址和广播地址。子网的网络地址和广播地址的规则与前面讲到的网络地址和广播地址类似。用主机号全“0”表示子网的网络地址；用主机号全“1”表示子网的广播地址。子网的内的有限广播只会被同一子网内的机器收到，不会传到其他子网。 子网之间不能直接通信，要通过网关和路由器来转发。,4.4.2.子网表示法 在划分了子网后，因为借用了一部分主机号作为
10、子网编号，所以已经不能根据IP地址的类型来判断网络号的长度了。 为了解决这个问题，IP协议使用了子网掩码。,子网掩码（mask）是一个32bit的数，与IP地址等长，一般由连续的”1”和连续的“0”组成。 IP规定，用IP地址和子网掩码一起表示一个节点的地址。子网掩码中“1”对应的部分表示网络号，“0”对应的部分表示主机号。,对于标准的A、B、C三类网络来说，它们都有自己默认的子网掩码,例：11111111 11111111 11100000 00000000 =255. 255. 224. 0,4.4.3.子网规划 为了合理划分和管理子网，必须进行子网规划。规划子网要完成两个任务： 第一，确
11、定子网掩码 第二，确定子网编号。,一、确定子网掩码 实际上就是要确定子网号和主机号部分的长度 产生足够的子网 足够的主机数量 n 子网数=2 -2（n表示用于子网编号的长度，全“0”和 全“1”不能用于子网编号） m 最大主机容量=2 -2（m表示主机编号长度）,例：在一个B类网络128.16.0.0中，划分四个 子网，四个子网的主机数分别是60，33，180，300。 经过分析，应该借用的子网编号长度n=3；用 m 于主机编号的长度m必须满足 2 =300，所以 m=9。由于标准B类网络的主机号部分为16位长，所以够用。 取n=3,二、确定子网编号 可以从“001”、“010”、“011”、
12、“100”、“101”、“110”六个数字中任取3个数字作为3个子网的编号。,第一个子网的网络地址等于128.16.32.0，网络地址等于128.16.63.255； 第二个子网的网络地址等于128.16.64.0，网络地址等于128.16.95.255； 第一个子网的网络地址等于128.16.96.0，网络地址等于128.16.127.255,4.5.IP数据报,IP的主要功能是在互联网上将数据以IP数据报的形式从一台主机传到另一台主机，中间可能要穿越若干个物理网络。在不同的网络之间，通过路由器来传递数据报。,4.5.1.数据报格式 IP数据报是Internet的基本传送单元 包括数据报报头
13、和数据区两部分,数据报报头内容 版本（4位）：指明本数据报所属的IP的版本。目前的协议版本号是4，因此IP有时也称作IPv4。,报头长（4位）：指明本数据报报头（包括任何选项）长度 长度单位是32bit的字，即为4字节。 4bit最多可以表示 个。即15个32bit字， 普通IP数据报（没有任何选择项）字段的值是5。,生存时间（TTL，Time To Live，8位）： 该字段设置了数据报可以经过的最多路由器数，即指定了数据报的生存时间。 每个处理数据报的路由器都需要把TTL的值减1。当路由器收到一份IP数据报时，如果其TTL字段是0或1，则路由器不转发该数据报。而是将该数据报丢弃。,协议号（
14、8位）：指明接收数据报数据部分的上一层协议。如6表示上层是TCP，17表示上层是UDP。,报头校验和（16位）：该字段是根据IP报头计算出的检验码，它不对报头后面的数据进行计算。,MF，DF，分片位移：用于分片控制。 源IP地址（32位）：数据报的源主机的IP地址。 目的IP地址（32位）：数据报的目的主机的IP地址。,4.5.2.IP数据报的分片与重组 一、分片和重组 每一个网络由于使用技术的差别，都规定了一次能够传输的数据单元的最大长度。这个限制称为最大传输单元(MTU，maximum transmission unit)。当一个数据报经过一个网络时，数据报的长度必须小于（等于）该网络的M
15、TU，才能在网络中传输。,一个路由器可能连结着具有不同MTU的多个网络。在图中，路由器R连接着两个网络，网络1的MTU为1500B，网络2的MTU为1000B。,如果主机1需要将一个1400B的数据报包发送给主机2，数据报顺利地通过了网络1到达路由器R，但是在网络2，数据报被卡住了。,IP采用分片和重组的技术来解决这个问题，将大的数据报分成较小的单位。这种较小的单位叫做数据报片或段，划分数据报的过程叫做分片或分段。,分片以后，每片都可以像正常的IP数据报一样向后传输。目的主机在接收到所有分片后对分片进行重新组装，这个过程叫做IP数据报重组。,二、分片控制 解决IP数据报分片正确的重组的问题 要
16、借助于IP数据报头3个分片控制的字段：DF，MF和分片位移,DF：（Dont Fragment）不分片位，置1则不对该数据报分片。 MF ：（More Fragment）更多分片位，除了最后一片，其余片该位都置1。,分片位移：指出本片距离原始IP数据报开始处的位置，为重组顺序提供依据,4.6.地址解析与动态主机配置协议,重点 ARP协议的作用 RARP协议的作用 DHCP协议的作用,4.6.地址解析与动态主机配置协议,4.6.1.ARP协议 IP地址将网络地址隐藏起来，使IP表现出统一的地址格式。但在实际进行通信时IP址是不能被物理层所识别的，因此必须将IP地址转换为物理地址。,所谓地址解析就是将IP地址映射为硬件地址的机制和过程。IP协议中的地址解析协议是 ARP（Address Resolution Protocol）。ARP协议把 IP地址解析成 MAC地址（例如 48
