网络互连IP协议

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1、第三部分 TCP/IP网络互连,第6章 网络互连IP协议,本章提要 网络互连IP协议的基本概念； IPv4的概念与应用； IPv6的基本概念与应用； ARP与RARP的原理； ICMP的原理,6.1 IPv4 6.2 IP子网技术 6.3 IPv6 6.4 地址解析协议 6.5 Internet控制报文协议 6.6 实训6规划、配置网络系统,6.1 IPv4,6.1.1 IP数据报 6.1.2 IP的编址 6.1.3特殊地址,网际协议 （IP，Internet Protocol） 是TCP/IP协议族中核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP和IGMP数据都以IP数据报格式传输。现在所用的I

2、P协议版本为1981年定义的第四版，即IPv4。,IP提供了三个重要的定义,（1）IP定义了在整个计算机网络上数据传输所用的基本单元数据报，它规定了互连网上传输数据的确切格式。 （2）IP软件完成路由选择的功能，选择一个数据发送的路径。 （3）除了数据格式和路由选择的精确而正式的定义外，IP还包括了一组嵌入了不可靠分组投递的规则，这些规则指明了主机和路由器应如何处理分组、何时、如何发出错误信息，以及在何种情况下可以放弃数据报。,6.1.1 IP数据报,互联网则把它的基本传输单元叫做一个Internet数据报（datagram），简称为IP数据报或数据报。,数据报的一般格式,0 4 8 16 1

3、9 24 31,优先级和服务类型,优先级字段指明本数据报的优先级，允许发送方表示本数据报的重要程度。优先级的值从0到7。“0”表示一般优先权，“7”表示网络控制优先权。服务类型提供了一种手段，以允许控制信息享受比一般数据更高的优先级。 D、T、R三位表示本数据所希望的传输类型。其中，D代表低延迟（Delay），T代表高吞吐量（Throughput），R代表高可靠性（Reliability）。,分片问题,数据报在数据链路层中被封装在数据帧内，通过帧的传输来实现数据报的传输。 各种物理网络技术，对帧的大小有不同的规定。最大数据传输单元（MTU）是指一个特定的网络所允许的物理帧的最大数据长度。当路由

4、器收到一个大于其要转发的网络的MTU的数据报时，路由器必须将这个数据报分成可通过该网络的数据报片，这就是IP数据报的分片问题。,6.1.2 IP的编址,IP协议要求参加Internet网的网节点要有一个统一规定格式的地址，这个地址称为符合IP协议的地址，一般被称为IP地址。,IP地址格式,IP地址可以被表示为二进制格式。二进制表示的IP地址中，每个IP地址含32位，被分为4段，每段8位 。 IP地址由两部分组成：网络号（Network ID）主机号（Host ID）,IP地址类型,（1）A类地址：一般用于大型网络，可以拥有很大数量的主机。第一字节表示网络号，其中最高位为0。剩余三字节共24位表

5、示主机号，总共允许有126个网络。 （2）B类地址：被分配到中等规模或较大规模的网络中。前两个字节表示网络号，其中最高两位总被置于二进制的10，剩余两个字节共16位表示主机号，允许有16384个网络。 （3）C类地址：被用于主机数量较小的小型网络。前三个字节表示网络号，其中高三位被置为二进制的110，剩余一个字节表示主机号，允许大约200万个网络。 （4）D类地址：被用于多路广播组用户，高四位总被置为1110，余下的位用于标明客户机所属的组。 （5）E类地址：保留，为今后使用。,在分配网络号和主机号时应遵守以下几条准则： （1）网络号不能为127，该标识号被保留作回送及诊断功能。 （2）不能将

6、网络号和主机号的各位均置1。如果每一位都为1，则各路由器均不转发，该地址会被解释为在本网络内使用的广播地址。 （3）不能将某台主机的网络地址中主机号部分全置1。在任何一个合法的网络中，主机号全为1的地址代表对本网络上的所有主机进行广播的地址。 （4）也不能将网络号和主机号的各位均置0，否则该地址被解释为本网络地址。 （5）对于一个网络来说，主机号应该是唯一的。否则会出现IP地址已分配或有冲突之类的错误。,子网掩码,TCP/IP上的每台主机都需要用一个掩码，也称为子网掩码。它是一个4字节的二进制数。IP软件在提取一个IP地址的网络号和主机号时需要使用掩码。 当网络还没有划分为子网时，可以使用缺省

7、的子网掩码；当网络被划分为若干个子网时，就要使用网络管理员分配的特定的子网掩码了。 缺省的子网掩码用于一个还没有划分子网的网络。即使是在一个单段网络上，每台主机也都需要这样的缺省值。它的形式依赖于网络的地址类型。在它的4字节里，所有对应网络号的位都被置为1，相应字节的十进制值都是255；所有主机号的位都置为0。,6.1.3特殊地址,网络地址：一个主机号的所有位都为“0”的地址是保留给该网络本身的。 广播地址：当数据报头中目的地址字段的内容为广播地址时，该数据报被网上所有主机接收。 组播地址：通过使用特定的IP组播地址，按照最大投递的原则，将IP数据报传输到一个组播群组（multicast gr

