计算机网络网络层PPT课件

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1、网络层 1 第4章网络层 4 1网络层提供的两种服务4 2网际协议IP4 3划分子网和构造超网4 4网际控制报文协议ICMP4 5互联网的路由选择协议4 6IPv64 7IP多播4 8虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT4 9多协议标记交换MPLS 2 4 1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 3 一种观点 让网络负责可靠交付 这种观点认为 应借助于电信网的成功经验 让网络负责可靠交付 计算机网络应模仿电信网络 使用面向连接的通信方式

2、通信之前先建立虚电路 VirtualCircuit 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 不丢失 不重复 4 虚电路服务 5 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 6 另一种观点 网络提供数据报服务 互联网的先驱者提出了一种崭新的网络设计思路 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

3、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 7 尽最大努力交付 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可靠交付 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 互连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 8

4、数据报服务 9 虚电路服务与数据报服务的对比 10 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 3IP地址与硬件地址4 2 4地址解析协议ARP4 2 5IP数据报的格式4 2 6IP层转发分组的流程 11 4 2网际协议IP 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三个协议 地址解析协议ARP AddressResolutionProtocol 网际控制报文协议ICMP InternetControlMessageProtocol 网际组管理协议IGMP InternetGroupManagementProtocol 12

5、网际层的IP协议及配套协议 13 4 2 1虚拟互连网络 将网络互连并能够互相通信 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等 如何将异构的网络互相连接起来 14 使用一些中间设备进行互连 将网络互相连接起来要使用一些中间设备 中间设备又称为中间系统或中继 relay 系统 有以下五种不同的中间设备 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 r

6、outer 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 15 网络互连使用路由器 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 网络互连都是指用路由器进行网络互连和路由选择 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 16 互连网络与虚拟互连网络 IP网的概念 17 虚拟互连网络的意义 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

7、看起来好像是一个统一的网络 使用IP协议的虚拟互连网络可简称为IP网 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络异构细节 如果在这种覆盖全球的IP网的上层使用TCP协议 那么就是现在的互联网 Internet 18 互联网可以由多种异构网络互连组成 19 从网络层看IP数据报的传送 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 20 4 2 2分类的IP地址 在TCP IP体系中 IP地址是一个最基本的概念 本部分重点学习 1 IP地址及其表示方法2 常用的三种类别的IP地址 21 1 IP地址及其表示方

8、法 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互联网上的主机 或路由器 分配一个在全世界范围是唯一的32位的标识符 IP地址现在由互联网名字和数字分配机构ICANN InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers 进行分配 22 IP地址的编址方法 分类的IP地址 这是最基本的编址方法 在1981年就通过了相应的标准协议 子网的划分 这是对最基本的编址方法的改进 其标准 RFC950 在1985年通过 构成超网 这是比较新的无分类编址方法 1993年提出后很快就得到推广应用 23 分类IP地址 将IP地址划分为若干个固定类

9、 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 主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的 由此可见 一个IP地址在整个互联网范围内是唯一的 24 分类IP地址 这种两级的IP地址结构如下 这种两级的IP地址可以记为 IP地址 4 1 代表 定义为 25 各类IP地址的网络号字段和主机号字段 26 各类IP地址的网络号字段和主机号字段 A类地址的网络号字段net id为1字节 27 各类IP地址的网络号字段和主机号字段 B类地址的网络号字段net id为2字节

10、 28 各类IP地址的网络号字段和主机号字段 C类地址的网络号字段net id为3字节 29 各类IP地址的网络号字段和主机号字段 A类地址的主机号字段host id为3字节 30 各类IP地址的网络号字段和主机号字段 B类地址的主机号字段host id为2字节 31 各类IP地址的网络号字段和主机号字段 C类地址的主机号字段host id为1字节 32 各类IP地址的网络号字段和主机号字段 D类地址是多播地址 33 各类IP地址的网络号字段和主机号字段 E类地址保留为今后使用 34 点分十进制记法 采用点分十进制记法则进一步提高可读性 128 11 3 31 12811331 将每8位的二进

11、制数转换为十进制数 35 点分十进制记法举例 32位二进制数 等价的点分十进制数 10000001001101000000011000000000 129 52 6 0 11000000000001010011000000000011 192 5 48 3 00001010000000100000000000100101 10 2 0 37 10000000000010100000001000000011 128 10 2 3 10000000100000001111111100000000 128 128 255 0 36 2 常用的三种类别的IP地址 IP地址的指派范围 37 一般不使用的

12、特殊的IP地址 38 IP地址的一些重要特点 1 IP地址是一种分等级的地址结构 分两个等级的好处是 第一 IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号 而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配 这样就方便了IP地址的管理第二 路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组 而不考虑目的主机号 这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少 从而减小了路由表所占的存储空间 39 IP地址的一些重要特点 2 实际上IP地址是标志一个主机 或路由器 和一条链路的接口 当一个主机同时连接到两个网络上时 该主机就必须同时具有两个相应的IP地址 其网络号net id必须是不同的 这种主机称为多归属主机 mul

13、tihomedhost 由于一个路由器至少应当连接到两个网络 这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络 因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址 40 IP地址的一些重要特点 3 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络 因此这些局域网都具有同样的网络号net id 4 所有分配到网络号net id的网络 无论是范围很小的局域网 还是可能覆盖很大地理范围的广域网 都是平等的 41 互联网中的IP地址 42 互联网中的IP地址 在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的 图中的网络号就是IP地址中的net id 43 互联网中的IP地址 路由器总是具有两个或

14、两个以上的IP地址 路由器的每一个接口都有一个不同网络号的IP地址 44 互联网中的IP地址 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 5 222 1 6 N1

15、LAN2 LAN1 互联网 两个路由器直接相连的接口处 可指明也可不指明IP地址 如指明IP地址 则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊 网络 现在常不指明IP地址 45 4 2 3IP地址与硬件地址 IP地址与硬件地址是不同的地址 从层次的角度看 硬件地址 或物理地址 是数据链路层和物理层使用的地址 IP地址是网络层和以上各层使用的地址 是一种逻辑地址 称IP地址是逻辑地址是因为IP地址是用软件实现的 46 4 2 3IP地址与硬件地址 TCP报文 IP数据报 MAC帧 应用层数据 首部 首部 尾部 首部 IP地址与硬件地址的区别 IP地址放在IP数据报的首部 而硬件地址则放在MAC帧

16、的首部 47 通信的路径 H1 经过R1转发 再经过R2转发 H2 查找路由表 查找路由表 48 从协议栈的层次上看数据的流动 49 从虚拟的IP层上看IP数据报的流动 50 在链路上看MAC帧的流动 51 在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报 图中的IP1 IP2表示从源地址IP1到目的地址IP2 两个路由器的IP地址并不出现在IP数据报的首部中 52 路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择 53 在具体的物理网络的链路层只能看见MAC帧而看不见IP数据报 54 IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节 在抽象的网络层上讨论问题 就能够使用统一的 抽象的IP地址研究主机和主机或主机和路由器之间的通信 55 主机H1与H2通信中使用的IP地址与硬件地址HA 56 4 2 4地址解析协议ARP 通信时使用了两个地址 IP地址 网络层地址 MAC地址 数据链路层地址 57 地址解析协议ARP的作用 已经知道了一个机器 主机或路由器 的IP地址 如何找出其相应的硬件地址 地址解析协议ARP就是用来解决这样的问题的 ARP协议的作用 ARP作用 从网络层使用的IP地址 解析出在数