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1、Nankai University计算机网络技术教程自顶向下的分析与设计方法吴功宜 吴英 编著1Nankai University第6章 网络层与IP协议2Nankai University3主要内容主要内容Nankai University6.1 IPv4协议协议 的演变变与发发展4Nankai University6.2 IPv4协议协议 的基本内容 IP是TCP/IP协议体系中网络 层的协议; TCP/IP协议体系中的其它协 议，如TCP、UDP、ICMP及 IGMP等都是以IP协议为基础 的。5Nankai University6.2.1 IPv4协议协议 的主要特点IP协议协议 提供
2、的是一种 “尽力而为为（best-effort）” 的服务务。 无连连接意味着IP协议协议 并不维护维护 IP分组发组发 送后 的任何状态态信息。每个分组组的传输过传输过 程是相互独 立的。 不可靠意味着IP协议协议 不能保证证每个IP分组组都能 够够正确的、不丢丢失和顺顺序的到达目的结结点。6Nankai UniversityIP协议协议 是点-点的网络层络层 通信协议协议 。 网络层络层 需要在互联联网中为为通信的两个主 机之间寻间寻 找一条路径，而这这条路径通常 是由多个路由器和点-点链链路组组成； IP协议协议 要保证证数据分组组通过过多跳路径从 源结结点到达目的结结点； IP协议协议
3、 是针对针对 源主机-路由器、路由器- 路由器、路由器-主机之间间的数据传输传输 的 点-点的网络层络层 通信协议协议 。7Nankai UniversityIP协议协议 向传输层传输层 屏蔽了物理网络络的差异。 作为为一个面向互联联网的网络层协议络层协议 ，它必然 要面对对各种异构的网络络和协议协议 ，IP协议协议 需要 向传输层传输层 屏蔽物理网络络的差异性。8Nankai University6.2.2 IPv4分组组的格式 IP分组组由两个部分组组成：分组头组头 和数据； 分组头组头 有时时也称为为首部，分组头长组头长 度是 可变变的； 人们习惯们习惯 用4字节为节为 基本单单元表示分
4、组头组头 字段； IPv4分组头组头 的基本长长度是20字节节，最大长长 度为为60字节节。9Nankai UniversityIPv4分组组的结结构10Nankai UniversityIPv4 分组头组头 格式版本字段 IP分组组的第一个字段是“版本（version） ”; 长长度为为4位; 表示所使用的网络层络层 IP协议协议 的版本号; 版本字段值为值为 4，表示IPv4； 版本字段值为值为 6，表示IPv6。11Nankai University协议字段 协议协议 字段则则是指使用IP协议协议 的高层协议类层协议类 型; 协议协议 字段长长度为为8位。12协议字段值高层协议类型1IC
5、MP2IGMP6TCP8EGP17UDP41IPv689OSPFNankai University长度IP分组组的分组头组头 有两个长长度字段： 分组头长组头长 度（hlen） 总长总长 度（total length）分组头长组头长 度字段 分组头长组头长 度字段的长长度为为4位，它定义义 了以4字节为节为 一个单单位的分组头组头 的长长度; 分组头长组头长 度字段最小值为值为 5,最大值为值为 15 。13Nankai University总长度字段 总长总长 度字段的长长度为为16位，它定义义以字 节为单节为单 位的分组总长组总长 度，它是分组头组头 长长度与数据长长度之和； 总长总长 度
6、字段长长度为为16位，它能表示的IP 分组组最大长长度为为65535（216-1）字节节； 其中包括分组头长组头长 度。IP分组组中高层协层协 议议的数据长长度等于分组组的总长总长 度减去分 组头长组头长 度。14Nankai University服务类型字段 服务类务类 型字段的长长度为为8位； 用于指示路由器如何处处理该该分组组； 服务类务类 型由4位的服务类务类 型（TOS ）字段与3位的优优先级级字段构成，有 1位的保留位。15Nankai University服务类务类 型参数（TOS）位 服务类务类 型参数位有4位，每位分别别表示： D（延迟迟）、T（吞吐量）、R（可靠性 ）与C（
7、成本）； 每个组组合的服务类务类 型参数4位中，最多只 能有一位的值为值为 1，其它的3个位为为0； 例如，要获获得低服务务成本（low cost）， 则则D、T、R、C参数的组组合只能是0001 ，只能牺牺牲延迟迟、通信量、可靠性等其 它3方面的要求16Nankai University生存时间时间 （TTL）字段 IP分组组从源主机到达目的主机的传输传输 延 迟迟是不确定的； 生存时间时间 TTL用来设设定分组组在互联联网络络 中被最多转发转发 分组组的路由器跳数（hop） ； 生存时间时间 TTL的初始值值由源主机设设置， 经过经过 一个路由器，它的值值就减1。当生存 时间时间 TTL的
8、值为值为 0时时，分组组就被丢丢弃，并 发发送ICMP报报文通知源主机。17Nankai University头头校验验和（header checksum） 头头校验验和字段长长度为为8位； IP分组组只对对分组头进组头进 行校验验和计计算； IP分组头组头 之外的部分属于高层层数据，IP 分组组可以不对对高层层数据进进行校验验。 IP分组头组头 每经过经过 一个路由器都要改变变一 次，但数据部分并不改变变。在IP分组头组头 设设置头头校验验和，只对变对变 化部分进进行校验验 是合理的。18Nankai University地址（address）字段 地址字段包括源地址（source addr
