第3章互联网络层学习资料

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1、1页,人民邮电出版社,第3章 互联网络层,2页,3.1网络层的互联技术,3.1.1网络互联概述 1.互联网 如果利用网络互联设备将两个或多个物理网络相互连接，就成了互联网络（internetwork），简称互联网（internet，注意“i”为小写，当“I”为大写时，即Internet，特指全球范围内的互联网）。将多个物理网络互联的最常用设备是路由器（Router），如图3-1所示 ,该示意图有4个物理网络，这4个物理网络通过R1、R2、R3、R4和R5共5个路由器来实现其互联互通的作用。,3页,3.1网络层的互联技术,4页,3.1网络层的互联技术,3.1.1网络互联概述 2.Intranet

2、与Extranet 如果一个企业内部网络，使用了Internet中的TCP/IP协议及其网络互联技术，就是一个Intranet。简单地说，Intranet就是一个有限的、封闭的计算机网络，而该网络使用Internet技术共享数据，一个Intranet可以是一个Internet的子网，不过在子网与Internet的交界处增加了访问控制，以防止不受欢迎的访问。 由于Internet技术的成熟与普及，使使用了Internet技术的Intranet实现和维护费用较低。如果一个Intranet通过防火墙等技术与外部Internet相连，该Intranet就是一个开放的，通过外部可以访问的网络，这时它就成

3、了一个Extranet，因此从某种程度上说，Extranet就是公司与公司之间的网络。,6页,3.1网络层的互联技术,3.1.2路由器 1.路由器的工作原理 当IP子网中的一台主机发送IP报文给不同IP子网上的主机时，它要选择一个能到达目的子网的路由器，把IP报文送给该路由器，由路由器负责把IP报文送到目的地。 路由器转发IP报文时，只根据IP报文中目的IP地址的网络号部分，选择合适的端口，把IP报文送出去。 每个路由器在收到IP报文后也要判定端口所连接的是否是目的子网，如果是，就直接把报文通过端口送到网络上，否则，也要选择下一个路由器来转发IP报文。,7页,3.1网络层的互联技术,3.1.2

4、路由器 2.路由器的功能 （1）在网络之间接收和发送数据包。 （2）为网际间通信选择最合理的路由。 （3）根据需要可对数据包进行拆分或组装。 （4）对于支持多通信协议的路由器，可以将两个使用不同协议的网络连接起来。 （5）网络安全功能，目前大部分路由器都具备一定的防火墙功能，能够屏蔽内部网络的IP地址，自由设定IP地址、通信端口过滤等，使网络更加安全。,8页,3.1网络层的互联技术,3.1.3面向连接的互联技术 通信的源端和目标端之间建立了一条逻辑通路，一般称为虚电路（virtual circuit). 面向连接（connect-oriented）的互联技术，这种方式看似简单，易于实现，但其最

5、大的缺点是如果不能保证虚电路中沿途经过的节点都能可靠的发送数据，就可能使网络崩溃。由于互联网所连网络的复杂性和多样性，很难保证所节点都能可靠的发送数据。,9页,3.1网络层的互联技术,3.1.4无连接的互联技术 无连接的(connectionless)的互联网解决方案在源端和目标端之间不需要建立一条逻辑通路，而是送到网络中的每个分组带有完整的目标主机地址，收到分组的节点（主要是路由器）根据目标地址和当前网络状况（如通信量等），选择一条合适的线路把分组发送到接近目标端的下一个节点，通过多个节点的转发，最终把分组送达目标节点。,10页,3.1网络层的互联技术,3.1.5IP互联原理 对互联的不同物

6、理网络（具体表现就是不同网络的网络接口卡和设备驱动程序互不相同）上传输的数据帧，都加上一层相同的“包装”，使加了“包装”后的网络数据帧对外有统一的“外表”（为了区别数据帧，我们就把它叫“数据报”）。 这样的数据报，不同网络中的节点（主要是路由器）都可以识别，因此，就可以根据数据报的目标地址，把它从一个节点转发到另一个节点，直到目标主机。最后由目标主机对数据报的内容进行解释。,11页,3.2IP协议,3.2.1IP协议概述 IP协议是TCP/IP协议簇中最重要的协议，从协议体系结构来看，向下它屏蔽了不同物理网络的低层，向上它提供了一个逻辑上统一的互联网。TCP/IP网络中的IP就如同邮政服务中的

