网络互连(8学时)

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1、第六章第六章网络互连（网络互连（8 8 学时）学时）（一）教学目的和要求（一）教学目的和要求 通过对本章的学习，掌握基本的网络互联技术，子网的划分和超网的构造，掌握 IP 协 议、ARP/ RARP 协议、ICMP 协议，虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT；熟悉掌握路由选 择的原理和作用，网际协议 IP；了解 IP v6 协议的主要功能和应用前景。（二）教学要点（二）教学要点 1、路由器在网际互连中的作用 2、因特网的网际协议 IP 3、划分子网和构造超网 4、因特网控制报文协议 ICMP 5、因特网的路由选择协议 6、虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT 7、下一代的网际协议

2、IPv6（三）（三）教学重点和难点教学重点和难点 重点：1、路由器及路由选择、结点查找表建立 2、IP 地址与 MAC 地址 3、ARP、RARP 协议，划分子网和构成超网 4、IGMP、VPNIPv6 等 难点: 1、路由选择、结点查找表 2、IP 地址与 MAC 地址 3、控制报文协议 IGMP 协议（四）教学内容（四）教学内容 6.16.1 路由器在网际互连中的作用路由器在网际互连中的作用 6.1.16.1.1 路由器的构成路由器的构成 当主机 A 要向另一个主机 B 发送数据报时，先要检查目的主机 B 是否与源主机 A 连接 在同一个网络上。如果是，就将数据报直接交付给目的主机 B 而

3、不需要通过路由器。但如 果目的主机与源主机 A 不是连接在同一个网络上，则应将数据报发送给本网络上的某个路 由器，由该路由器按照转发表指出的路由将数据报转发给下一个路由器。这就叫作间接交 付。 路由路由选择选择路由选择处理机路由选择处理机路由选择协议路由选择协议路由表路由表输入端口输入端口交换结构交换结构输入端口输入端口输出端口输出端口分组分组转发转发转发表转发表分组处理分组处理输出端口输出端口3 33 32 22 22 22 23 3网络层网络层2 2数据链路层数据链路层1 1物理层物理层3 33 31 11 1“转发转发”和和“路由选择路由选择”的区别：的区别：“转发”(forwardin

4、g)就是路由器根据转发表将用 户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。 “路由选择”(routing)则是按照分布式算法，根 据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由。路由表是 根据路由选择算法得出的。而转发表是从路由表得出的。在讨论路由选择的原理时，往往 不去区分转发表和路由表的区别。 分组丢弃：分组丢弃：若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的可用存储 空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。 路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。 6.1.26.1.2 交换结构交换结构I I1 1I I

5、3 3I I2 2O O1 1O O2 2存存 储储 器器I I1 1I I3 3I I2 2O O1 1O O2 2I I1 1I I3 3I I2 2O O1 1O O2 2O O3 3(a)(a) 通过存储器通过存储器(c)(c) 通过互连网络通过互连网络(b)(b) 通过总线通过总线总线总线互连网络互连网络O O3 3O O3 36.1.36.1.3 互联网与因特网互联网与因特网 互连在一起的网络要进行通信，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

6、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 网络互相连接起来的中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统：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)。 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。互联网都是指用路 由器进行互连的网络。 网络网络网络网络网络网络网络网络网络网络(a)(a

7、) 互连网络互连网络(b)(b) 虚拟互连网络虚拟互连网络路由器路由器虚拟互连网络虚拟互连网络（IPIP 网）网）虚拟互连网络的意义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。 名词名词 internetinternet 和和 Internet

8、Internet 的区别：的区别：以小写字母 i 开始的 internet（互联网或互 连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的虚拟网络。以大写字母 I 开 始的的 Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网 络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族，且其前身是美国的 ARPANET。 6.26.2 因特网的网际协议因特网的网际协议 IPIP 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四 个协议：地址解析协议 ARP(Address Resolution Protocol)

9、、逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol)、因特网控制报文协议 ICMP(Internet Control Message Protocol)、因特网组管理协议 IGMP(Internet Group Management Protocol) 6.2.16.2.1 分类的分类的 IPIP 地址地址 1 1、IPIP 地址及其表示方法地址及其表示方法 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因特网 上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是惟一的 32 bit 的标识符。IP 地址现在由 因特网名字与号码

10、指派公司 ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配 IPIP 地址的编址方法地址的编址方法：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RFC 950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。 分类分类 IPIP 地址地址：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

11、-id， 它标志该主机（或路由器） 。两级的 IP 地址可以记为： IP 地址 := , 路由器转发分组的步骤路由器转发分组的步骤：先按所要找的 IP 地址中的网络号 net-id 把目的网络找到。 当分组到达目的网络后，再利用主机号 host-id 将数据报直接交付给目的主机。按照整数 字节划分 net-id 字段和 host-id 字段，就可以使路由器在收到一个分组时能够更快地将 地址中的网络号提取出来。 IPIP 地址的重要特点地址的重要特点 (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

12、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。 (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。这种主机称为多接口主机(multihomed host)。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

13、 地址。 (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，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。 6.2.26.2.2 IPIP 地址与硬件地址地址与硬件地址 TCPTCP报文报文IPIP 数据报数据报MACMAC 帧帧应用层数据应用层数据首部首部首部首部尾部尾部首部首部 链路层及以下链路层及以下使用硬件地址使用硬件地址硬件地址硬件地址网络层及以上网络层及以上使用使用 IPIP 地地址址IPIP地址地址6.2.36.2.3 地址解析协议地址解析协议 ARPARP

14、 和逆地址解析协议和逆地址解析协议 RARPRARP 不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使 用硬件地址。每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上 的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就 可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发 往此硬件地址。 6.2.46.2.4 IPIP 数据报的格式数据报的格式 一个 IP 数据报由首部

15、和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共 20 字节， 是所有 IP 数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变 的。 6.2.56.2.5 IPIP 层转发分组的流程层转发分组的流程 路由器和结点交换机有些区别路由器和结点交换机有些区别：路由器是用来连接不同的网络，而结点交换机只是在 一个特定的网络中工作。路由器是专门用来转发分组的，而结点交换机还可接上许多个主 机。路由器使用统一的 IP 协议，而结点交换机使用所在广域网的特定协议。路由器根据 目的网络地址找出下一个路由器，而结点交换机则根据目的站所接入的交换机号找出下一 跳（即下一个结点交换机） 。6.36

16、.3 划分子网和构造超网划分子网和构造超网 6.3.16.3.1 划分子网划分子网 1.1. 从两级从两级 IPIP 地址到三级地址到三级 IPIP 地址地址 在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不够合理。IP 地址空间的利用率有时很低。 给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。两级的 IP 地址不够灵活。 划分子网的基本思路划分子网的基本思路：划分子网纯属一个单位内部的事情。这个单位对外仍然表现为 没有划分子网的网络。从主机号借用若干个比特作为子网号 subnet-id，而主机号 host- id 也就相应减少了若干个比特。 IP 地址 := , , (6-2) 凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报