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1、第 8 章 路由器与IP交换技术,【本章内容简介】 本章介绍了TCP/IP的基本原理和协议、路由器的基本原理、路由相关协议，最后介绍了IP交换和三层交换技术。,【本章重点难点】 重点掌握TCP/IP原理、路由器原理、IP交换技术的概念。 难点在于对路由器原理的理解。,8.1 TCP/IP原理,传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）是Internet最基本的协议，是当今计算机网络最成熟，应用最广泛的互连技术，它拥有一套完整而系统的协议标准。,该组协议具有支持不同操作系统的计算机网络的互连，支持多种信息
2、传输介质和网络拓扑结构等特点。 虽然TCP/IP不是国际标准，但它们已成为全球广大用户和厂商广泛接受的事实标准。,8.1.1 TCP/IP体系结构,1OSI 7层参考模型（1）第1层物理层（2）第2层数据链路层（3）第3层网络层,（4）第4层传输层（5）第5层会话层（6）第6层表示层（7）第7层应用层,图8-1OSI 7层参考模型与TCP/IP 4层参考模型,2TCP/IP分层模型,TCP/IP仍采用分层体系结构，它与开放系统互连OSI模型的层次结构相似，它可分为4层，由低到高依次为：网络接口层、网际层（即IP层）、传输层（即TCP层）和应用层。,（1）第1层网络接口层（2）第2层网际层（IP
3、层）,IP层主要有以下协议。IP协议（网际协议）ICMP协议（网络控制报文协议）ARP协议（正向地址解析协议）RARP协议（逆向地址解析协议）,（3）第3层传输层,TCP协议UDP协议,（4）第4层应用层,FTP文件传输协议HTTP超文本传输协议DNS域名服务系统TELNET虚拟终端服务SMTP简单邮件传输协议NFS网络文件系统RIP路由信息协议,8.1.2 IP地址分配,1IP地址 计算机网络内的每台计算机必须具有唯一的身份标记。 在TCP/IP协议中，这个身份标记就是IP地址。 IP地址由两部分组成：网络号和主机号。,其中网络号标识一个物理的网络，同一个网络上所有主机需要同一个网络号，该号
4、在互联网中是唯一的；而主机号确定网络中的一个工作端、服务器、路由器或其他TCP/IP主机。,对于同一个网络号来说，主机号是唯一的。 每个TCP/IP主机由一个逻辑IP地址确定。 如IP地址为“192.168.100.128”，则网络号为“192.168.100”，主机号为“128”。,IP地址有两种表示形式：二进制表示和点分十进制表示。 每个IP地址的长度为4字节，由四个8位域组成，我们通常称之为八位体。 八位体由句点“.”分开，表示为一个0255之间的十进制数。 一个IP地址的4个域分别标明了网络号和主机号。,表8-1 IP地址分类,A类地址：可以拥有很大数量的主机，最高位为0，紧跟的7位表
5、示网络号，其余24位表示主机号，总共允许有126个网络。B类地址：被分配到中等规模和大规模的网络中，最高两位总被置于二进制的10，允许有16384个网络。,C类地址：被用于局域网。高3位被置为二进制的110，允许大约200万个网络。 D类地址：被用于多路广播组用户，高4位总被置为1110，余下的位用于标明客户机所属的组。E类地址：以“1111”开始，为将来使用保留。,2IP地址分配,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路及诊断功能。（2）不能将网络号和主机号的各位均置1。如果每一位都是1的话，该地址会被解释为网内广播而不是一个主机号。,（3）相
6、应于上面一条，各位均不能置0，否则该地址被解释为“就是本网络”。（4）对于本网络来说，主机号应该是唯一。否则会出现IP地址已分配或有冲突之类的错误。,分配网络号：对于每个网络以及广域连接，必须有唯一的网络号，主机号用于区分同一物理网络中的不同主机。 如果网络由路由器连接，则每个广域连接都需要唯一的网络号。,分配主机号：主机号用于区分同一网络中不同的主机，并且主机号应该是唯一的。,3子网掩码和IP地址,如果根据传统的IP地址分类方式来划分网络，那么有的网络就会很大而且会迅速耗尽地址空间，因此需要在大的网络的基础上划分子网。,子网划分是用来把一个单一的IP网络划分为多个更小的子网，划分子网需要引入
7、子网掩码的概念。,TCP/IP上的每台主机都需要用一个子网掩码。 它是一个4字节的地址，用来封装或“屏蔽”IP地址的一部分，以区分网络号和主机号。,当网络还没有划分为子网时，可以使用缺省的子网掩码；当网络被划分为若干个子网时，就要使用自定义的子网掩码了。,子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。 子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。,子网掩码的设定必须遵循一定的规则。 与IP地址相同，子网掩码的长度也是32位，左边是网络位，用二进制数字1表示；右边是主机位，用二进制数字0表示。,只有通过子网掩码，才能表明一台主机所在的子网与其他子网的关系，使网络正
8、常工作。,8.1.3 地址解析协议,要在网络上通信，主机就必须知道对方主机的硬件地址。 IP地址编号只是一个逻辑地址，不是硬件地址，想通过物理网络进行传递的帧必须含有目的地的硬件地址。,因此在进行底层数据传输时必须将IP地址转换为硬件地址，即介质访问控制地址。 地址解析就是将主机IP地址映射为硬件地址的过程。,1ARP缓存,为减少广播量，ARP在缓存中保存地址映射以备用。,2主机IP地址解析为硬件地址,（1）当一台主机要与别的主机通信时，初始化ARP请求。当该IP断定IP地址是本地时，源主机在ARP缓存中查找目标主机的硬件地址。,（2）要是找不到映射的话，ARP建立一个请求，源主机IP地址和硬
