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1、计算机网络网络层网络层 1 路由器在网际互连中的作用 1.1 路由器的构成 1.2 交换构件 1.3 互联网与因特网2 因特网的网际协议 IP 2.1 分类的 IP地址 2.2 IP 地址与硬件地址 2.3 地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP2.4 IP 数据报的格式 2.5 IP 层处理数据报的流程网络层（续）3 划分子网和构造超网 3.1 划分子网 3.2 使用子网掩码的分组转发过程 3.3 无分类编址 CIDR4 因特网控制报文协议 ICMP5 因特网的路由选择协议 6.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念 6.5.2 内部网关协议 RIP 6.5.3 内部网关协议 OS
2、PF 6.5.4 外部网关协议 BGP 网络层（续） 6 IP 组播和因特网组管理协议 IGMP 6.6.1 IP 组播的基本概念6.6.2 因特网组管理协议 IGMP 6.6.3 组播路由选择7 网络地址转换 NAT8 下一代的网际协议 IPv6 (IPng) 8.1 解决 IP 地址耗尽的措施 8.2 IPv6 的基本首部 8.3 IPv6 的扩展首部 8.4 IPv6 的地址空间 8.5 从 IPv4 到 IPv6 的过渡 8.6 ICMPv61 路由器在网际互连中的作用 1.1 路由器的构成 n当主机 A 要向另一个主机 B 发送数据报时，先要检查目的主机 B 是否与源主机 A 连接在
3、同一个网络上。n如果是，就将数据报直接交付给目的主机 B 而不需要通过路由器。n但如果目的主机与源主机 A 不是连接在同一个网络上，则应将数据报发送给本网络上的某个路由器，由该路由器按照转发表指出的路由将数据报转发给下一个路由器。这就叫作间接交付。 直接交付和间接交付 间接交付间接交付间接交付ABC直接交付直接交付直接交付不需要使用路由器但间接交付就必须使用路由器典型的路由器的结构 路由选择路由选择处理机路由选择协议路由表3输入端口3交换结构输入端口输出端口分组转发转发表分组处理输出端口11133122223网络层2数据链路层1物理层“转发”和“路由选择”的区别 n“转发”(forwardin
4、g)就是路由器根据转发表将用户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。n“路由选择”(routing)则是按照分布式算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化 情况，动态地改变所选择的路由。n路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是从路由表得出的。n在讨论路由选择的原理时，往往不去区分转发表和路由表的区别， 输入端口对线路上收到的分组的处理 n数据链路层剥去帧首部和尾部后，将分组送到网络层的队列中排队等待处理。这会产生一定的时延。 物理层处理数据链路层处理网络层处理 分组排队 交换结构 输入端口的处理从线路接收分组查表和转发输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路 n当交换结构传送过来的
5、分组先进行缓存。数据链路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。 物理层处理数据链路层处理网络层处理 分组排队 输出端口的处理向线路发送分组缓存管理交换结构分组丢弃 n若路由器处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则队列的存储空间最终必定减少到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。n路由器中的输入或输出队列产生溢出是造成分组丢失的重要原因。 1.2 交换结构I1I3I2O1O2存储器I1I3I2O1O2I1I3I2O1O2O3(a) 通过存储器(c) 通过互连网络(b) 通过总线总线互连网络O3O3n互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题
6、需要解决，如：n不同的寻址方案n不同的最大分组长度n不同的网络接入机制n不同的超时控制n不同的差错恢复方法n不同的状态报告方法n不同的路由选择技术n不同的用户接入控制n不同的服务（面向连接服务和无连接服务）n不同的管理与控制方式 1.3 互联网与因特网 n中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。n物理层中继系统：转发器(repeater)。n数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。n网络层中继系统：路由器(router)。n网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。n网络层以上的中继系统：网关(gateway)。 网络互相连接起来要使用一些中间设备 n当中继系统是转发器
7、或网桥时，一般并不称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。 n网关由于比较复杂，目前使用得较少。n互联网都是指用路由器进行互连的网络。n由于历史的原因，许多有关 TCP/IP 的文献将网络层使用的路由器称为网关。 网络互连使用路由器 互连网络与虚拟互连网络 网络网络网络网络网络(a) 互连网络(b) 虚拟互连网络路由器 虚拟互连网络（IP 网）虚拟互连网络的意义 n所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，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从用户看起来好像是一个统一的网络。n使用 IP 协议的虚拟互
8、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，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节。 名词 internet 和 Internet n以小写字母 i 开始的 internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的虚拟网络。n以大写字母 I 开始的的 Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族，且其前身是美国的 ARPANET。 2 因特网的网际协议 IP网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议
9、之一 。与 IP 协议配套使用的还有四个协议： n地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol)n逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resolution Protocol)n因特网控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)n因特网组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol) 网际协议 IP 及其配套协议 各种应用层协议 网络接口层(TELNET, FTP, SMTP 等)物理硬件运输层TCP, UDP应用层ICMPIPRARPARP与
10、各种网络接口网际层IGMP2.1 分类的 IP 地址1. IP 地址及其表示方法 n我们把整个因特网看成为一个单一的、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）分配一个在全世界范围是惟一的 32 bit 的标识符。nIP 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 IP 地址的编址方法 n分类的 IP 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。n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。n
11、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。分类 IP 地址 n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）。n两级的 IP 地址可以记为：IP 地址 := , (6-1):= 代表“定义为”net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 类地址 1 1
12、1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 1 001net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 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 1 001A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址ho
13、st-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 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 1 001B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 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 1 001C 类地址的网络号字段 net-id 为 3 字节net
14、-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 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 1 001A 类地址的主机号字段 host-id 为 3 字节net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 类地
15、址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 1 001B 类地址的主机号字段 host-id 为 2 字节net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 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 1 001C 类地址的主机号字段 host-id 为 1 字节net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-i
16、d8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 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 1 001D 类地址是多播地址 net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bitIP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 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 1 001E 类地址保留为今
17、后使用 路由器转发分组的步骤 n先按所要找的 IP 地址中的网络号 net-id 把目的网络找到。n当分组到达目的网络后，再利用主机号host-id 将数据报直接交付给目的主机。n按照整数字节划分 net-id 字段和 host-id 字段，就可以使路由器在收到一个分组时能够更快地将地址中的网络号提取出来。 点分十进制记法 10000000000010110000001100011111 机器中存放的 IP 地址是 32 bit 二进制代码10000000 00001011 00000011 00011111 每隔 8 bit 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12
18、8.11.3.31 128 11 3 31 将每 8 bit 的二进制数转换为十进制数2. 常用的三种类别的 IP 地址 IP 地址的使用范围 网络 最大 第一个 最后一个 每个网络类别 网络数 可用的 可用的 中最大的 网络号 网络号 主机数 A 126 (27 2) 1 126 16,777,214 B 16,384 (214) 128.0 191.255 65,534 C 2,097,152 (221) 192.0.0 223.255.255 2543. 几种特殊的 IP 地址 地址意义备注0.0.0.0所有不清楚的主机和网络255.255.255.255限制广播地址127.0.0.1本
19、机地址，用于测试，别名localhost224.0.0.1组播地址，指所有主机，224.0.0.2指所有路由器169.254.X.XDHCP服务器失效后得到的IP地址10.0.0.0/8172.16.0.0/12192.168.0.0/24私有地址v地址地址v类型类型网络号网络号v主机号主机号10.2.1.110.2.1.1128.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.5.64192.6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130.113.64.16256.241.201.10256.241.201.10v练习：IP地址分类vAd
20、dressAddressvClassClassvNetworkNetworkvHostHost10.2.1.110.2.1.1128.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.5.64192.6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130.113.64.16256.241.201.10256.241.201.10A A A A练习：IP地址分类6.2 6.2 因特网的网际协议因特网的网际协议IPIPvAddressAddressvClassClassvNetworkNetworkvHostHost10.2.1.110.2.1.1128
21、.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.5.64192.6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130.113.64.16256.241.201.10256.241.201.10A A A A 10.0.0.010.0.0.0练习：IP地址分类6.2 6.2 因特网的网际协议因特网的网际协议IPIPvAddressAddressvClassClassvNetworkNetworkvHostHost10.2.1.110.2.1.1128.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.5.64192.
22、6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130.113.64.16256.241.201.10256.241.201.10A A A A 0.2.1.10.2.1.1 10.0.0.010.0.0.0练习：IP地址分类6.2 6.2 因特网的网际协议因特网的网际协议IPIPvAddressAddressvClassClassvNetworkNetworkvHostHost10.2.1.110.2.1.1128.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.5.64192.6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130
23、.113.64.16256.241.201.10256.241.201.10A A A AB B B B 0.2.1.10.2.1.10.0.00.0.0. 10. 10. 10. 10练习：IP地址分类6.2 6.2 因特网的网际协议因特网的网际协议IPIPAddressAddressClassClassNetworkNetworkHostHost10.2.1.110.2.1.1128.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.5.64192.6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130.113.64.16256.241.201.
