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1、第9章 Internet 网络层,互联网基本概念IP 地址IPv4 和 IP 数据报路由协议新一代 IP IPv6,互联网基本概念,Internet，互联网，internet 概念这里，Internet或互联网都是指：用路由器连接多个物理网络而成；主机采用统一编排的地址 IP 地址；是与物理网络地址无关的编址方案，是软件产生的逻辑地址。统一编址是以一个单一系统出现的互联网抽象的关键。统一的协议TCP/IP。,互联网基本概念互联网例,以太网,以太网,令牌,环,FDDI,环,以太网,以太网,ATM网,路由器,PPP/TDM,互联网的基本概念IP层在TCP/IP协议栈中的位置,应用层协议,传输层协议
2、,网卡驱动程序,ARP,IP,ICMP,IP 地址,IP 地址唯一确定结点在互联网上的位置。32位 IP 地址的点分十进制表示：10100110 01101111 00000001 00000110表示为：166.111.1.6IP 地址类型子网编址和屏蔽码IP 地址和物理地址的动态转换,IP地址类型,0,网络号(7),10,主机地址(24位),网络号(14位),主机地址(16位),110,主机地址(8),网络号(21位),1110,多播地址,1111,保留,A类,B类,C类,D类,E类,0,8,16,31,24,IP地址类型网络号,A，B，C三类可以适应不同大小的物理网络。网络号标识互联网中
3、一个物理网络，网络号必须遵循的准则：网络号必须唯一。若在 Internet上，网络号必须对 Internet 唯一。网络号不能是127，127.x.y.z 保留给回绕(loopback)地址，自己连自己测试用。网络号不能为 0，网络号 0 解释为本网，网络号为 0的主机地址解释为本网的主机。,IP地址类型网络号(续),IP地址类型主机地址,主机地址标识某物理网络上一台主机或路由器端口。主机地址必须遵循的准则：主机地址对于给定的网络号必须唯一。主机地址不能全 1，主机地址全 1 被解释为广播地址，在网络号所指的网络上广播。主机地址不能全 0，主机地址全 0 被解释为标识一个网络。,IP地址类型主
4、机地址(续),私用网络的IP地址,Internet的IANA在RFC1918中建议了三块IP地址为私用互联网预留，它们是10/8，172.16/12 和192.168/16，即1个A类网，16个连续的B类网(172.16172.31)，256个连续的C类网()。决定内部使用这些IP地址的机构可以不必与 IANA或APNIC，RIPE，ARIN等协调，所以这些地址可以被许多独立机构同时在内部使用。如果这些机构以后决定要与Internet通信，则要重新编址或在边界路由器使用网络地址转换NAT。,子网编址和屏蔽码(掩码)包含子网地址的 B类 IP地址,10,网络号,主机地址,子网地址,0,16,31
5、,子网编址和屏蔽码默认的屏蔽码,子网编址和屏蔽码高4位用作子网地址的屏蔽码,IP地址和物理地址的动态转换需求,主机要在物理网络上通信，最终必须依靠物理地址。以太网接口卡只基于48位物理地址发帧和收帧。在一个以太网上，主机把帧传递给路由器，或者路由器把帧传递给主机，都必须有目标的物理地址。从目标的 IP 地址如何知道它的物理地址？通过地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)动态转换。转换必须动态，为什么？,IP地址和物理地址的动态转换,A,B,谢谢!,是我!是我!物理地址09000.,ARP 缓存表090001666026081668,IP地址和物理地址的动态
6、转换原理,在同一物理网络内，当A想把B的IP地址转换成B 的物理地址时：A在本网广播ARP请求报文，内含B的IP地址；B收到此报文后发回一个ARP 响应报文，内含自己的物理地址。A收到应答后便知道B的物理地址。然后B的IP地址和物理地址映射项保存在A的快速缓存表。在广播ARP请求前先查ARP快速缓存表，若已查到IP-物理地址映射项，就不再广播。,IP地址和物理地址的动态转换ARP报文格式,硬件地址长度,协议地址长度,操作(1=请求，2=响应),协议类型(0800表示IP),硬件类型(1表示以太网),发送者硬件地址(字节03),发送者硬件地址(字节45),发送者协议地址(字节01),发送者协议地
7、址(字节23),目标硬件地址(字节01),目标硬件地址(字节25),目标协议地址,0,16,31位,IPv4 和 IP 数据报,无连接数据报传递服务IP 数据报格式IP 数据报的分段和重组IP 数据报的路由和转发IP 数据报差错报告,无连接数据报传递服务,网络1,R1,源主机,网络2,R2,网络3,目标主机,R3,网络4,IP数据报,IP数据报,帧头1,IP数据报,IP数据报,帧头2,IP数据报,IP数据报,帧头3,IP数据报,无连接数据报传递服务(续),IP只要求物理网络提供最基本的功能：传输包。IP数据报的传递是互相独立的；(OSI 模型中X.25是有连接的，后来才增加无连接服务。)收到数