7、“标准信封”，在这个基本的、有效的传送机制中，任何种类的数据都能放入到该“标准信封”中，如图3-3所示。,12页,3.2IP协议,3.2.1IP协议概述 1.IP协议的主要功能 IP协议所完成的主要功能包括以下内容： 将上层数据（如 TCP，UDP数据）或同层的其它数据（如ICMP数据）封装到IP数据报中。 将IP数据报传送到最终目的地。 为了使数据能够在链路层上进行传输，对数据进行分段。 确定数据报到达其它网络的路径。,13页,3.2IP协议,3.2.1IP协议概述 2.IP协议在TCP/IP协议栈中的地位与特点 互联网上的所有数据报都要经过IP协议进行传输，它是通信网络与高层协议的分界，如

8、图3-4所示。,14页,3.2IP协议,3.2.1IP协议概述 2.IP协议在TCP/IP协议栈中的地位与特点 使用IP协议的互联网具有以下重要特点： IP协议是一种无连接(connectionless)不可靠（unreliable）的数据报传输协议。 IP互联网中的计算机没有主次之分，所有主机地位平等（因为惟一标识它们的是IP地址）。 IP互联网没有确定的拓扑结构。 在IP互联网中的任何一台主机，都至少有一个独一无二的IP地址，有多个网络接口卡的计算机每个接口可以有一个IP地址，这样一台主机可能就有多个IP地址，有多个IP地址的主机叫多宿主机（multi-home host）。 在互联网中有

9、IP地址的设备，不一定就是一台计算机，如IP路由器、网关等，因为与互联网有独立连接的设备都要有IP地址。,15页,3.2IP协议,3.2.1 IP数据报格式 IP数据报的格式分为报头区和数据区两大部分，其中数据区包括高层协议需要传输的数据，报头区是为了正确传输高层数据而加的各种控制信息。IP数据报的格式如图3-5所示。,16页,3.2IP协议,3.2.1 IP数据报格式,17页,3.2IP协议,3.2.3 IP数据报的分片与重组 1.最大传输单元MTU 正如图3-1所示，IP数据报在互联网上传输，可能要经过多个物理网络数据报才能从源端传输到目标端。不同的网络由于链路层和介质的物理特性不同，因此

10、在进行数据传输时，对数据帧的最大长度都有一个限制，这个限制值叫最大传输单元MTU(Maximum Transmission Unit)。 同一个网络上的两台主机之间通信时，该网络的MTU是确定，不存在分片问题。分片问题一般只存在于具有不同MTU值的互联网中。由于现在互联网主要使用路由器进行网络连接，所以分片工作通常由路由器进行。,18页,3.2IP协议,3.2.3 IP数据报的分片与重组 1.最大传输单元MTU 如果两台主机之间的通信要通过多个具有不同MTU值的网络时，重要的不是两台主机所在网络的MTU值，而是两台通信主机路径上的最小MTU值，它被称作路径MTU。两台主机之间的路径MTU不一定

11、是个常数，它取决于数据报所经过的路径。由于路由选择不一定是对称的（从A到B的路由可能与从B到A的路由不同），因此，路径MTU在两个方向上不一定是一致的。表3-3列出了几种常用网络的MTU值。,19页,3.2IP协议,3.2.3 IP数据报的分片与重组,20页,3.2IP协议,3.2.3 IP数据报的分片与重组 2.分片 当一个IP数据报要通过链路层进行传输时，如果IP数据报的长度比链路层MTU的值大，那么IP层就需要对将要发送的IP数据报进行分片，把一个IP数据报分成若干个长度小于或等于链路层MTU的IP数据报，才能经过链路层进行传输。这种把一个数据报为了适合网络传输而分成多个数据报的过程，叫