24、10256.241.201.10A A A AB B B B 128.63.0.0128.63.0.0 0.2.1.10.2.1.1 10.0.0.010.0.0.0v练习：IP地址分类6.2 6.2 因特网的网际协议因特网的网际协议IPIPAddressAddressClassClassNetworkNetworkHostHost10.2.1.110.2.1.1128.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.5.64192.6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130.113.64.16256.241.201.10256.241
25、.201.10A A A AB B B B 0.0.2.1000.0.2.100 128.63.0.0128.63.0.0 0.2.1.10.2.1.1 10.0.0.010.0.0.0v练习：IP地址分类6.2 6.2 因特网的网际协议因特网的网际协议IPIPAddressAddressClassClassNetworkNetworkHostHost10.2.1.110.2.1.1128.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.5.64192.6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130.113.64.16256.241.201
26、.10256.241.201.10A A A AB B B BC C C C 0.0.2.1000.0.2.100 128.63.0.0128.63.0.0 0.2.1.10.2.1.1 10.0.0.010.0.0.0练习：IP地址分类6.2 6.2 因特网的网际协议因特网的网际协议IPIPvAddressAddressvClassClassvNetworkNetworkvHostHost10.2.1.110.2.1.1128.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.5.64192.6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130.
27、113.64.16256.241.201.10256.241.201.10A A A AB B B BC C C C 201.222.5.0201.222.5.0 0.0.2.1000.0.2.100 128.63.0.0128.63.0.0 0.2.1.10.2.1.1 10.0.0.010.0.0.0练习：IP地址分类6.2 6.2 因特网的网际协议因特网的网际协议IPIPvAddressAddressvClassClassvNetworkNetworkvHostHost10.2.1.110.2.1.1128.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.
28、5.64192.6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130.113.64.16256.241.201.10256.241.201.10A A A AB B B BC C C C 0.0.0.640.0.0.64 201.222.5.0201.222.5.0 0.0.2.1000.0.2.100 128.63.0.0128.63.0.0 0.2.1.10.2.1.1 10.0.0.010.0.0.0练习：IP地址分类6.2 6.2 因特网的网际协议因特网的网际协议IPIP00000000 11111111 (00000000 11111111 (二进制二进制) ) 0
29、255 ( 0 255 (十进制十进制) )vAddressAddressvClassClassvNetworkNetworkvHostHost10.2.1.110.2.1.1128.63.2.100128.63.2.100201.222.5.64201.222.5.64192.6.141.2192.6.141.2130.113.64.16130.113.64.16256.241.201.10256.241.201.10A A A AB B B BC C C CC C C CB B B B 0.0.64.160.0.64.16 130.113.0.0130.113.0.0 0.0.0.20.0
30、.0.2 192.6.141.0192.6.141.0 0.0.0.640.0.0.64 201.222.5.0201.222.5.0 0.0.2.1000.0.2.100 128.63.0.0128.63.0.0 0.2.1.10.2.1.1 10.0.0.010.0.0.0NonexistentNonexistent练习：练习：IPIP地址地址分类分类6.2 6.2 因特网的网际协议因特网的网际协议IPIPIP 地址的一些重要特点 (1) IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：n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
31、行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。n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。 IP 地址的一些重要特点 (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。 n当一个主机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。这种主机称为多接口主机(multihomed host)。n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
32、 地址。 IP 地址的一些重要特点 (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，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 B222.1.1.222.1.1.1222.1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R1222.1.2.5222.1.2.2222.1.2.1222.1.2.3222.1.2.4222.1.2.222.1.6.1222.1.5.1222.1.5.2222.1.6.2222.1.4.1222.1.4.2222.1.
33、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 B222.1.1.222.1.1.1222.1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R1222.1.2.5222.1.2.2222.1.2.1222.1.2.3222.1.2.4222.1.2.222.1.6.1222.1.5.1222.1.5.2222.1.6.2222.1.4.1222.1.4.2
34、222.1.3.3222.1.3.2222.1.3.1R3R2222.1.3.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 B222.1.1.222.1.1.1222.1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R1222.1.2.5222.1.2.2222.1.2.1222.1.2.3222.1.2.4222.1.2.222.1.6.1222.1.5.1222.1.5.2222.1.6.2222.1.4.1222
35、.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 B222.1.1.222.1.1.1222.1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R1222.1.2.5222.1.2.2222.1.2.1222.1.2.3222.1.2.4222.1.2.222.1.6.1222.1.5.1222.1.5.2222.1.6.2222.1.
36、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 B222.1.1.222.1.1.1222.1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R1222.1.2.5222.1.2.2222.1.2.1222.1.2.3222.1.2.4222.1.2.222.1.6.1222.1.5.1222.1.5.2222.1.6.2
37、222.1.4.1222.1.4.2222.1.3.3222.1.3.2222.1.3.1R3R2222.1.3.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 B222.1.1.222.1.1.1222.1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R1222.1.2.5222.1.2.2222.1.2.1222.1.2.3222.1.2.4222.1.2.222.1.6.1222.1.5.1222.1.5.2222.1.6.22
38、22.1.4.1222.1.4.2222.1.3.3222.1.3.2222.1.3.1R3R2222.1.3.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 B222.1.1.222.1.1.1222.1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R1222.1.2.5222.1.2.2222.1.2.1222.1.2.3222.1.2.4222.1.2.222.1.6.1222.1.5.1222.1.5.2222.1.6.222
39、2.1.4.1222.1.4.2222.1.3.3222.1.3.2222.1.3.1R3R2222.1.3.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 B222.1.1.222.1.1.1222.1.1.2222.1.1.3222.1.1.4R1222.1.2.5222.1.2.2222.1.2.1222.1.2.3222.1.2.4222.1.2.222.1.6.1222.1.5.1222.1.5.2222.1.6.2222
40、.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互联网两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明 IP 地址。如指明 IP 地址，则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊“网络” 。现在常不指明 IP 地址。2.2 IP 地址与硬件地址 TCP 报文IP 数据报MAC 帧应用层数据首部首部尾部首部链路层及以下使用硬件地址硬件地址网络层及以上 使用 IP 地址IP 地址HA1HA5HA4HA3HA6主机 H1主机 H2路由器 R1硬件地址路由器 R
41、2HA2IP1IP2局域网局域网局域网通信的路径H1经过 R1 转发再经过 R2 转发H2查找路由表查找路由表HA1HA5HA4HA3HA6主机 H1主机 H2路由器 R1硬件地址路由器 R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机 H1主机 H2路由器 R1IP 层上的互联网MAC 帧IP2IP4IP3IP5路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2MAC 帧MAC 帧IP 数据报从协议栈的层次上看数据的流动HA1HA5HA4HA3HA6主机 H1主机 H2路由器
42、R1硬件地址路由器 R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机 H1主机 H2路由器 R1IP 层上的互联网MAC 帧IP2IP4IP3IP5路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2MAC 帧MAC 帧IP 数据报从虚拟的 IP 层上看 IP 数据报的流动HA1HA5HA4HA3HA6主机 H1主机 H2路由器 R1硬件地址路由器 R2HA2IP1IP2局域网局域网局域网IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机 H1主机 H2路由器 R1IP 层上的互
43、联网MAC 帧IP2IP4IP3IP5路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2MAC 帧MAC 帧IP 数据报在链路上看 MAC 帧的流动IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机 H1主机 H2路由器 R1IP 层上的互联网MAC 帧IP2IP4IP3IP5路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2MAC 帧MAC 帧IP 数据报在 IP 层抽象的互联网上只能看到 IP 数据报图中的 IP1IP2 表示从源地址 IP1 到
44、目的地址 IP2 两个路由器的 IP 地址并不出现在 IP 数据报的首部中 IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机 H1主机 H2路由器 R1IP 层上的互联网MAC 帧IP2IP4IP3IP5路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2MAC 帧MAC 帧IP 数据报路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择 IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机 H1主机 H2路由器 R1IP 层上的互联网IP2IP4IP3IP5路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2MAC
45、 帧从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2MAC 帧MAC 帧IP 数据报在具体的物理网络的链路层只能看见 MAC 帧而看不见 IP 数据报 IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机 H1主机 H2路由器 R1IP 层上的互联网IP2IP4IP3IP5路由器 R2 IP1 IP2IP1 IP2IP1 IP2MAC 帧从 HA1 到 HA3从 HA4 到 HA5从 HA6 到 HA2MAC 帧MAC 帧IP 数据报IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节在抽象的网络层上讨论问题，就能够使用统一的、抽象的 IP 地址研究主机和主机或主机和路由器之间的通信 不
46、同层次、不同区间的源地址和目的地址在网络层写入IP数据报首部的在数据链路层写入MAC帧首部的源地址目的地址 源地址目的地址从H1到R1IP1IP2HA1HA3从R1到R2IP1IP2HA4HA5从R2到H2IP1IP2HA6HA22.3 地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP n不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。 n每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。n当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速
47、缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。 ARP 响应AYXBZ主机 B 向 A 发送ARP 响应分组 主机 A 广播发送ARP 请求分组 ARP 请求ARP 请求ARP 请求ARP 请求209.0.0.5209.0.0.600-00-C0-15-AD-1808-00-2B-00-EE-0A我是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15-AD-18我想知道主机 209.0.0.6 的硬件地址我是 209.0.0.6硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0AAYXBZ2
48、09.0.0.5209.0.0.600-00-C0-15-AD-18ARP 高速缓存的作用n为了减少网络上的通信量，主机 A 在发送其 ARP 请求分组时，就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组。n当主机 B 收到 A 的 ARP 请求分组时，就将主机 A 的这一地址映射写入主机 B 自己的 ARP 高速缓存中。这对主机 B 以后向 A 发送数据报时就更方便了。 应当注意的问题nARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址和硬件地址的映射问题。n如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过 ARP 找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后