9、件地址会被包括在请求中，该请求通过广播，使所有本地主机均能接收并处理。,（3）本地网上的每个主机都收到广播并寻找相符的IP地址。,（4）当目标主机断定请求中的IP地址与自己的相符时，直接发送一个ARP答复，将自己的硬件地址传给源主机。 以源主机的IP地址和硬件地址更新它的ARP缓存。源主机收到回答后便建立起了通信。,3解析远程IP地址,不同网络中的主机互相通信，ARP广播的是源主机的缺省网关。 目标IP地址是一个远程网络主机的话，ARP将广播一个路由器的地址。,（1）通信请求初始化时，得知目标IP地址为远程地址。（2）若没找到该网关的记录，ARP将广播请求网关地址而不是目标主机的地址。,（3）
10、在路由器上，由IP决定目标IP地址是本地还是远程。（4）目标主机收到请求后，形成ICMP响应。（5）如果此网关的硬件地址不在ARP缓存中，通过ARP广播获得。,4ARP结构的字段,图8-2 ARPP报头结构,8.1.4 IP协议,IP协议定义在网络层，是Internet最重要的协议。 在IP协议中规定了在Internet上进行通信时应遵守的规则，例如IP数据包的组成、路由器如何将IP数据包送到目的主机等。,各种物理网络在链路层（第2层）所传输的基本单元为帧，其帧格式随物理网络而异，各物理网络的物理地址（MAC地址）也随物理网络而异。,IP协议的作用就是向传输层（TCP层）提供统一的IP包，即将
11、各种不同类型的MAC帧转换为统一的IP包，并将MAC帧的物理地址变换为全网统一的逻辑地址（IP地址）。,这样，这些不同物理网络MAC帧的差异对上层而言就不复存在了。 正因为这一转换，才实现了不同类型物理网络的互连。,IP数据报由报头和正文两部分组成。 报头有20个字节的固定段和任选的变长段，IP数据报格式如图8-3所示。,图8-3 IP数据报格式,8.1.5 互联网控制报文协议ICMP协议,IP协议并不是一个可靠的协议，它不保证数据被送达，那么自然的保证数据送达的工作应该由其他的模块来完成。 其中一个重要的模块就是ICMP（网络控制报文）协议，ICMP协议是IP中不可分割的一部分。 所有IP服
12、务器和主机都支持这种协议。,当传送IP数据包发生错误，如主机不可达，路由不可达等，ICMP协议将会把错误信息封包，然后传送回给主机，给主机一个处理错误的机会。 为防止IMCP的无限产生和传送，ICMP差错报文不会产生ICMP差错报文。,图8-4 ICMP报文结构,8.1.6 TCP协议,TCP协议位于传输层。 它是为了在主机间实现高可靠性的交换传输协议。 TCP协议是面向连接的协议。,它提供两台计算机之间的可靠通信：当一台计算机需要与另一台远程计算机通信时，TCP协议会让它们建立一个连接、发送和接收资料以及终止连接。,传输控制协议TCP协议利用重发技术和拥塞控制机制，向应用程序提供可靠的通信连
13、接，使它能够自动适应网上的各种变化。 即使在 Internet 暂时出现堵塞的情况下，TCP也能够保证通信的可靠。,一个TCP数据包的头是20字节，就像一个IP数据包一样。 如果使用一些选项，IP和TCP数据包头都可以放大。 TCP头不包含IP地址，它仅需要知道要连接哪一个端口。,TCP工作时要一直跟踪状态表中的端对端的连接。 这个状态表包含IP地址和端口。 这就是说，只是TCP头不需要IP信息，因为它来自于IP头。,TCP对所有的报文采用一种简单的格式，包括携带数据的报文，以及确认和3次握手中用于创建和终止一个连接的消息。 TCP采用段来指明一个消息，如图8-5所示，指明了TCP的段格式。,
14、图8-5 TCP段格式,8.1.7 用户数据报协议（UDP）,用户数据报协议（UDP）也是IP之上的另外一个传输层协议，它与TCP不同，UDP协议是一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。,UDP协议适用端口分别运行在同一台设备上的多个应用程序。 与TCP不同，UDP并不提供对IP协议的可靠机制、流控制以及错误恢复等功能。,使用UDP数据服务的应用程序必须由自身提供可靠性，即由应用程序对重要数据提供重传控制。 另外，UDP也不保证数据的传输顺序。 UDP的数据报文格式如图8-6所示。由于UDP 比较简单，UDP头包含很少的字节，比TCP负载消耗少。,图8-6 UDP数据报
15、文格式,8.1.8 IP的未来（IPv6）,IPv6是“Internet Protocol version 6”的缩写，也被称作下一代互联网协议，它是由IETF设计的用来替代现行的IPv4（现行的IP）协议的一种新IP协议。,与IPv4相比，IPv6具有以下几个优势。（1）IPv6具有更大的地址空间。（2）IPv6使用更小的路由表。,（3）IPv6增加了增强的组播（Multicast）支持以及对流的支持（Flow Control），这使得网络上的多媒体应用有了长足发展的机会，为服务质量（Quality of Service，QoS）控制提供了良好的网络平台。,（4）IPv6加入了对自动配置（Auto Configuration）的支持。（5）IPv6具有更高的安全性。,8.2 路由器工作原理,因特网的核心通信机制是“存储转发”的数据传输模型。 在这种通信机制下，所有在网络上流动的数据都是以数据包（Packet）的形式被发送、传输和接收处理的。,
