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1、计算机网络计算机网络张长明ncepubd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 因特网的路由选择协议4.6 IP 多播4.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT4.1 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。争论的焦点就是：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？ 观点1：让网络负责可靠交付n 电信网的成功经验：电信网使用昂贵的程控交换机， 采用面向连接的通信方式 ，使电信网络能够向用户（ 即电
2、话机）提供可靠传输服务。 n 因此有人认为计算机网络应模仿打电话所使用的面向 连接通信方式。 当两个计算机通信时，应先建立连接(在分组交换网中是建 立虚电路)，以保证双方通信所需的一切网络资源。 然后双方就沿着建立的虚电路发送分组。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。 在通信结束后，要释放建立的虚电路。应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层虚电路服务示意图H1 H2虚电路H1发送给H2的所有分组都沿着同一条虚电路传送n 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，
3、而并不是真正建立了一条物理连接。 电路交换的电话通信是先建立一条真正的连接。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。 观点2：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。n 网络在发送分组时不需要先建立连接。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）。n 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、重复和失序当然也不保证分组传送的时限。 n 这种设计思路的好处：网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用。应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层数据报服务示
4、意图H1 H2IP 数据报丢失H1发送给H2的分组可能沿着不同路径传送虚电路服务与数据报服务的对比由用户主机负责可以由网络负责，也可以由用 户主机负责端到端的差错处 理和流量控制不一定按发送顺序到达终点总是按发送顺序到达终点分组的顺序出故障结点可能会丢失分组， 一些路由可能会发生变化所有通过出故障结点的虚电路 均不能工作当结点出故障时每个分组独立选择路由进行转 发属于同一条虚电路的分组均按 照同一路由进行转发分组的转发每个分组都有终点完整地址仅在连接建立阶段使用，每个 分组使用短的虚电路号终点地址不需要必须有连接的建立可靠通信应由用户主机保证可靠通信应当由网络来保证思路数据报服务虚电路服务对比
5、的方面4.2 网际协议IPn 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) 逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol) 网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) 网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)网际层的 IP 协议及配套协议各种应用层协议网络接口层(HTTP, FTP, SMTP
6、 等)物理硬件运输层TCP, UDP应用层ICMP IPRARPARP与各种网络接口网络层 （网际层）IGMP4.2.1 虚拟互连网络n 互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题，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网络的异构性使得网 络互联变得非常困难。不可以。因为用户需求是多样的 ，没有一种单一的网络能够适应 所有用户的需求。另外，网络技 术是不断发展的，厂家不断推出 新网络，市场上总有多种不同性 能、协议的
7、网络供用户选择。能不能让大家都使 用相同的网络，这 样可使网络互连变 得比较简单？n 网络互相连接使用的中间设备（中间系统或中继系统 ） 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) n TCP/IP体系在网络互连上的做法是在网络层（IP层）采用标准化协议，但相互连接的网络可以是异构的。网络网络网络网络网络(a) 实际的互连网络路由器(b) 虚拟互连网络虚拟互连网络 （互联网）n 所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络
8、，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在网络层上看起来好像是一个统一的网络。n 使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。n 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，就好像在一个单个网络上通信一样，它们看不见互连的各网络的具体异构细节。 5 4 3 2 15 4 3 2 1主机 H1主机 H2R1R4R5R2R3R1R2 R3H1R5H2R4间接交付间接交付间接交付间接交付间接交付直接交付3 2 2 1 13 2 2 1 13 2 2 1 13 2 2 1 13 2 2 1 1分组在互联网中的传送举
9、例 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。网络层网络层网络层网络层网络层网络层网络层IP 数据报H1R1R2R3R4R5H24.2.2 分类的 IP 地址1、IP 地址及其表示方法n 整个因特网就是一个单一的、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）的每一 个接口分配的一个在全世界范围唯一的 32 位的标识 符。n IP地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配。 n IP 地址编址方法的三个历史阶段 分类的 IP
10、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。本节只讨论最基本的分类IP地址！IP 地址 := , (4-1)n 分类 IP 地址的构成将IP地址划分为若干个固定类，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）。两级的 IP 地址可以记为：:= 代表“定义为”IP 地址中的网络号字段
11、和主机号字段 host-id 24 位net-id 8 位0A 类地址net-id 24 位C 类地址01 1host-id 8 位D 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 1net-id 16 位host-id 16 位B 类地址01IP地址的点分十进制记法 10000000000010110000001100011111 机器中存放的 IP 地址 是 32 位 二进制代码10000000 00001011 00000011 00011111 每隔 8 位插入一个空格 能够提高可读性采用点分十进制记法 则进一步提高可读性128.11.3.31 1
12、28 11 3 31 将每 8 位的二进制数 转换为十进制数2、常用的三种类别的 IP 地址 三类IP地址的指派范围 254223.255.255192.0.12,097,151 (221 1)C65,534191.255128.116,383(214 1)B16,777,2141261126 (27 2)A每个网络中 最大主机数最后一个 可用网络号第一个 可用网络号最大网络数网络 类别2、常用的三种类别的 IP 地址 一般不使用的特殊IP地址用作本地软件环回测试 之用可以可以非全0或全1的 任何数127对net-id上的所有主机 进行广播可以不可全1net-id只在本网络上进行广播可以不可全
13、1全1在本网络上的某个主机不可可以host-id0在本网络上的本主机不可可以00代表的意思目的地 址使用源地址 使用主机号网络号3、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（网络号和主机号）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。(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
14、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(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 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，无论范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。 互联网中的 IP 地址 B222.1.1.222.1.1.1222.
15、1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R1222.1.2.5222.1.2.2222.1.2.1222.1.2.3222.1.2.4222.1.2.222.1.6.1222.1.5.1222.1.5.2222.1.6.2222.1.4.1222.1.4.2222.1.3.3222.1.3.2222.1.3.1R3R2222.1.3.LAN3N3N2222.1.4.222.1.5.222.1.6.N1LAN2LAN1互联网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互联网中的 IP 地址 B222.1.1.222.1
16、.1.1222.1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R1222.1.2.5222.1.2.2222.1.2.1222.1.2.3222.1.2.4222.1.2.222.1.6.1222.1.5.1222.1.5.2222.1.6.2222.1.4.1222.1.4.2222.1.3.3222.1.3.2222.1.3.1R3R2222.1.3.LAN3N3N2222.1.4.222.1.5.222.1.6.N1LAN2LAN1互联网路由器总是具有两个或两个以上的 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。互联网中的 IP 地址 B222.1.1.222.1.1.1222.1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R122