49、把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。应当注意的问题n从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。n只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信，ARP 协议就会自动地将该 IP 地址解析为链路层所需要的硬件地址。 什么我们不直接使用硬件地址进行通信？ n由于全世界存在着各式各样的网络，它们使用不同的硬件地址。要使这些异构网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作，因此几乎是不可能的事。n连接到因特网的主机都拥有统一的 IP 地址，它们之间的通信就像连接在同一个网络上
50、那样简单方便，因为调用 ARP 来寻找某个路由器或主机的硬件地址都是由计算机软件自动进行的，对用户来说是看不见这种调用过程的。 逆地址解析协议 RARP n逆地址解析协议 RARP 使只知道自己硬件地址的主机能够知道其 IP 地址。n这种主机往往是无盘工作站。 因此 RARP协议目前已很少使用。 典型ARP包分析2.4 IP 数据报的格式 n一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成。n首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。n在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。 固定部分可变部分04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务
51、 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特数 据 部 分首 部传送IP 数据报首部可变部分首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特数 据 部 分首 部传送IP 数据报固定部分首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长
52、度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特数 据 部 分首 部传送IP 数据报固定部分可变部分首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分版本占 4 bit，指IP协议的版本目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)首部04816192431版 本标志生
53、存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分首部长度占 4 bit，可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为 4 字节)因此 IP 的首部长度的最大值是60字节。首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可
54、变部分服务类型占 8 bit，用来获得更好的服务这个字段以前一直没有被人们使用 首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分总长度占 16 bit，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为 65535 字节。总长度必须不超过最大传送单元 MTU。 首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验
55、 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分标识(identification) 占 16 bit，它是一个计数器，用来产生数据报的标识。 首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分标志(Flag) 占 3 bit，目前只有两个比特有意义。MF1表示后面还有分片MF0最后一个D
56、F1不能分片DF0时允许分片首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分片偏移(12 bit)指出：较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。偏移 = 0/8 = 0偏移 = 0/8= 0偏移 = 1400/8 = 175偏移 = 2800/8 = 350140028003799279913993799需分片的数据报数据报片 1首部数据部分共 3
57、800 字节首部 1首部 2首部 3字节 0数据报片 2数据报片 314002800字节 0IP 数据报分片的举例表65IP数据报首部中与分片有关的字段中的数值总长度标识MF DF 片偏移原始数据报400012345000数据报片1142012345100数据报片214201234510175数据报片310201234500350课堂练习n一个数据报长度为4200字节（固定首部长度）。经过一个网络传输，但此网络能够传送的最大数据长度为1500字节。问应当划分为几个短些的数据报片？各数据报片的数据字段长度、片偏移字段和MF标志应为多少？解答偏移 = 0/8 = 0偏移 = 0/8= 0偏移 =
58、1480/8 = 185偏移 = 2960/8 = 370148029604179295914794179需分片的数据报数据报片 1首部数据部分共 4180 字节首部 1首部 2首部 3字节 0数据报片 2数据报片 314802960字节 0MF 1MF1MF0首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分生存时间(8 bit)记为 TTL (Time To Live)数据报在网络
59、中的寿命，其单位为秒。首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分协议(8 bit)字段指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程运输层网络层首部TCPUDPICMPIGMPOSPF数 据 部 分IP 数据报协议字段指出应将数据部分交给哪一个进程协议名ICMPIGMPTCPEGPIGPUDPIPV6OSPF协议字段值1268917418
60、9首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分首部检验和(16 bit)字段只检验数据报的首部不包括数据部分。这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法。 发送端接收端16 bit字 116 bit字 2置为全 0检验和16 bit字 n16 bit反码算术运算求和取反码数据报首部IP 数据报16 bit检验和16 bit字 116 bit字 216 bit检验和16 bit
61、字 n16 bit反码算术运算求和16 bit结果取反码数据部分若结果为 0, 则保留；否则，丢弃该数据报数据部分不参与检验和的计算首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度01234567DTRC未用优 先 级数 据 部 分比特固定部分可变部分源地址和目的地址都各占 4 字节2. IP 数据报首部的可变部分 nIP 首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。n选项字段的长度可变，从 1 个字节到 40 个字节不
62、等，取决于所选择的项目。n增加首部的可变部分是为了增加 IP 数据报的功能，但这同时也使得 IP 数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。n实际上这些选项很少被使用。 2.5 IP 层转发分组的流程 路由器和结点交换机有些区别： n路由器是用来连接不同的网络，而结点交换机只是在一个特定的网络中工作。n路由器是专门用来转发分组的，而结点交换机还可接上许多个主机。n路由器使用统一的 IP 协议，而结点交换机使用所在广域网的特定协议。n路由器根据目的网络地址找出下一个路由器，而结点交换机则根据目的站所接入的交换机号找出下一跳（即下一个结点交换机）。 网 110.0.0.0
63、 网 440.0.0.0 网 330.0.0.0 网 220.0.0.010.0.0.440.0.0.430.0.0.220.0.0.920.0.0.7目的主机所在的网络下一跳路由器的地址20.0.0.030.0.0.010.0.0.040.0.0.020.0.0.730.0.0.1直接交付，接口 1直接交付，接口 0路由器 R2 的路由表30.0.0.110.0.0.440.0.0.430.0.0.220.0.0.920.0.0.730.0.0.1链路 4链路 3链路 2链路 1R2R3R101R2R3R1在路由表中，对每一条路由，最主要的是（目的网络地址，下一跳地址） 特定主机路由 n这种
64、路由是为特定的目的主机指明一个路由。n采用特定主机路由可使网络管理人员能更方便地控制网络和测试网络，同时也可在需要考虑某种安全问题时采用这种特定主机路由。 分组转发算法 (1) 从数据报的首部提取目的站的 IP 地址 D, 得出目的网络地址为 N。(2) 若网络 N 与此路由器直接相连，则直接将数据报交付给目的站 D；否则是间接交付，执行(3)。(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。(4) 若路由表中有到达网络 N 的路由，则将数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。(5) 若路由表中有一个默认路由，
65、则将数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。(6) 报告转发分组出错。 必须强调指出 nIP 数据报的首部中没有地方可以用来指明“下一跳路由器的 IP 地址”。n当路由器收到待转发的数据报，不是将下一跳路由器的 IP 地址填入IP数据报，而是送交下层的网络接口软件。n网络接口软件使用 ARP 负责将下一跳路由器的 IP 地址转换成硬件地址，并将此硬件地址放在链路层的 MAC 帧的首部，然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器。 3 划分子网和构造超网3.1 划分子网1. 从两级 IP 地址到三级 IP 地址 n在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不够合理。nIP 地址
66、空间的利用率有时很低。 n给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。 n两级的 IP 地址不够灵活。 n从 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。n这种做法叫作划分子网(subnetting) 。划分子网已成为因特网的正式标准协议。 三级的 IP 地址 n划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。n从主机号借用若干个比特作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个比特。IP地址 := , , (6-2) 划分子网的基本思路 n凡是从其他网络发
67、送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。n然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。n最后就将 IP 数据报直接交付给目的主机。 划分子网的基本思路（续） 145.13.3.10145.13.3.11145.13.3.101145.13.7.34145.13.7.35145.13.7.56145.13.21.23145.13.21.9145.13.21.8所有到网络 145.13.0.0的分组均到达此路由器我的网络地址是 145.13.0.0R1
68、R3R2网络145.13.0.0一个未划分子网的 B 类网络145.13.0.0划分为三个子网后对外仍是一个网络 145.13.3.10145.13.3.11145.13.3.101145.13.7.34145.13.7.35145.13.7.56145.13.21.23145.13.21.9145.13.21.8子网 145.13.21.0子网 145.13.3.0 子网 145.13.7.0所有到达网络 145.13.0.0的分组均到达此路由器网络145.13.0.0R1R3R2n当没有划分子网时，IP 地址是两级结构，地址的网络号字段也就是 IP 地址的“因特网部分”，而主机号字段是 I
69、P 地址的“本地部分”。n划分子网后 IP 地址就变成了三级结构。划分子网只是将 IP 地址的本地部分进行再划分，而不改变 IP 地址的因特网部分。 划分子网后变成了三级结构 n从一个 I P数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网的划分。n使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分。 2. 子网掩码IP 地址的各字段和子网掩码 网络号 net-id主机号 host-id两级 IP 地址网络号net-idhost-id三级 IP 地址主机号subnet-id子网号子网掩码因特网部分本地部分因特网部分本地部分划分子网时的网络地址1 1 1 1
70、1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0net-idsubnet-idhost-id 为全 0(IP 地址) AND (子网掩码) =网络地址网络号 net-id主机号 host-id两级 IP 地址网络号三级 IP 地址主机号net-idhost-idsubnet-id子网号子网掩码因特网部分本地部分因特网部分本地部分划分子网时的网络地址1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0net-idsubnet-idhost-id 为全 0ANDnet
71、-idnet-idhost-id 为全 0net-id网络地址A类地址默认子网掩码255.0.0.0网络地址B类地址默认子网掩码255.255.0.0网络地址C类地址默认子网掩码255.255.255.01 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0host-id 为全
72、0host-id 为全 0A 类、B 类和 C 类 IP 地址的默认子网掩码 比特串对应的十进制1 1 1 10 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0= = = =1281281281281 1 1 11 1 1 10 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0= = = =1921921921921 1 1 11 1 1 11 1 1 10 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0= = = =2242242242241 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1
73、10 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0= = = =2402402402401 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 10 0 0 00 0 0 00 0 0 0= = = =2482482482481 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 10 0 0 00 0 0 0= = = =2522522522521 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 10 0 0 0= = = =2542542542541 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1
74、11 1 1 11 1 1 11 1 1 11 1 1 1= = = =255255255255128 128 128 128 6464646432323232161616168 8 8 84 4 4 42 2 2 21 1 1 1练习：子网掩码AddressAddressAddressAddressSubnetSubnetSubnetSubnet MaskMaskMaskMaskClassClassClassClassSubnetSubnetSubnetSubnet172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.1010.13.24.2010.13.24.
