ch4_网络层与路由技术ppt课件

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1、.,第四章,网络层与路由技术,.2页，共85页,第4章 网络层与路由技术,网络层需要解决的问题是确定IP分组从源地址到目标地址是如何路由的。小型网络的路由选择很简单，所以网络层功能很弱。在大型网络中，IP分组需要跨越若干个网络才能到达目标地址，其中的种种问题需要由网络层来解决。,.3页，共85页,4.1 IP协议工作原理,4.1.1 网络层的功能与主要协议 1网络层的主要功能 网络层的主要功能是把IP分组从一个网络传送到另一个网络。为了达到这个目的，网络层必须屏蔽各种不同网络类型之间的差异，采用统一的数据格式和统一的网络地址，使IP分组在网络之间实现寻址和转发。,.4页，共85页,4.1.1

2、网络层的功能与主要协议,2网络层的主要协议 网络层主要有以下协议：IP（网际协议）、路由选择协议（如RIP、OSPF）、ICMP（因特网控制报文协议）、ARP（地址解析协议）和IGMP（因特网组管理协议）等。,.5页，共85页,4.1.2 IP分组格式,IP分组由报头和数据两部分组成。报头中前一部分是固定长度的20个字节，后一部分的长度是可变的可选部分。,.6页，共85页,4.1.3 最大数据传输单元长度,物理层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候IP层接收到一份要发送的IP分组时，它要判断向本地哪个接口发送数据（选路），并查询该接口，获得MTU（最大数据传输单元）长度。 IP协议把M

3、TU与IP分组长度进行比较，如果IP分组太大，则需要进行分片。分片可以发生在原始发送端的主机上，也可以发生在中间路由器上。,.7页，共85页,4.1.4 IP分组的路由,路由器在结构上可分为路由选择和分组转发两大部分。 路由选择部分也称为控制部分，核心部件是路由表和路由选择处理机。 分组转发由三部分组成：交换部件、一组输入端口和一组输出端口。在讨论路由选择原理时，往往不区分转发表和路由表的区别，而是笼统地使用路由表这一名词。,.8页，共85页,4.1.4 IP分组的路由,网络层处理IP分组的主要步骤是路由选择和地址转换，路由算法的基本流程如下： （1）从IP分组的头部提取目标站的IP地址D，从

4、中得到目标站的网络号N。 （2）若网络号N与此路由器直接相连，则通过该网络将IP分组交付给目标主机（其中包括将目标主机的IP地址D转换为具体的物理地址，将IP分组封装为MAC帧）；否则，执行（3）。,.9页，共85页,4.1.4 IP分组的路由,路由算法的基本流程如下： （3）若路由表中有目标地址为D的主机路由，则将IP分组传输给路由表所指明的下一站路由器；否则执行（4）。 （4）若路由表中有到达网络号N的路由，则将IP分组传送给路由表指出的下一站路由器；否则执行（5）。 （5）若路由表中有子网掩码，就要针对每一个路由，用子网掩码和目标主机的IP地址D进行“与”运算，得到结果M。若M等于目标主

5、机的网络号N，则将IP分组传输给路由表指明的下一站路由器；否则执行（6）。,.10页，共85页,4.1.4 IP分组的路由,路由算法的基本流程如下： （6）若路由表中有一个默认的路由，则将IP分组传输给路由表中所指明的默认路由器；否则执行（7）。 （7）报告路由选择出错信息。,.11页，共85页,4.1.5 ARP协议工作原理,ARP（地址解析协议）协议主要解决网络层地址（IP地址）与数据链路层地址（MAC地址）的映射问题。ARP只能用于具有广播能力的网络。 由于IP地址是主机在网络层中的地址，如果要将网络层中传输的IP分组交给目标主机，还需要传输到链路层后，转换成MAC帧后才能发送到网络中。

6、而MAC帧要同时使用源主机MAC地址和目标主机MAC地址。因此必须在IP地址和主机的硬件地址之间进行转换，ARP地址解析协议就是为此目的而设计的。,.12页，共85页,4.1.5 ARP协议工作原理,ARP工作过程如下： 路由器在内部建立一个ARP表，表中存放主机的IP地址和MAC地址。 如果目标主机与源主机在同一个子网内，路由器就在ARP表中查找目标主机的IP地址，否则用默认网关的IP地址在ARP表中查找。如果没有找到，路由器则发送广播包，目标主机收到后给出应答，这时ARP表中就会增加一个新的表项。 由于网络中的主机经常发生变化（如重启、开机等），所以ARP表要及时刷新。每个主机启动时，都会