12、分片（fragmentation）。一定要注意，被分片后的各个IP数据报，可能经过不同的路径到达目标主机。 一个IP数据报在传输过程中可能被分片，也可能不被分片。如果被分片，分片后的IP数据报和原来没有分片的IP数据报结构是相同的，即也是由IP头部和IP数据区两部分组成。,21页,3.2IP协议,3.2.3 IP数据报的分片与重组 3.重组 当分了片的IP数据报被传输到最终目标主机时，目标主机要对收到的各分片重新进行组装，以恢复成源主机发送时的IP数据报，这个过程叫IP数据报的重组。重组时如何知道收到的分片（IP数据报）属于原来哪个IP数据报呢？解决这个问题就要使用IP数据报头部的标识字段。

13、在IP数据报头部中，标识用16位二进制数表示，它惟一地标识主机发送的每一份数据报。通常在源端保持着一个计数器，每发送一个数据报它的值就会加1，以保证每个数据报有一个惟一的标识，而在一个数据报被分片时，每个分片仅把原数据报标识字段的值原样复制一份，所以一个数据报的所有分片具有相同的标识。,22页,3.2IP协议,3.2.3 IP数据报的分片与重组 3.重组 目标端主机重组数据报的原理是：根据标识可以确定收到的分片属于哪个原IP数据报；根据标志字段的片未完MF子字段可以确定分片是不是最后一个分片；根据偏移量就可以确定分片在原数据报中的位置。,23页,3.3IP地址,3.3.1 IP地址的表示格式

14、互联网是由很多网络连接而成的，互联网中的数据报有些是在本网内主机之间传输的，有些是要送到互联网中其它网络中主机的数据报，因此，IP地址不但要标识在本网内的主机号，还要标识在互联网中的网络号。 一个IP地址由网络号和主机号两部分组成，网络号标识互联网中的一个特定网络，主机号标识该网络中的一台特定主机。这样给定一个IP地址，就可以很方便的知道它是哪个网络上的哪一台主机。,24页,3.3IP地址,3.3.1 IP地址的表示格式,25页,3.3IP地址,3.3.2 IP地址的分类 在Internet发展的初期，人们用IP地址的前8位用来定义所在的网络，后24位用来定义该主机在当地网络中的地址。这样互联

15、网中最多只能有255（应该有256个，但全1的IP地址用于广播）个网络。后来由于这种方案可以表示的网络数太少，而每个网络中可以连入的主机又非常多，这不符合互联网的实际情况。于是，人们设计了一种新的编码方案，该方案中用IP地址高位字节的若干位来表示不同类型的网络，以适应大型、中型、小型网络对IP地址的需求。这种IP地址分类法把IP地址共分为A、B、C、D和E共五类，用IP地址的高位来区分。,26页,3.3IP地址,3.3.2 IP地址的分类,27页,3.3IP地址,3.3.3 子网的划分 1.子网与子网地址 IP地址最初使用两层地址结构(包括网络地址和主机地址)，在这种结构中A类和B类网络所能容

16、纳的主机数非常庞大，但使用C类IP地址的网络只能接入254台主机。 随着时间的推移，计算机网络技术不断普及，有大量的个人用户和小型局域网接入互联网，对于这样的用户，即使分配一个C类网络地址仍然会造成IP地址的很大浪费。因此，人们提出了三层结构的IP地址，把每个网络可以进一步划分成若干个子网（subnet），子网内主机的IP地址由三部分组成。 一个网络可以划分成多少个子网，由子网地址位数决定，当然一种给定类型的IP地址，如果子网占用的位数越多，子网内主机就越少。划分子网进一步减少了可用的IP地址数量，这是因为，把主机地址的一部分拿走用于识别子网和进行子网内广播.,28页,3.3IP地址,3.3.3 子网的划分 2.子网掩码 对于划分了子网的网络，由于子网地址是由两级地址结构中主机地址的若干位组成的，具体子网所占位数的多少，要根据子网的规模来决定，如果一个网络内的子网数较少，而子网内主机数较多，就应该把两级地址结构中主机地址的大部分位数分配给子网内的主机，少量位用来表示子网号