75、2010.13.24.2010.13.24.2010.30.36.1210.30.36.1210.30.36.1210.30.36.12255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0AddressAddressAddressAddressSubnetSubnetSubnetSubnet MaskMaskMaskMask ClassClassClas
76、sClassSubnetSubnetSubnetSubnet172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.1010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.30.36.1210.30.36.1210.30.36.1210.30.36.12255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255
77、.255.255.0B B B B练习：子网掩码AddressAddressAddressAddressSubnetSubnetSubnetSubnet MaskMaskMaskMaskClassClassClassClassSubnetSubnetSubnetSubnet172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.1010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.30.36.1210.30.36.1210.30.36.1210.30.36.12255.255.255.0255.255.255.0255.2
78、55.255.0255.255.255.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0B B B B172172172172.16.2.016.2.016.2.016.2.0练习：子网掩码AddressAddressAddressAddressSubnet MaskSubnet MaskSubnet MaskSubnet MaskClassClassClassClassSubnetSubnetSubnetSubnet172.16.2.10172.1
79、6.2.10172.16.2.10172.16.2.1010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.30.36.1210.30.36.1210.30.36.1210.30.36.12255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0B B B BA A A A172.16.2.0172.16.2.017
80、2.16.2.0172.16.2.0练习：子网掩码AddressAddressAddressAddressSubnetSubnetSubnetSubnet MaskMaskMaskMaskClassClassClassClassSubnetSubnetSubnetSubnet172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.1010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.30.36.1210.30.36.1210.30.36.1210.30.36.12255.255.255.0255.255.255.0255.
81、255.255.0255.255.255.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0B B B BA A A A172.16.2.0172.16.2.0172.16.2.0172.16.2.010.12.0.010.12.0.010.12.0.010.12.0.010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.20255.252255.252255.252255.252.0.01111111111111111
82、1111111111111111111111001111110011111100111111000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 00001010000010100000101000001010 0000101000001010000010100000101000001101000011000000110000001100000011000000000000000000000000000000000000010100000101000001010000010100000000000000000000
83、0000000000000000011000000110000001100000011000 10 . 12 . 0 . 0练习：子网掩码AddressAddressAddressAddressSubnetSubnetSubnetSubnet MaskMaskMaskMaskClassClassClassClassSubnetSubnetSubnetSubnet172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.1010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.30.36.1210.30.36.1210.30.36
84、.1210.30.36.12255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0B B B BA A A AA A A A172.16.2.0172.16.2.0172.16.2.0172.16.2.010.12.0.010.12.0.010.12.0.010.12.0.0练习：子网掩码AddressAddressAddressAddressSubnet
85、 MaskSubnet MaskSubnet MaskSubnet Mask ClassClassClassClassSubnetSubnetSubnetSubnet172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.10172.16.2.1010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.13.24.2010.30.36.1210.30.36.1210.30.36.1210.30.36.12255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.252.0.0255.252.0.0255.252.0.0
86、255.252.0.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0255.255.255.0B B B BA A A AA A A A172.16.2.0172.16.2.0172.16.2.0172.16.2.010.12.0.010.12.0.010.12.0.010.12.0.010.30.36.010.30.36.010.30.36.010.30.36.0练习：子网掩码子网划分举例IPIP主机地址主机地址: :201.222.5.121201.222.5.121子网掩码子网掩码: : 255.255.255.248255.255.255.248Netw
87、orkNetworkSubnetSubnetHostHost2012012012012222225 5120120120120201.222.5.121201.222.5.121:1100100111001001111111111 111111111111111111111SubnetSubnet:110010011100100111001001110010011101111011011110110111101101111011111111111111110000010100000101000001010000010111111111111111110111101111 001001 1111
88、1 0000000000000111101111 000255.255.255.248:子网地址子网地址 = 201.222.5.120= 201.222.5.120主机地址主机地址 = 0.0.0.1= 0.0.0.1范围范围 = 201.222.5.121= 201.222.5.121201.222.5.126201.222.5.126广播地址广播地址 = 201.222.5.127= 201.222.5.127子网占位子网占位计算广播地址和子网地址练习计算广播地址和子网地址练习AddressClassSubnetBroadcast201.222.10.60 255.255.255.248
89、Subnet Mask15.16.193.6 255.255.248.0128.16.32.13 255.255.255.252153.50.6.27 255.255.255.128解答解答153.50.6.127AddressClassSubnetBroadcast201.222.10.60 255.255.255.248C201.222.10.63201.222.10.56Subnet Mask15.16.193.6 255.255.248.0A15.16.199.25515.16.192.0128.16.32.13 255.255.255.252B128.16.32.15128.16.3
90、2.12153.50.6.27 255.255.255.128B153.50.6.0n在不划分子网的两级 IP 地址下，从 IP 地址得出网络地址是个很简单的事。n但在划分子网的情况下，从IP地址却不能惟一地得出网络地址来，这是因为网络地址取决于那个网络所采用的子网掩码，但数据报的首部并没有提供子网掩码的信息。n因此分组转发的算法也必须做相应的改动。 3.2 使用子网掩码的分组转发过程128.30.33.10目的网络地址子网掩码下一跳128.30.33.0128.30.33.128128.30.36.0255.255.255.128255.255.255.128255.255.255.0接口
91、0接口 1R2128.30.33.13H1子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128128.30.33.130R1 的路由表（未给出默认路由器）R11R2子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128H2128.30.33.13801128.30.33.129H3128.30.36.2子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0128.30.36.12划分子网后分组的转发举例 主机 H1 要发送分组给 H2 128.30.33.10目的网络地址子网掩码下一跳128.30.33.0
92、128.30.33.128128.30.36.0255.255.255.128255.255.255.128255.255.255.0接口 0接口 1R2R1 的路由表（未给出默认路由器）128.30.33.13H1子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128128.30.33.130R11R2子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128H2128.30.33.13801128.30.33.129H3128.30.36.2子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0128.30.