7、广播它的IP地址和MAC地址。,.13页，共85页,4.1.6 ICMP协议工作原理,ICMP（因特网控制报文协议）主要用来报告IP分组在传输中的出错和测试信息，以及主机探测、路由维护、路由选择、流量控制等。 ICMP报文需要封装在IP分组中进行传输。 ICMP报文有两种类型，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。,.14页，共85页,4.1.6 ICMP协议工作原理,ICMP报文最常见的内容是“目的地无法到达” 和“回声” 消息。,.15页，共85页,4.1.7 IGMP协议工作原理,IGMP（因特网组管理协议）是一个组播协议。 与单播相比，组播可大大节约网络资源。 IGMP有三个版本，

8、IGMP 1、IGMP 2和IGMP 3，目前应用最多的是版本2。,.16页，共85页,IGMP协议工作过程,（1）当主机加入一个新的主机组时，它发送一个IGMP报文给全部主机组，宣布此成员关系。本地组播路由器接收到这个报文后，向Internet上的其他组播路由器传播这个信息，并建立必要的路由。与此同时，在加入组播的主机上，将主机IP组地址映射为MAC地址，并设置地址过滤器。,.17页，共85页,IGMP协议工作过程,（2）为了处理动态的成员关系，本地组播路由器周期性的轮询本地网络上的主机，以便确定主机组内有哪些主机。这个轮询过程是通过发送IGMP报文来实现的，这个报文发送给全部主机组，且报文

9、的TTL（生存时间）值设为1，以确保报文不会传送到本地网络以外。收到报文的组成员会发送响应报文。如果所有的组成员同时响应的话，就可能造成网络阻塞。因此IGMP协议采用了随机延时的方法来避免这种情况，保证在同一时刻，每个组中只有一个成员在发送响应报文。,.18页，共85页,4.2 IP地址分类与子网化技术,4.2.1 IP地址分类 1IP地址格式 在IP v4中，IP地址由4个8位二进制数组成，为了方便记忆，用点号每8位进行分割，然后每段用十进制数表示，这称为IP地址的点分十进制。,.19页，共85页,4.2.1 IP地址分类,2网络标识和主机标识 IP地址需要使用一部分来标识网络，剩下的部分标

10、识网络中的主机。IP地址中用来标识设备所在网络的部分称为网络ID（网络号），标识网络设备的部分称为主机ID（主机号），这些ID包含在同一个IP地址之中。 网络ID中的位数决定了可能的网络数量，而主机ID中的位数决定了某个网络中主机的最大数量。,.20页，共85页,4.2.1 IP地址分类,3地址类型 IP地址分为A、B、C、D、E五类，其中A、B、C类地址是主类地址，D类为组播地址，E类保留给将来使用。,.21页，共85页,4.2.1 IP地址分类,4IP地址的规划与分配 IP地址的规划一般按以下步骤进行： 首先分析网络规模，包括相对独立的网段数量和每个网段中可能拥有的最大主机数。 其次，确定

11、使用公用地址还是私有地址，并根据网络规模确定所需要的网络号类别，若采用公有地址还需要向网络信息中心（NIC）提出申请并获得地址使用权。最后，根据可用的地址资源进行主机IP地址的分配。,.22页，共85页,4.2.1 IP地址分类,4IP地址的规划与分配 IP地址可以采用静态分配和动态分配两种方式。 静态分配是由网络管理员为用户指定一个固定不变的IP地址，并由用户手工在主机上进行配置。 动态分配通过服务器或路由器提供的动态主机控制协议（DHCP）来实现，用户无需设置。无论使用哪种地址分配方法，都不允许任何两个接口拥有相同的IP地址，否则将导致地址冲突。,.23页，共85页,4.2.2 特殊IP地

