《计算机网络技术 教学课件 PPT 作者 王晓军 张志青 第四章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机网络技术 教学课件 PPT 作者 王晓军 张志青 第四章（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 网络层,北京邮电大学网络教育学院,本章学习的主要内容：,4.1 网络层功能 4.2 网络层协议 4.3 IP协议 4.4 路由协议 4.5 路由器工作原理； 4.6 VLAN 4.7 IPv6,北京邮电大学网络教育学院,4.1网络层概述,4.1.1 网络层功能 4.1.2 网络层协议,北京邮电大学网络教育学院,4.1.1 网络层功能,图4-1所示是一个简单的网络结构。,图4-1 分组在网络中传送,北京邮电大学网络教育学院,4.1.1 网络层功能,网络层的主要工作 首先，路由器把这些分组存储下来。 其次，网络层需要知道网络的拓扑结构并确定合适的通路。 另外，局域网有多种，网络也有很大差异
2、，分组在不同的网络中传送的时候，会引出一些新的问题，也需要网络层来处理。 网络层关系到通信子网的运行控制，体现了网络应用环境中资源子网访问通信子网的方式，是OSI模型中面向数据通信的低三层（也即通信子网)中最为复杂、关键的一层。,北京邮电大学网络教育学院,4.1.1 网络层功能,网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能如下。 （1）建立、维持和释放网络连接。利用数据链路连接，建立传输实体之间的网络连接。 （2）路由选择。为建立端系统之间的通信，在两个网络地址之间选择一条适当传输的路径。 （3）数据分组与合并。当数据单元较长时，可以对其进行分段传输；当数据单元较短时，可以将几个数
3、据单元合并后一起传输。数据分组与合并的目的是为了提高传输的效率。 （4）流量控制。对网络上传输的网络服务数据单元进行有效控制，避免发生拥塞。,北京邮电大学网络教育学院,4.1.2 网络层协议,在面向连接的网络网中，数据发送之前，在源主机和目的主机之间先建立一个连接，这个连接称为虚电路。 如果网络层提供的是无连接服务，在这样的网络上给转发的数据起了另外一个名字，叫做数据报。,北京邮电大学网络教育学院,4.1.2 网络层协议,表4-1 数据报和虚电路的比较,北京邮电大学网络教育学院,4.1.2 网络层协议,网络层的另外一个问题是拥塞控制。 网络带宽是有限的，不管是10Mbit/s、100Mbit/
4、s或者1 000Mbit/s，即便是将来有更高的带宽，总是有上限的，不是无限的。 路由器的存储空间和转发分组的速度也是有限的，而网络中要处理的分组数量并没有规定一个上限，如果这些分组的量过大的时候，网络就会出现问题。,北京邮电大学网络教育学院,4.1.2 网络层协议,现在使用的Internet网络层协议，也就是互联网协议（Internet Protocol，IP），或称Internet网际协议，它属于数据报网络技术，也就是无连接网络。IP现在的版本是第4版（IPv4）。 IPv4的网络层协议主要包括两部分内容，IP和ICMP（网络控制信息协议）。 IP和ICMP是IP网络中最主要的两个协议，也
5、是最复杂的两个。但这两个协议并没有解决所有的问题，所以需要别的协议，如ARP、RARP等，这些协议共同工作完成网络层的功能。,北京邮电大学网络教育学院,4.2 Internet网际协议,4.2.1 IP首部 4.2.2 IP地址 4.2.3 子网 4.2.4 CIDR,北京邮电大学网络教育学院,4.2.1 IP首部,Internet网际协议（IP）的首部结构如图4-2所示。,图4-2 IP首部,北京邮电大学网络教育学院,4.2.2 IP地址,IP地址共有32位，为了便于管理，对这些地址的不同位就行了划分，如图4-3所示。,图4-3 IP地址分类,北京邮电大学网络教育学院,4.2.2 IP地址,