93、36.12要发送的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138请注意：H1 并不知道 H2 连接在哪一个网络上。H1 仅仅知道 H2 的 IP 地址是128.30.33.138因此 H1 首先检查主机 128.30.33.138 是否连接在本网络上如果是，则直接交付；否则，就送交路由器 R1，并逐项查找路由表。128.30.33.10目的网络地址子网掩码下一跳128.30.33.0128.30.33.128128.30.36.0255.255.255.128255.255.255.128255.255.255.0接口 0接口 1R2R1 的路由表（未给出默认路由器）H1子网1： 网络地址
94、 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128128.30.33.130R11R2子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128H2128.30.33.13128.30.33.13801128.30.33.129H3128.30.36.2子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0128.30.36.12主机 H1 首先将本子网的子网掩码 255.255.255.128与分组的 IP 地址 128.30.33.138 逐比特相“与”(AND 操作) 255.255.255.128 AND 128.30
95、.33.138 的计算255 就是二进制的全 1，因此 255 AND xyz = xyz，这里只需计算最后的 128 AND 138 即可。128 10000000138 10001010逐比特 AND 操作后：10000000 128255.255.255.128128. 30. 33.138128.30.33.128逐比特 AND 操作 H1 的网络地址因此 H1 必须把分组传送到路由器 R1然后逐项查找路由表128.30.33.10目的网络地址子网掩码下一跳128.30.33.0128.30.33.128128.30.36.0255.255.255.128255.255.255.128
96、255.255.255.0接口 0接口 1R2R1 的路由表（未给出默认路由器）128.30.33.13H1子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128128.30.33.130R11R2子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128H2128.30.33.13801128.30.33.129H3128.30.36.2子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0128.30.36.12路由器 R1 收到分组后就用路由表中第 1 个项目的子网掩码和 128.30.33.138 逐比特
97、 AND 操作 128.30.33.10目的网络地址子网掩码下一跳128.30.33.0128.30.33.128128.30.36.0255.255.255.128255.255.255.128255.255.255.0接口 0接口 1R2R1 的路由表（未给出默认路由器）128.30.33.13H1子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128128.30.33.130R11R2子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128H2128.30.33.13801128.30.33.129H3128.30.36.2子网
98、3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0128.30.36.12255.255.255.128 AND 128.30.33.138 = 128.30.33.128不匹配!（因为128.30.33.128 与路由表中的 128.30.33.0 不一致）R1 收到的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138不一致路由器 R1 再用路由表中第 2 个项目的子网掩码和 128.30.33.138 逐比特 AND 操作 128.30.33.10目的网络地址子网掩码下一跳128.30.33.0128.30.33.128128.30.36.0255.255.255.
99、128255.255.255.128255.255.255.0接口 0接口 1R2R1 的路由表（未给出默认路由器）128.30.33.13H1子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128128.30.33.130R11R2子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128H2128.30.33.13801128.30.33.129H3128.30.36.2子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0128.30.36.12255.255.255.128 AND 128.30.33.1
100、38 = 128.30.33.128匹配!这表明子网 2 就是收到的分组所要寻找的目的网络R1 收到的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138一致!在划分子网的情况下路由器转发分组的算法 (1) 从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D。(2) 先用各网络的子网掩码和 D 逐比特相“与”，看是否和 相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。 否则就是间接交付，执行(3)。(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将 分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。(4) 对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐比特相“与”， 若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组
101、传送 给该行指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。(5) 若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表 中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。(6) 报告转发分组出错。课堂练习n设某路由表建立了如下路由表目的网络地址子网掩码下一跳128.96.39.0128.96.39.128128.96.40.0192.4.153.0（默认）（默认）255.255.255.128255.255.255.128255.255.255.128 255.255.255.192接口接口 0接口接口 1R2R3R4n现共收到5个分组，其目的IP地址为：n128.96.39.10n128.96.40.12n128.
102、96.40.151n192.4.153.17n192.4.153.90n分别计算其下一跳划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难。然而在 1992 年因特网仍然面临三个必须尽早解决的问题，这就是：nB 类地址在 1992 年已分配了近一半，眼看就要在 1994 年 3 月全部分配完毕！n因特网主干网上的路由表中的项目数急剧增长（从几千个增长到几万个）。n整个 IPv4 的地址空间最终将全部耗尽。3.3 无分类编址 CIDR1. 网络前缀 n1987 年，RFC 1009 就指明了在一个划分子网的网络中可同时使用几个不同的子网掩码。使用变长子网掩码 VLSM (Variable Len
103、gth Subnet Mask)可进一步提高 IP 地址资源的利用率。n在 VLSM 的基础上又进一步研究出无分类编址方法，它的正式名字是无分类域间路 由 选 择 CIDR (Classless Inter-Domain Routing)。 IP 编址问题的演进 nCIDR 消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间。nCIDR使 用 各 种 长 度 的 “网 络 前 缀”(network-prefix)来代替分类地址中的网络号和子网号。nIP 地址从三级编址（使用子网掩码）又回到了两级编址。 CIDR 最主要的特点 n无分类的两
104、级编址的记法是： IP地址 := , (6-3) nCIDR 还使用“斜线记法”(slash notation)，它又称为CIDR记法，即在IP地址后面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的比特数（这个数值对应于三级编址中子网掩码中比特 1 的个数）。nCIDR 将网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR地址块”。 无分类的两级编址 CIDR 地址块 n128.14.32.0/20 表示的地址块共有 212 个地址（因为斜线后面的 20 是网络前缀的比特数，所以主机号的比特数是 12）。n这个地址块的起始地址是 128.14.32.0。n在不需要指出地址块的起始地址时，也可将这样的
105、地址块简称为“/20 地址块”。n128.14.32.0/20 地址块的最小地址：128.14.32.0n128.14.32.0/20 地址块的最大地址：128.14.32.255n全 0 和全 1 的主机号地址一般不使用。128.14.32.0/20 表示的地址（212 个地址）10000000 00001110 00100000 0000000010000000 00001110 00100000 0000000110000000 00001110 00100000 0000001010000000 00001110 00100000 0000001110000000 00001110 0
106、0100000 0000010010000000 00001110 00100000 0000010110000000 00001110 00111111 1111101110000000 00001110 00111111 1111110010000000 00001110 00111111 1111110110000000 00001110 00111111 1111111010000000 00001110 00111111 11111111所有地址的 20 bit前缀都是一样的最小地址最大地址n一个 CIDR 地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合，它使得路由表中的一个项
107、目可以表示很多个（例如上千个）原来传统分类地址的路由。n路由聚合也称为构成超网(supernetting)。nCIDR 虽然不使用子网了，但仍然使用“掩码”这一名词（但不叫子网掩码）。n对于 /20 地址块，它的掩码是 20 个连续的 1。 斜线记法中的数字就是掩码中1的个数。 路由聚合(route aggregation) CIDR 记法的其他形式 n10.0.0.0/10 可简写为 10/10，也就是将点分十进制中低位连续的 0 省略。n10.0.0.0/10 隐含地指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是 255.192.0.0。此掩码可表示为 11111111 11000000 0
108、0000000 0000000025519200掩码中有 10 个连续的 0CIDR 记法的其他形式 n10.0.0.0/10 可简写为 10/10，也就是将点分十进制中低位连续的 0 省略。n10.0.0.0/10 相当于指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是 255.192.0.0，即 11111111 11000000 00000000 00000000n网络前缀的后面加一个星号 * 的表示方法 如 00001010 00*，在星号 * 之前是网络前缀，而星号 * 表示 IP 地址中的主机号，即 构成超网 n前缀长度不超过 23 bit 的 CIDR 地址块都包含了多个 C 类地址
109、。n这些 C 类地址合起来就构成了超网。nCIDR 地址块中的地址数一定是 2 的整数次幂。n网络前缀越短，其地址块所包含的地址数就越多。而在三级结构的IP地址中，划分子网是使网络前缀变长。 CIDR 地址块划分举例 因特网206.0.68.0/22206.0.64.0/18ISP大学 X一系二系三系四系206.0.71.128/26206.0.71.192/26206.0.68.0/25206.0.68.128/25206.0.69.0/25206.0.69.128/25206.0.70.0/26206.0.70.64/26206.0.70.128/26206.0.70.192/26206.
110、0.70.0/24206.0.71.0/25206.0.71.0/26206.0.71.64/26206.0.71.128/25206.0.68.0/23 单位 地址块 二进制表示 地址数 ISP 206.0.64.0/18 11001110.00000000.01* 16384 大学 206.0.68.0/22 11001110.00000000.010001* 1024 一系 206.0.68.0/23 11001110.00000000.0100010* 512 二系 206.0.70.0/24 11001110.00000000.01000110.* 256 三系 206.0.71.0
111、/25 11001110.00000000.01000111.0* 128 四系 206.0.71.128/25 11001110.00000000.01000111.1* 128CIDR 地址块划分举例 因特网206.0.68.0/22206.0.64.0/18ISP大学 X一系二系三系四系206.0.71.128/26206.0.71.192/26206.0.68.0/25206.0.68.128/25206.0.69.0/25206.0.69.128/25206.0.70.0/26206.0.70.64/26206.0.70.128/26206.0.70.192/26206.0.70.0
112、/24206.0.71.0/25206.0.71.0/26206.0.71.64/26206.0.71.128/25206.0.68.0/23这个 ISP 共有 64 个 C 类网络。如果不采用 CIDR 技术，则在与该 ISP 的路由器交换路由信息的每一个路由器的路由表中，就需要有 64 个项目。但采用地址聚合后，只需用路由聚合后的 1 个项目 206.0.64.0/18 就能找到该 ISP。 2. 最长前缀匹配n使用 CIDR 时，路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果。 n应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由：最长前缀匹配(l
113、ongest-prefix matching)。n网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体。n最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配。 最长前缀匹配举例收到的分组的目的地址 D = 206.0.68.0/22路由表中的项目：206.0.68.0/22 （ISP） 206.0.71.128/25 （四系）查找路由表中的第 1 个项目AND D = 206. 0. 01000100. 0第 1 个项目 206.0.68.0/22 的掩码 M 有 22 个连续的 1。M = 11111111 11111111 11111100 00000000因此只需把 D 的第 3 个字节转换成二进制。M =
114、 11111111 11111111 11111100 00000000206. 0. 01000100. 0与 206.0.68.0/22 匹配最长前缀匹配举例收到的分组的目的地址 D = 206.0.68.0/22路由表中的项目：206.0.68.0/22 （ISP） 206.0.71.128/25 （四系）再查找路由表中的第 2 个项目AND D = 206. 0. 71. 10000000第 2 个项目 206.0.71.128/25 的掩码 M 有 25 个连续的 1。M = 11111111 11111111 11111111 10000000因此只需把 D 的第 4 个字节转换成
115、二进制。M = 11111111 11111111 11111111 10000000206. 0. 71. 10000000与 206.0.71.128/25 匹配最长前缀匹配D AND (11111111 11111111 11111100 00000000) = 206.0.68.0/22 匹配D AND (11111111 11111111 11111111 10000000) = 206.0.71.128/25 匹配n选择两个匹配的地址中更具体的一个，即选择最长前缀的地址。 练习LAN1LAN2LAN3LAN4LAN5LAN6LAN7LAN8R150103010R2R3R4R5420
116、2025WAN1WAN2WAN3一个大公司有一个总部和三个下属部门。公司分配到的网络前缀是192.168.1/24。布局如上图所示。总部共有五个局域网，其中的LAN1LAN4都是连接到路由器R1上，R1再通过LAN5与R5相连。R5和远程三个部门通过广域网相连。每一个局域这边是主机数，试给所有的网络分配一个合适的网络前缀。解答(原则：先选择最大的网络前缀）网络网络前缀LAN1LAN2LAN3LAN4LAN5LAN6LAN7LAN8WAN1WAN2WAN3192.168.1.0/26192.168.1.192/28192.168.1.64/27192.168.1.208/28192.168.1.