8、oup）的主机集合。 回送地址： 用于网络软件测试以及本地机进程间通信，叫做回送地址（loopback address）。,6.2 IP子网技术,6.2.1 子网划分 6.2.2 可变长子网 6.2.3 超网,6.2.1 子网划分,子网编址将主机号部分增加一个子网号字段即把IP地址的主机号中分出一些位用作子网号，而不仅仅把32位 IP地址分成网络号和主机号。,网络号： （1）将IP地址114.252.20.68转换为二进制01110010 11111100 00010100 01000100。 （2）将子网掩码255.255.255.224转换为二进制11111111 11111111 111

9、11111 11100000。 （3）将两个二进制数逻辑与（AND）运算后得出的结果即为网络部分。,主机号：,6.2.2 可变长子网,可变长子网掩码（VLSM，Variable-length Subnet Mask）技术是子网划分的一种应用技术，指在一个网络中，按照各子网中主机的数量规划不同的子网，但所有子网网络号是一致的。其本质是对已划分的子网做进一步的划分。引入可变长子网掩码技术，主要目的是优化可用地址空间，避免造成IP地址资源的浪费。,1. 任务描述 为一个企业规划一个可变长子网，给定条件如下： （1）申请一个B类网络，网络号为172.16.0.0。 （2）配置13个能容纳4000台计算

10、机的子网。 （3）6个能容纳250台计算机的子网。 （4）假定在划分中全0和全1的子网不可用。 2. 互连方案的设计 （1）配置13个能容纳4000台计算机的子网 （2）配置6个能容纳250台计算机的子网,6.2.3 超网,IETF提出了超网（super net）和无类域间路由（CIDR，Classless Inter Domain Routing）的方法，它采取了灵活选择IP地址中主机号的长度,不再机械地划分成类。与子网编址相反，某组织内不用一个IP地址来代表多个物理网络，而是用多个IP网络地址代表一个组织。,采用了CIDR后，将多个网络表项聚合成了一个路由表项，一般可以表示为如下模式： 起

11、始网络号，数量 （1）起始网络号：所分配的第一个C类网络IP地址。 （2）数量：分配的C类网络的总数。,在实际应用中，将世界划分为4个区域，将一部分C类地址空间分配给这些地区,超网的应用,1. 任务描述 某组织使用10个标准C类地址， 202.123.3.0、202.123.7.0、202.123.8.0、202.123.9.0、202.123.10.0、202.123.11.0、202.123.12.0、202.123.13.0、202.123.14.0和202.123.15.0。为了简化路由表，需将上述地址聚合使用，需规划聚合后的网络掩码，网络地址，广播地址和有效IP地址范围。,2. 互连

12、方案的设计 （1） 首先判断能否聚合：方法是将聚合前10个C类地址的网络地址位最低位所在字节的十进制数转换成二进制数。 （2）判断聚合前10个C类地址的网络地址位最低位所在字节的二进制数是否满足聚合条件 。,6.3 IPv6,6.3.1 IPv6概述 6.3.2 IPv6的数据报文格式 6.3.3 IPv6地址方案,6.3.1 IPv6概述,IPv6是下一代IP协议，主要有以下内容： （1）采用128位地址空间，在层次结构上更为科学合理。在IPv6协议设计之前，网络界曾提出过若干种IPv4的替代协议。 （2）地址自动分配，提供了无状态和有状态地址自动配置两种地址方案。 （3）简化了协议首部，使

13、用了全新的、更加灵活的数据报首部结构。 （4）支持源路由的选径，IPv6采用了多层次地址结构，提供了更多的路由信息，绝大多数路由算法都作了修改，以扩展其路由选径的能力。 （5）集成了认证和加密的安全机制，两种机制可以自由组合使用，以适应不同的需要。,6.3.2 IPv6的数据报文格式,IPv6数据报文的基本首部和IPv4报文一样，IPv6的报文同样是封装在一个网络物理帧之中，如图所示 。,IPv6报文基本首部,0 3 4 11 12 15 16 23 24 31,IPv6协议设计的扩展首部,在IPv6中，可选的因特网层特殊控制信息是存放在基本报文首部与因特网层上层协议首部之间的各个扩展首部之中

14、，路由器和最终目的节点根据扩展首部中的控制信息对所传送的报文作特殊处理。,六种扩展首部,（1）Hop-by-Hop选项扩展首部（Hop-by-Hop header）。 （2）源路径选择扩展首部（routing header）。 （3）分片扩展首部（fragment header）。 （4）目的选项扩展首部（destination option header）。 （5）认证扩展首部（authentication header）。 （6）加密安全负载扩展首部（encapsulation security pay load header）。,（1）Hop-by-Hop选项扩展首部（Hop-by-Ho

15、p header）,用来携带在一个报文的传送途中的所有节点都必须检查处理的信息。在RFC l700中给Hop-by-Hop选项扩展首部的数字标识为0，因此它由前一首部中值为0的下一首部域标识。,（2）源路径选择扩展首部 （routing header）,源路径选择扩展首部（routing header）用于指明在到达目的节点前报文所必须要经过的路由节点。它的功能类似于IPv4中的自由源路径选择和记录选项（loose source and record route option）n，RFC l700给源路径选择扩展首部分配的数字标识为43，所以它的前一首部中下一首部域的值为43。,（3）分片扩展首部 （fragment header）,是源节点分段传送长于报文目的地址之间的通路最大传输单元（Path MTU）的数据报文时采用的扩展首部。路由器不负责对过长报文的拆分；对报文的拆分工作由发送报文的源节点完成。在RFC l700中，给分片扩展首部分配的数字标识为44，因此该首部由其前一扩展首部中值为44的下一首部域标明。,（4）目的选项扩展首部（destination option header）,