6、IP地址被分成不同的A、B、C、D和E共5种类型，同时还把32位分成了网络号和主机号两大部分。 对于A类网络，网络号使用一个字节，第一位是0，所以它的网络号范围是1127。A类网络的主机号使用是后边的24位，可以拥有的主机数是224 2，主机部分的全0代表的是网络号，全1是该网络的广播地址，因此要减去2个IP地址。 对于B类和C类网络来说，也是一样的，支持的网络个数分别是214 2和221 2，能拥有的最大主机数分别是216 2和28 2。,北京邮电大学网络教育学院,4.2.2 IP地址,IP地址被分成5类，A、B和C是在网络中实际使用的，D类是用于组播的地址，E类被保留作为研究使用，D和E不
7、能直接在Internet上使用。 网络中还有一些特殊需要，使用了一部分IP地址。 32位都是1的IP地址是局域网中的广播报，都是0代表本机； 不管IP中的网络号是多少，如果主机位都是1，这个分组就是这个网络的广播报； 如果第一个字节是127，不管后边是多少，都是用来进行回路测试的，这种分组不会被发送出去，只是在本机上处理。,北京邮电大学网络教育学院,4.2.3 子网,早先设计的32位IP地址，以为足够用了，但随着上网的用户越来越多，网络规模快速膨胀，出现了意想不到的情况：IP地址不够用，这是很严重的问题，因为没有IP地址，就意味着主机不能接入到网络中去。 解决IP地址不够用的方法之一就是子网技
8、术，方法是把网络继续划分成更小的网络，从而不但使那些“闲置”的IP地址得到利用，还遵守了一个网络使用同一个网络号的原则。,北京邮电大学网络教育学院,4.2.3 子网,为了划分子网，用主机号码的一部分作为子网号码，如图4-4所示的有子网时的IP地址结构，,图4-4 有子网时的IP地址结构,北京邮电大学网络教育学院,4.2.3 子网,对于子网技术来说，一个新的问题就是怎么区分子网号。区分子网的方法是使用子网掩码。 要根据一个IP地址来确定其网络号和子网号，需要用子网掩码和这个IP地址进行布尔与运算。如图4-4所示的子网，如果主机号使用10位，它的子网号就是6位，子网掩码的十进制数是255.255.
9、252.0。如果一个分组首部中目的IP地址是159.160.28.204，它和255.255.252.0布尔与运算的过程如下：,北京邮电大学网络教育学院,4.2.3 子网,子网号占用几位是根据需要划子网的个数确定的。如一个网络号是202.106.2.0的C类网络，可以支持254台主机。如果一个单位有50台主机，另外一个单位有60台，这两个单位共享这个网络号，但需要进行子网划分。 在工程中常常用202.106.2.0/26来表示网络号和子网掩码，“/26”表示有26位的子网掩码。 子网掩码不能使用主机号中的任意位作为子网掩码，必须使用从左到右连续的主机位，如果中间隔几位使用是毫无意义的。,北京邮
10、电大学网络教育学院,4.2.4 CIDR,无类别域间路由（Classless InterDomain Routing，CIDR） 减慢未分配地址的耗尽速度 削除地址分类带来的低效率，依靠更灵活的地址结构,北京邮电大学网络教育学院,4.2.4 CIDR,CIDR使Internet路由器更有效地汇聚路由信息。 CIDR还可以实现超网，这个过程是子网划分的逆过程。 使用了CIDR后，就可以把一块连续的C类地址空间模拟成一个单一的更大的地址空间。,北京邮电大学网络教育学院,4.2.4 CIDR,CIDR定义了一些保留的IP地址，只能在内部使用，也就是私网地址。它们是： 10.0.0.0-10.255.