117、224/29192.168.1.96/27192.168.1.128/27192.168.1.160/27192.168.1.232/30192.168.1.236/30192.168.1.240/303. 使用二叉线索查找路由表n当路由表的项目数很大时，怎样设法减小路由表的查找时间就成为一个非常重要的问题。 n为了进行更加有效的查找，通常是将无分类编址的路由表存放在一种层次的数据结构中，然后自上而下地按层次进行查找。这里最常用的就是二叉线索(binary trie)。nIP 地址中从左到右的比特值决定了从根结点逐层向下层延伸的路径，而二叉线索中的各个路径就代表路由表中存放的各个地址。n为了提
118、高二叉线索的查找速度，广泛使用了各种压缩技术。 4 因特网控制报文协议 ICMPn为了提高 IP 数据报交付成功的机会，在网际层使用了因特网控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)。nICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。nICMP 不是高层协议，而是 IP 层的协议。nICMP 报文作为 IP 层数据报的数据，加上数据报的首部，组成 IP 数据报发送出去。 ICMP 报文的格式 首 部ICMP 报文0数 据 部 分检验和类型代码（这 4 个字节取决于 ICMP 报文的类型）81631IP 数据报前 4 个字节都是
119、一样的ICMP 的数据部分（长度取决于类型）ICMP 报文nICMP 报文的种类有两种，即 ICMP 差错报告报文和 ICMP 询问报文。 nICMP 报文的前 4 个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着的 4 个字节的内容与 ICMP 的类型有关。 ICMP 差错报告报文共有 5 种 n终点不可达 分为网络不可达、主机不可达、协议不可达、端口不可达等。n源站抑制 当路由器或主机由于拥塞而丢弃数据报时，就向源站发送源站抑制报文n时间超过当路由器收到生存时间为0的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源站发送时间超过报文n参数问题 当路由器或目的主机收到的数据报首部中有的字段不
120、正确时，就丢弃数据报，并向源站发送参数问题报文。n改变路由（重定向） 路由器将改变路由报文发送给主机，让主机知道下次应将数据报发送给另外的路由器ICMP 差错报告报文的数据字段的内容 首部IP 数据报ICMP 的前 8 字节装入 ICMP 报文的 IP 数据报IP 数据报首部ICMP 差错报告报文8字节收到的 IP 数据报IP 数据报首部8字节ICMP 差错报告报文IP 数据报的数据字段不应发送 ICMP 差错报告报文的几种情况 n对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文。n对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送 ICMP 差错报告报文。n对具有多播地址的数据报都不
121、发送 ICMP 差错报告报文。n对具有特殊地址（如127.0.0.0或0.0.0.0）的数据报不发送 ICMP 差错报告报文。ICMP 询问报文有四种 n回送请求和回答报文pingn时间戳请求和回答报文n掩码地址请求和回答报文n路由器询问和通告报文 PING (Packet InterNet Groper) nPING 用来测试两个主机之间的连通性。nPING 使用了 ICMP 回送请求与回送回答报文。nPING 是应用层直接使用网络层 ICMP 的例子，它没有通过运输层的 TCP 或UDP。 5 网络地址转换 NATn本地地址仅在机构内部使用的 IP 地址，可以由本机构自行分配，而不需要向因
122、特网的管理机构申请。n全球地址全球惟一的IP地址，必须向因特网的管理机构申请。 RFC 1918指明的专用地址(private address) n10.0.0.0 到 10.255.255.255n172.16.0.0 到 172.31.255.255n192.168.0.0 到 192.168.255.255n这些地址只能用于一个机构的内部通信，而不能用于和因特网上的主机通信。n专用地址只能用作本地地址而不能用作全球地址。在因特网中的所有路由器对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。 网络地址转换 NAT (Network Address Translation)n网络地址转换 NAT
123、 方法于1994年提出。n需要在专用网连接到因特网的路由器上安装 NAT 软件。装有 NAT 软件的路由器叫做 NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球地址 IPG。n所有使用本地地址的主机在和外界通信时都要在 NAT 路由器上将其本地地址转换成 IPG 才能和因特网连接。 网络地址转换的过程n内部主机 X 用本地地址 IPX 和因特网上主机 Y 通信所发送的数据报必须经过 NAT 路由器。nNAT 路由器将数据报的源地址 IPX 转换成全球地址 IPG，但目的地址 IPY 保持不变，然后发送到因特网。nNAT 路由器收到主机 Y 发回的数据报时，知道数据报中的源地址是 IPY 而目的地址是
124、IPG。n根据 NAT 转换表，NAT 路由器将目的地址 IPG 转换为 IPX，转发给最终的内部主机 X。 5 引导程序协议 BOOTP 与动态主机配置协议 DHCP 5.1 引导程序协议BOOTPn为了将软件协议做成通用的和便于移植，协议软件的编写者把协议软件参数化。这就使得在很多台计算机上使用同一个经过编译的二进制代码成为可能。n一台计算机和另一台计算机的区别，都可通过一些不同的参数来体现。n在软件协议运行之前，必须给每一个参数赋值。 协议配置n在协议软件中给这些参数赋值的动作叫做协议配置。n一个软件协议在使用之前必须是已正确配置的。n具体的配置信息有哪些则取决于协议栈。 连接到因特网的
125、计算机的协议软件需要配置的项目 (1) IP 地址(2) 子网掩码(3) 默认路由器的 IP 地址(4) 域名服务器的 IP 地址n这些信息通常存储在一个配置文件中，计算机在引导过程中可以对这个文件进行存取。 引导程序协议 BOOTP (BOOTstrap Protocol) n也称为自举协议 。nBOOTP 使用客户服务器工作方式。n协议软件广播 BOOTP 请求报文，此报文作为 UDP 用户数据报的数据，UDP 用户数据报再作为 IP 数据报的数据。n收到请求报文的 BOOTP 服务器查找发出请求的计算机的各项配置信息，把配置信息放入 BOOTP 回答报文中，并把回答报文返回给提出请求的计
126、算机。BOOTP 报文的传送 n由于计算机发送 BOOTP 请求报文时自己还没有 IP 地址，因此它使用全 1 广播地址（只在本网络上广播）作为目的地址，而用全 0 地址作为源地址。nBOOTP 服务器可使用广播方式将回答报文返回给该计算机，或使用收到广播帧上的硬件地址进行单播。n只需发送一个 BOOTP 广播报文就可获取所需的全部配置信息。 5.2 动态主机配置协议 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) n动态主机配置协议 DHCP 提供了即插即用连网(plug-and-play networking)的机制。n这种机制允许一台计算机加入新的网络
127、和获取IP地址而不用手工参与。nDHCP 是扩展了的BOOTP。nDHCP 与 BOOTP 是向后兼容的，并且它们所使用的报文格式都很相似。 DHCP 使用客户服务器方式。n需要 IP 地址的主机在启动时就向 DHCP 服务器广播发送发现报文（DHCPDISCOVER），这时该主机就成为 DHCP 客户。n本地网络上所有主机都能收到此广播报文，但只有 DHCP 服务器才回答此广播报文。nDHCP 服务器先在其数据库中查找该计算机的配置信息。若找到，则返回找到的信息。若找不到，则从服务器的 IP 地址池(address pool)中取一个地址分配给该计算机。DHCP 服务器的回答报文叫做提供报文
128、（DHCPOFFER）。 DHCP 中继代理(relay agent) n并不是每个网络上都有 DHCP 服务器，这样会使 DHCP 服务器的数量太多。现在是每一个网络至少有一个 DHCP 中继代理，它配置了 DHCP 服务器的 IP 地址信息。n当 DHCP 中继代理收到主机发送的发现报文后，就以单播方式向 DHCP 服务器转发此报文，并等待其回答。收到 DHCP 服务器回答的提供报文后，DHCP 中继代理再将此提供报文发回给主机。DHCP 中继代理以单播方式转发发现报文 主机DHCP服务器其他网络DHCP中继代理DHCPDISCOVERDHCPDISCOVER广播单播注意：DHCP 报文只
129、是 UDP 用户数据报中的数据。 租用期(lease period) nDHCP 服务器分配给 DHCP 客户的 IP 地址的临时的，因此 DHCP 客户只能在一段有限的时间内使用这个分配到的 IP 地址。DHCP 协议称这段时间为租用期。 n租用期的数值应由 DHCP 服务器自己决定。nDHCP 客户也可在自己发送的报文中（例如，发现报文）提出对租用期的要求。 DHCP 协议的工作过程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHC
130、PREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDPUDP服务器67UDP被动打开：DHCP 服务器被动打开 UDP 端口 67， 等待客户端发来的报文。DHCP 协议的工作过程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUD
131、P客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDPUDP服务器67UDP被动打开：DHCP 客户从 UDP 端口 68 发送 DHCP 发现报文。DHCP 协议的工作过程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDP
132、UDP服务器67UDP被动打开：凡收到 DHCP 发现报文的 DHCP 服务器 都发出 DHCP 提供报文，因此 DHCP 客户 可能收到多个 DHCP 提供报文。DHCP 协议的工作过程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDPUDP服务器67UDP被
133、动打开：DHCP 客户从几个 DHCP 服务器中选择 其中的一个，并向所选择的 DHCP 服务 器发送 DHCP 请求报文。DHCP 协议的工作过程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDPUDP服务器67UDP被动打开：被选择的 DHCP 服务器发送确
134、认报文 DHCPACK，进入已绑定状态，并可 开始使用得到的临时 IP 地址了。DHCP 协议的工作过程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDPUDP服务器67UDP被动打开DHCP 客户现在要根据服务器提供的租用期 T 设置两个计时器 T1 和 T2
135、，它们的超时时间分别是 0.5T 和 0.875T。当超时时间到就要请求更新租用期。DHCP 协议的工作过程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDPUDP服务器67UDP被动打开：租用期过了一半（T1 时间到），DHCP 发送 请求报文 DHCPREQ
136、UEST 要求更新租用期。 DHCP 协议的工作过程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDPUDP服务器67UDP被动打开：DHCP 服务器若同意，则发回确认报文 DHCPACK。DHCP 客户得到了新的租 用期，重新设置计时器。DHCP 协议的工作过
137、程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDPUDP服务器67UDP被动打开：DHCP 服务器若不同意，则发回否认报文 DHCPNACK。这时 DHCP 客户必须立即 停止使用原来的 IP 地址，而必须重新申 请 IP 地址（回到步骤）。DHCP 协议的工
138、作过程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDPUDP服务器67UDP被动打开若 DHCP服 务 器 不 响 应 步 骤 的 请 求 报 文DHCPREQUEST，则在租用期过了 87.5% 时，DHCP 客 户 必 须 重 新 发 送 请 求 报 文
139、DHCPREQUEST（重复步骤），然后又继续后面的步骤。 DHCP 协议的工作过程 客户DHCPDISCOVER服务器6768UDPUDP客户DHCPOFFER服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPREQUEST服务器6768UDPUDP客户DHCPNACK服务器6768UDPUDP客户DHCPACK服务器6768UDPUDP客户DHCPRELEASE服务器6768UDPUDP服务器67UDP被动打开：DHCP 客户可随时提前终止服务器所提供的 租用期，这时只需向 DHCP 服务器发送释 放报文
140、DHCPRELEASE 即可。8 下一代的网际协议 IPv6 (IPng)8.1 解决 IP 地址耗尽的措施n从计算机本身发展以及从因特网规模和网络传输速率来看，现在 IPv4 已很不适用。n最主要的问题就是 32 bit 的 IP 地址不够用。n要解决 IP 地址耗尽的问题的措施：n采用无类别编址 CIDR，使 IP 地址的分配更加合理。n采用网络地址转换 NAT方法以节省全球 IP 地址。n采用具有更大地址空间的新版本的 IP 协议 IPv6。 8.2 IPv6 的基本首部 nIPv6 所引进的主要变化如下n更大的地址空间。IPv6 将地址从 IPv4 的 32 bit 增大到了 128
141、bit， n扩展的地址层次结构。 n灵活的首部格式。 n改进的选项。 n允许协议继续扩充。 n支持即插即用（即自动配置） n支持资源的预分配。 IPv6 数据报的首部nIPv6 将首部长度变为固定的 40 字节，称为基本首部(base header)。n将不必要的功能取消了，首部的字段数减少到只有 8 个。n取消了首部的检验和字段，加快了路由器处理数据报的速度。n在基本首部的后面允许有零个或多个扩展首部。n所有的扩展首部和数据合起来叫做数据报的有效载荷(payload)或净负荷。 IPv6 数据报的一般形式 基本首部 扩展首部 1 扩展首部 N 数 据 部 分选项IPv6 数据报有效载荷IPv
142、6 数据报首部与 IPv4 数据报首部的对比04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识服 务 类 型总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）比特首部长度固 定部分20字节可变部分IPv4首部取消有变化上面是 IPv4 数据报的首部041631版 本比特目 的 地 址源 地 址下 一 个 首 部流 标 号12通 信 量 类（128 bit）（128 bit）有 效 载 荷 长 度跳 数 限 制24扩展首部 / 数据IPv6 的基本首部（40 B）IPv6 的有效载荷（至 64 KB）041631版 本比特目 的 地 址
143、源 地 址下 一 个 首 部流 标 号12通 信 量 类（128 bit）（128 bit）有 效 载 荷 长 度跳 数 限 制24扩展首部 / 数据IPv6 的基本首部（40 B）IPv6 的有效载荷（至 64 KB）041631版 本比特目 的 地 址源 地 址下 一 个 首 部流 标 号12通 信 量 类（128 bit）（128 bit）有 效 载 荷 长 度跳 数 限 制24IPv6的基本首部40 B版本(version) 4 bit。它指明了协议的版本，对 IPv6 该字段总是 6。 041631版 本比特目 的 地 址源 地 址下 一 个 首 部流 标 号12通 信 量 类（12
144、8 bit）（128 bit）有 效 载 荷 长 度跳 数 限 制24IPv6的基本首部40 B通信量类(traffic class) 8 bit。这是为了区分不同的 IPv6 数据报的类别或优先级。目前正在进行不同的通信量类性能的实验。 041631版 本比特目 的 地 址源 地 址下 一 个 首 部流 标 号12通 信 量 类（128 bit）（128 bit）有 效 载 荷 长 度跳 数 限 制24IPv6的基本首部40 B流标号(flow label) 20 bit。 “流”是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报， “流”所经过的路径上的路由器都保证指明的服务质量。所有属于同一
145、个流的数据报都具有同样的流标号。 041631版 本比特目 的 地 址源 地 址下 一 个 首 部流 标 号12通 信 量 类（128 bit）（128 bit）有 效 载 荷 长 度跳 数 限 制24IPv6的基本首部40 B有效载荷长度(payload length) 16 bit。它指明 IPv6 数据报除基本首部以外的字节数（所有扩展首部都算在有效载荷之内），其最大值是 64 KB。 041631版 本比特目 的 地 址源 地 址下 一 个 首 部流 标 号12通 信 量 类（128 bit）（128 bit）有 效 载 荷 长 度跳 数 限 制24IPv6的基本首部40 B下一个首部
146、(next header) 8 bit。它相当于 IPv4 的协议字段或可选字段。 041631版 本比特目 的 地 址源 地 址下 一 个 首 部流 标 号12通 信 量 类（128 bit）（128 bit）有 效 载 荷 长 度跳 数 限 制24IPv6的基本首部40 B跳数限制(hop limit) 8 bit。源站在数据报发出时即设定跳数限制。路由器在转发数据报时将跳数限制字段中的值减1。当跳数限制的值为零时，就要将此数据报丢弃。 041631版 本比特目 的 地 址源 地 址下 一 个 首 部流 标 号12通 信 量 类（128 bit）（128 bit）有 效 载 荷 长 度跳