12、址,1公网地址与私网地址 RFC 1918标准规定了两类IP地址： 一种是因特网上使用的IP地址，称为公网地址或外网地址，这类地址不允许出现重复，企业使用这类IP地址时必须向NIC申请。 另外一类IP地址允许在不同企业内部网中重复使用（注意，同一局域网内IP地址不能重复），无须向NIC申请。但是这类IP地址不能在因特网上使用，这类IP地址称为私网地址或内网地址。,.24页，共85页,4.2.2 特殊IP地址,2特殊IP地址 网络号或主机号的比特位为全0或全1的地址有特殊的意义，它们不能分配给主机使用。全1的意义为“全部”，全0的意义为“这个”，这些特殊的地址如表所示。,.25页，共85页,4.

13、2.2 特殊IP地址,3路由器地址 路由器需要有自己的IP地址，与网络号和广播地址不同，路由器地址没有严格的规定，习惯上把网络号后的第一个地址用做路由器地址。例如，在202.66.21.0的C类网络中，习惯上把紧随其后的202.66.21.1保留做路由器地址。当网络中没有路由器时，路由器地址可以分配给其他计算机使用。,.26页，共85页,4.2.3 有类子网划分技术,1网络的子网化 子网划分是网络管理员将一个给定的网络分为若干个更小的部分，这些更小的部分被称为子网。 子网划分的方法是用主机地址的一部分作为子网号。网络管理员需要从原有IP地址的主机位中借出连续的若干高位作为子网络标识。,.27页

14、，共85页,4.2.3 有类子网划分技术,2子网掩码 子网掩码是说明子网与主机关系的一种特殊IP地址。 子网掩码必须与IP地址成对使用；子网掩码的值高位连续为1时，对应的IP地址值为子网号；子网掩码值连续为0时，对应的IP地址值为主机号。 子网掩码单独使用时没有任何意义。,.28页，共85页,4.2.3 有类子网划分技术,3子网的划分方法 在划分子网之前，应当先分析网络目前的需求和将来的扩展，子网划分步骤如下： 第一步：确定网络中物理网段的数量，以及每个物理网段上主机的数量。 第二步：计算需要的掩码二进制位数。 第三步：计算子网掩码值。 第四步：计算子网主机地址范围。,.29页，共85页,4.

15、2.3 有类子网划分技术,4子网划分中应当注意的问题 划分了子网时，最好保留一个路由器地址。因为子网之间的通信需要使用路由器。 子网划分的目的并不是解决IP地址不够用的问题，因为使用子网划分反而会使IP地址减少。子网划分主要解决网络号不够用的问题。 由以上计算可知，子网划分方法复杂，划分的子网号也不便于记忆，不利于进行网络管理。况且，目前企业申请到一个或数个网络号的情况也非常少。因此，对于大多数企业和个人，内部局域网一般使用C类或B类私有地址，这样进行网络管理更为简单可靠，而外部网络的互连往往采用NAT（网络地址转换）技术。,.30页，共85页,4.2.3 有类子网划分技术,5默认网关地址 默

16、认网关地址是本地子网中路由器的IP地址。当发送数据的计算机发现目标地址不在本地子网内时，就将数据发送给默认网关，而不是直接向目的计算机发送。,.31页，共85页,4.2.4 CIDR无类子网划分技术,1CIDR的基本原理 CIDR取消了地址的分类结构，代之以“网络前缀”的概念，即允许以可变长分界的方式分配网络数。CIDR技术可以将一个A类或B类网络分解成多个网络，也可以将多个连续的C类网络聚合成一个超网（Super Net）。 超网只承认网络位和主机位标识地址，不承认网络地址类别这个概念。,.32页，共85页,4.2.4 CIDR无类子网划分技术,1CIDR的基本原理 超网的描述格式为：x.x.x.x/y 其中x.x.x.x表示超网地址，y为网络前缀位数（IP地址的前y位为网络号，也称为掩码位）。 网络前缀位最大为/32，但是最大可用网络前缀位为/30，即保留2位给主机使用。,.33页，共85页,4.2.4 CIDR无类子网划分技术,2CIDR地址块的分配 在RFC 1519标准中，将世界划分为4个区域，并将一部分C类地址空间分配给这些区域。具体的分配是： 欧洲区域从194.0.0.0