11、255.255； 172.16.0.0-172.31.255.255； 192.168.0.0-192.168.255.255。 在使用CIDR以后，一些规定需要稍作修正。因为有了私网地址，以前说IP地址在网络上必须唯一，更准确的说法应该是IP地址局部必须唯一。另外，在进行子网划分的时候，以前的划分方法也要稍作调整，网络的个数中不再需要“2”了，这更有利于IP地址的充分利用。,北京邮电大学网络教育学院,4.3 IP相关协议,4.3.1 ICMP 4.3.2 ARP和RARP 4.3.3 DHCP 4.3.4 NAT,北京邮电大学网络教育学院,4.3.1 ICMP,网际控制信息协议（Intern
12、et Control Message Protocol，ICMP）在上网的过程中，使用IP的同时，也一直使用着ICMP。 TCP/IP设计了ICMP，它提供针对网络层的错误诊断、拥塞控制、路径控制和查询服务4项大的功能。 在网络传输过程中如果发生异常或者错误，就会向源主机发送ICMP报文，报告出错信息，让信源主机采取相应处理措施，这个方案称为“源抑制”。 因此，网络层不仅传输用户数据报文，还传输控制报文。,北京邮电大学网络教育学院,4.3.1 ICMP,ICMP没有使用专用的数据报格式，它的首部使用了IP首部，如图4-5所示。 ICMP数据部分是由ICMP定义的，它的结构如图4-6所示。,图4
13、-5 ICMP封装,图4-6 ICMP数据报格式,北京邮电大学网络教育学院,4.3.1 ICMP,各种类型的ICMP报文如表4-2所示，不同类型由报文中的类型字段和代码字段来共同决定。图中的最后两列表明ICMP报文是一份查询报文，还是一份差错报文。,表4-2 ICMP报文类型,北京邮电大学网络教育学院,4.3.1 ICMP,北京邮电大学网络教育学院,4.3.1 ICMP,北京邮电大学网络教育学院,4.3.1 ICMP,为了防止过去允许ICMP差错报文对广播分组响应所带来的广播风暴，下面各种情况都不产生ICMP差错报文。 （1）ICMP差错报文（但是，ICMP查询报文可能会产生ICMP差错报文）
14、。 （2）目的地址是广播地址或多播地址的IP数据报。 （3）作为数据链路层广播的数据报。 （4）不是IP分段的第一段。 （5）源地址不是单个主机的数据报。这就是说，源地址不能为零地址、环回地址、广播地址或多播地址。,北京邮电大学网络教育学院,4.3.2 ARP和RARP,网络层的主要功能是在网络之间进行数据传输。 IP对网络上的每个主机用一个IP地址来标识。在数据报中携带这个地址，网络中的设备会根据这个地址转发分组，但当数据报到了目的主机所在的局域网之后，就要打包成帧在局域网上传输了。 这时候数据链路层需要目的主机的MAC地址，而在IP数据报中是没有目的主机的MAC地址。 这就需要根据目的主机
15、的IP地址得到其MAC地址，也就是IP地址和MAC地址的解析问题。,北京邮电大学网络教育学院,4.3.2 ARP和RARP,ARP的任务是把IP地址转化成物理地址。ARP工作的时候，会在存储器中维护一个ARP表，它的结构如表4-3所示。,表4-3 ARP表结构,北京邮电大学网络教育学院,4.3.2 ARP和RARP,ARP中的每一行对应一个设备，每一个设备存储以下信息： （1）IF索引，指物理端口（接口）； （2）物理地址，设备的物理地址； （3）IP地址，和物理地址对应的IP地址； （4）类型，这一行对应的表项类型。 类型有4种可能的值，值2意味着表项是无效的，值3意味着映射是动态的（表项可
16、能改变），值4说明是静态项（表项不变化），值1意味着不是上面的任何一种情况。,北京邮电大学网络教育学院,4.3.2 ARP和RARP,可以在计算机上运行ARP a，来查看自己的机器上的ARP缓存表，显示的结果如图4-7所示。 图4-7所显示的内容其实是本机的ARP缓存表中的内容。 Interface：219.156.124.190 - 0x10003，就是表4-3中IF索引。,图4-7 运行ARP-a的结果,北京邮电大学网络教育学院,4.3.2 ARP和RARP,ARP缓存表中的内容是不断变换的，在不同的时间显示的结果一般不会一样，这是因为类型是dynamic的这些项，会周期性地被更新，不同的系统这个间隔不太一样。 ARP缓存表也可以进行操作。 用ARP d，会清空ARP缓存表 用ARP s可以指定IP地址和MAC地址的对应关系，这种类型就不是图4-7中的dynamic，而是static了，也就是说这个对应关系是静态的，不用定期更新。,北京邮电大学网络教育学院,4.3.2 ARP和RARP,ARP格式如图4-8所示。当一个ARP请求发出时，除了接收端