147、数 限 制24IPv6的基本首部40 B源地址 128 bit。是数据报的发送站的 IP 地址。 041631版 本比特目 的 地 址源 地 址下 一 个 首 部流 标 号12通 信 量 类（128 bit）（128 bit）有 效 载 荷 长 度跳 数 限 制24IPv6的基本首部40 B目的地址 128 bit。是数据报的接收站的 IP 地址。 8.3 IPv6 的扩展首部1. 扩展首部及下一个首部字段 nIPv6 将原来 IPv4 首部中选项的功能都放在扩展首部中，并将扩展首部留给路径两端的源站和目的站的主机来处理。n数据报途中经过的路由器都不处理这些扩展首部（只有一个首部例外，即逐跳选
148、项扩展首部）。n这样就大大提高了路由器的处理效率。 六种扩展首部 在RFC 2460中定义了六种扩展首部：n逐跳选项n 路由选择n 分片n 鉴别n 封装安全有效载荷n 目的站选项 IPv6 的扩展首部 基本首部下一个首部= TCP/UDP基本首部下一个首部= 路由选择路由选择首部下一个首部= 分片分片首部下一个首部= TCP/UDPTCP/UDP 首部和数据 (TCP/UDP 报文段）有效载荷有效载荷TCP/UDP 首部和数据 (TCP/UDP 报文段）无扩展首部有扩展首部2. 扩展首部举例nIPv6 将分片限制为由源站来完成。源站可以采用保证的最小 MTU（1280字节），或者在发送数据前完
149、成路径最大传送单元发现(Path MTU Discovery)，以确定沿着该路径到目的站的最小 MTU。n分片扩展首部的格式如下： 0291631比特下 一 个 首 部片 偏 移8标 识 符保 留保 留 M扩展首部举例nIPv6 数据报的有效载荷长度为 3000 字节。下层的以太网的最大传送单元 MTU 是 1500 字节。n分成三个数据报片，两个 1400 字节长，最后一个是 200 字节长。 IPv6 基本首部分片首部 1第 一 个 分 片1400 字节IPv6 基本首部分片首部 2第 二 个 分 片1400 字节IPv6 基本首部分片首部 3第三个分片200 字节扩展首部用隧道技术来传送
150、长数据报 n当路径途中的路由器需要对数据报进行分片时，就创建一个全新的数据报，然后将这个新的数据报分片，并在各个数据报片中插入扩展首部和新的基本首部。n路由器将每个数据报片发送给最终的目的站，而在目的站将收到的各个数据报片收集起来，组装成原来的数据报，再从中抽取出数据部分。 用隧道技术将一个 IPv6 数据报分成 3 个数据报片 基本首部有 效 载 荷F1F2F3 新的基本首部F1 分片 1扩展首部 新的基本首部F3 分片 3扩展首部 新的基本首部 分片 2扩展首部F28.4 IPv6 的地址空间1. 128 bit 的地址空间 IPv6 数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一：(1)
151、 单播(unicast) 单播就是传统的点对点通信。(2) 多播(multicast) 多播是一点对多点的通信。(3) 任播(anycast) 这是 IPv6 增加的一种类型。任播的目的站是一组计算机，但数据报在交付时只交付给其中的一个，通常是距离最近的一个。 结点与接口nIPv6 将实现 IPv6 的主机和路由器均称为结点。nIPv6 地址是分配给结点上面的接口。n一个接口可以有多个单播地址。n一个结点接口的单播地址可用来惟一地标志该结点。 冒号十六进制记法(colon hexadecimal notation) n每个 16 bit 的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。68E6:8C
152、64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFFn零压缩(zero compression)，即一连串连续的零可以为一对冒号所取代。 nFF05:0:0:0:0:0:0:B3 可以写成：nFF05:B3 点分十进制记法的后缀 n0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 再使用零压缩即可得出： :128.10.2.1nCIDR 的斜线表示法仍然可用。n60 bit的前缀 12AB00000000CD3 可记为： 12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60或12AB:CD30:0:0:0:0/60或12AB:0:0:CD30:/60 2. 地
153、址空间的分配nIPv6 将 128 bit 地址空间分为两大部分。n第一部分是可变长度的类型前缀，它定义了地址的目的。n第二部分是地址的其余部分，其长度也是可变的。 类型前缀地址的其他部分长度可变长度可变128 bit前缀为 0000 0000 的地址 n前缀为 0000 0000 是保留一小部分地址与 IPv4 兼容的，这是因为必须要考虑到在比较长的时期 IPv 4和 IPv6 将会同时存在，而有的结点不支持 IPv6。n因此数据报在这两类结点之间转发时，就必须进行地址的转换。 IPv4 兼容的 IPv6 地址 0000.0000 0000 IPv4 地址IPv4 映射的 IPv6 地址 0
154、000.0000 FFFF IPv4 地址80 16 32比特数IPv6 单播地址的等级结构 IPv6 扩展了地址的分级概念，使用以下三个等级：(1) 第一级（顶级），指明全球都知道的公共拓扑。(2) 第二级（地点级），指明单个的地点。(3) 第三级，指明单个的网络接口。3 13 8 24 16 64P保留TLA标识符接口标识符NLA标识符SLA标识符顶级第三级地点级比特数第三级地址 nIPv6 地址的最低的第三级对应于计算机和网络的单个接口。nIPv6 地址的后缀有 64 bi t之多，它足够大，因而可以将各种接口的硬件地址直接进行编码。nIPv6 使用邻站发现协议使结点能够确定哪些计算机是
155、和它相邻接的。3 13 8 24 16 64P保留TLA标识符接口标识符NLA标识符SLA标识符顶级第三级地点级比特数EUI-64 nIEEE定 义了一个标准的 64 bit 全球惟一地址格式 EUI-64。nEUI-64 的前三个字节（24 bit）仍为公司标识符，但后面的扩展标识符是五个字节（40 bit）。n较为复杂的是当需要将 48 bit 的以太网硬件地址转换为 IPv6 地址。 0xFFFE将以太网地址转换为 IPv6 地址 低位 24 bitcccccc1gcccccccccccccccc 1111111111111110cccccc0gcccccccccccccccc比特 0
156、8 24 47比特 0 8 24 40 63IEEE 802 地址接口标识符低位 24 bitI/G 比特G/L 比特G/L 比特置 1第二级地址nIPv6 地址中间的第二级对应于在一个地点的一组计算机和网络，它们通常是相距较近的且都归一个单位来管理。nSLA 级表示 Site Level Aggregation，即地点级聚合，它和 IPv4 中的子网字段相似。 3 13 8 24 16 64P保留TLA标识符接口标识符NLA标识符SLA标识符顶级第三级地点级比特数第一级地址（有四个字段 ）(1) P字段 3 bit，即格式前缀。(2) 顶级聚合标识符 TLA ID13 bit，指派给ISP
157、或拥有这些地址的汇接点(exchange)。(3) 保留字段 8 bit。(4) 下一级聚合标识符 NLA ID 16 bit。指派给一个特定的用户。3 13 8 24 16 64P保留TLA标识符接口标识符NLA标识符SLA标识符顶级第三级地点级比特数8.5 从 IPv4 向 IPv6 过渡 n向 IPv6 过渡只能采用逐步演进的办法，同时，还必须使新安装的 IPv6 系统能够向后兼容。nIPv6 系统必须能够接收和转发 IPv4 分组，并且能够为 IPv4 分组选择路由。n双协议栈(dual stack)是指在完全过渡到 IPv6 之前，使一部分主机（或路由器）装有两个协议栈，一个 IPv
158、4 和一个 IPv6。 双协议栈 IPv6数据链路层物理层数据链路层物理层IPv6IPv4/IPv6 双协议栈IPv4IPv4IPv6TCP 或 UDP应用层TCP 或 UDP应用层TCP 或 UDP应用层数据链路层物理层IPv4和 IPv4 通信和 IPv6 通信用双协议栈进行从 IPv4 到 IPv6 的过渡 双协议栈IPv6/IPv4IPv6IPv6IPv4 网络ABCDEF流标号：X源地址：A目的地址：F 数据部分流标号：无源地址：A目的地址：F 数据部分双协议栈IPv6/IPv4IPv6 数据报IPv6 数据报源地址：A目的地址：F数据部分源地址：A目的地址：F数据部分IPv4 数据
159、报IPv4 网络IPv6IPv6ABCDEFIPv4 数据报IPv4 数据报IPv4网络 IPv6IPv6ABEF隧道源地址：B目的地址：EIPv6数据报双协议栈IPv6/IPv4双协议栈IPv6/IPv4双协议栈IPv6/IPv4双协议栈IPv6/IPv4IPv4 网络流标号：X源地址：A目的地址：F 数据部分IPv6 数据报流标号：X源地址：A目的地址：F 数据部分IPv6 数据报源地址：B目的地址：EIPv6数据报使用隧道技术从 IPv4 到 IPv6 过渡 课堂练习n试将以下的IPV6地址用零压缩文法写成简洁形式：n0000:0000:0F53:6328:AB00:67DB:BB27:7332n0000:0000:0000:0000:1245:0000:BB12:ABCDn0000:0000:0000:AF36:7328:123B:0BB0:4568n2894:00AF:0000:0000:0000:0035:0CB2:B271