9、ess） 与目的地址（destination address）； 源地址与目的地址字段长长度都是32位， 分别别表示发发送分组组的源主机与接收分组组 的目的主机的IPv4地址； 在分组组的整个传输过传输过 程中，无论论采用什 么样样的传输传输 路径或如何分片，源地址与 目的地址始终终保持不变变。19Nankai UniversityIP分组组的分片与组组装最大传输单传输单 元MTU与IP分组组的分片 从IP协议协议 与数据链链路层协议层协议 的角度看IP 分组组的最大长长度； 从IP协议协议 与传输层协议传输层协议 的角度看IP分组组 的最大长长度； RFC791文件中规规定IP分组组的可标识
10、标识 的 最大长长度为为65535个字节节。20Nankai UniversityIP分组组分片的基本方法21Nankai University字段标识、标志和片偏移字段标识 字段标识长标识长 度为为16位，最多可以分配的 ID值为值为 65535个； 分组组可能通过过不同的传输传输 路径到达目的 结结点，属于同一分组组的不同的片到达时时 会出现现乱序，或者和属于其它分组组的片 混在一起； 目的结结点可以根据字段标识标识 ID值值，将同 一字段的片挑出来重装。22Nankai University标志 标标志字段共3位，最高位为为0，该值该值 必须须复制到所 有分组组中； 不分片（DF）值值：
11、DF=1，表示接收结结点不能对对 分组组分片；DF=0，表示可以分片； 分片（MF ）值值：MF=1表示接收的分片不是最后 一个分片，MF=0表示接收的是最后一个分片。23Nankai University片偏移 分片方法的例子24Nankai University分片与字段标识、标志与片偏移25Nankai UniversityIP报头选项报头选项 设设置IP报头选项报头选项 得主要目的是控制与测试测试 ；对对于IP报头选项报头选项 的理解需要注意以下几个问题问题 ： 选项选项 的最大长长度为为40字节节，用户户使用的选项选项 长长度不是4字节节的整数倍，需要添加填充位； 报头选项报头选项
12、是由选项码选项码 、长长度与选项选项 数据等3 部分组组成； 选项码选项码 用于确定该选项该选项 的具体功能，如源路 由、记录记录 路由、时间时间 戳等。长长度表示出选项选项 数据的大小。26Nankai University源路由 源路由是指由发发送分组组的源主机制定的 传输传输 路径，用以区别别由路由器通过过路由 选择选择 算法确定的路径; 源路由主要用于测试测试 某个网络络的吞吐量 ，绕绕开出错错的网络络，也可以用于保证传证传 输输安全的应应用中; 源路由分为严为严 格源路由（SRR）与松散 源路由（LRR）。27Nankai University严格源路由（SRR） 严格源路由规定分组
13、要经过的路径上每个路由 器，相邻路由器之间不能插入其它路由器，并 且经过的路由器顺序不能改变; 严格源路由选项主要用于网络测试，网管人员 本身必须对网络拓扑有相当的了解，在建立这 类分组的分组头时，应直接将第一个测试点的 地址设定为分组头中的目的地址，最后一个测 试点或目的主机的地址设定为路径数据字段中 的最后一个指定地址。28Nankai University松散源路由（LRR） 松散源路由规定分组一定要 经过的路由器，但不是一条 完整的传输路径，中途可以 经过其它路由器。29Nankai University记录记录 路由 记录记录 路由是将分组经过组经过 的每个路由器IP地址 记录记录
14、下来; 记录记录 路由选项选项 常用于网络测试络测试 。时间时间 戳（timestamp） 时间时间 戳可以记录记录 分组经过组经过 每个路由器的本地 时间时间 ; 时间时间 戳采用格林威治时间时间 ，单单位是毫秒; 网络络管理员员可以利用它追踪路由器的运行状态态 ，分析网络络吞吐率、拥拥塞情况与负负荷情况等。30Nankai University6.3 IPv4地址6.3.1 IP地址概念与划分地址新技术术的研究31Nankai University网络地址的基本概念 连连接到每个局域网的计计算机都有一个MAC地 址，即物理地址；例如，Ethernet的MAC地址 的长长度为为48位，在网卡
15、出厂时时就被固化在网卡 的EPROM中；物理地址是数据链链路层层地址， 它为为数据链链路层软层软 件使用，用来标识标识 接入局 域网的一台主机； IP地址是网络层络层 的地址，主要用于路由器的寻寻 址，网络层络层 是通过软过软 件来设设置，因此人们们也 把它称为逻辑为逻辑 地址。32Nankai University网络络接口 与IP地址 的关系33Nankai UniversityIP地址的点分十进进制的表示方法34Nankai University6.3.2 标标准IP地址的分类类A类类地址 A类类地址的网络络号的第1位为为0，其余的7位可以分配； A类类地址共分为为大小相同的128（27
16、=128）块块，每一块块 的net ID不同； net ID=10的10.0.0.010.255.255.255用于专专用的地址 ，其余的125块块可指派给给一些机构； 每个A类类网络络可以分配的主机号host ID可以是224-2=16 777 214个； 主机号为为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的。 A类类地址覆盖范围为围为 ：1.0.0.0-127.255.255.255。35Nankai UniversityB类类地址 B类类地址的网络络号长长度为为14位，网络络号有214=16384个； B类类地址的主机号长长度为为16位，因此每个B类类网络络可以有216=65 536个主机号； 主机号为为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的； B类类地址覆盖范围为围为 ：128.0.0.0