8、据报时不发确认；对IP数据报的损坏、丢失、错序、重复 听之任之。确定数据报的路由。数据报的分段和重组。尽力而为(best effort)，不保证可靠。,IP数据报格式,版本,报头长,服务类型,总长度,标识,DF,MF,分段位移,生存时间TTL,协议号,报头校验和,源 IP地址,目标 IP地址,可选项填充,数据,0,16,31,IP数据报格式(续),绝大多数IP数据报包含20字节的报头：版本(4位)：IP协议版本，当前为4。报头长(4位)：本数据报头的字数，每字4字节，范围是515，5即20字节，15即60字节，所以选项最多占40字节服务类型(8位)(type of service)：本数据报的
9、服务质量参数，当前未实现，设置为0。总长度(16位)：数据报最大长度为65535字节。,IP数据报格式(续),标识(16位)：数据报编号，当路由器将本数据报分段时，此标识拷贝到每个段的IP报头。在分段重组时它用来确定该分段属于哪个数据报。DF(Dont Fragment)(1位)：DF=1禁止本报分段。MF(More Fragment)(1位)：MF=1表示后面还有本报的分段，MF=0表示是最后一个分段。分段位移：分段位移8指出本分段在原数据报中从第几字节开始。除最后一段外，其余分段的长度是8字节的倍数。这些字段是与分段和重组有关的。,IP数据报格式(续),生存时间TTL：指明数据报在互联网上
10、逗留的最大时间。标准按秒计，实际上按跳数计。数据报每经过一个路由器，TTL减1，当TTL0 时数据报被丢弃。防止无法投递的报无限传递。协议号(8位)：指明上一层协议，6表示上层是TCP，17表示上层是UDP。报头校验和(16位)：通过路由器时TTL减1，校验和要重新计算。IPv6无校验和，.源IP地址(32位)：数据报源主机的IP地址。目标IP地址(32位)：数据报目标主机的IP地址。,IP数据报的分段和重组,物理网络一般限制通过包的最大长度，如以太网允许最大帧长1518字节。若物理网络允许的包长小于IP数据报长，路由器的IP层要将该报分段成多个IP报转发。分段后的数据报在被发送过程中还可以再
11、分段。由目标主机的IP层对分段报进行一次重组，IP不区分经一次或多次分段的报。,IP数据报的路由和转发,主机和路由器如何为IP数据报确定路径：源主机和目标主机位于同一物理网络：数据报在物理网络内传递。比如以太网，源主机将目标主机IP地址转换成物理地址,把数据报封装在以太网帧中直接发送。源主机和目标主机位于不同物理网络：数据报经路由器转发。路由器通过路由表决定数据报的下一站。源主机如何确定该发往哪个路由器？主机也有一张路由表，并配置默认网关。,IP数据报的路由和转发(续),网,网,网,网,R3,R1,R2,IP数据报的路由和转发(续)路由器R3的路由表,*项是默认路由项，或叫默认网关(defau
12、lt gateway),IP数据报差错报告,互联网控制报文协议 ICMP(Internet Control Message Protocol)就是 IP 数据报差错报告机制，ICMP 报文封装在 IP 数据报中发送。ICMP差错报文：ICMP信息报文：目标不可达 回答请求/回答响应数据报超时(ping 用它测主机可达性)数据报参数问题 时间戳/时间戳响应报源减速 地址屏蔽码请求/响应重定向,路由协议,路由器的核心是网络层，包括 IP、ICMP、ARP，还有一个或多个路由协议。由于路由协议需要传输层协议支持，实际路由器还包括高层模块，还有网管模块。路由器功能和路由协议分类内部路由协议OSPFv2
13、外部路由协议BGP-4无类别域间路由CIDR,路由器功能,互联网中路由器的传统功能：交换路由信息：与其它路由器交换网络拓扑和网段时延等信息；执行路由算法：基于路由信息计算、更新路由表，为数据报决定路由。Internet是由许多自治系统 AS互联而成，所谓自治系统是由单一机构管理、操作下的路由器连接的互联网。,路由协议分类,Internet的路由协议分两类：内部路由协议或内部网关协议IGP自治系统内部路由器交换路由信息的协议：RIP(Routing Information Protocol)，DV类。IS-IS，OSPF(Open Shortest Path First)，LS类。外部路由协议或
14、外部网关协议EGP 不同自治系统的路由器交换路由信息的协议：BGP(Border Gateway Protocol),内部路由协议OSPF原理,是链路状态路由协议每个路由器都有本链路状态信息，即它直接连接的路由器和网络，及到它们的“距离”。周期地将本链路状态扩散(flooding)到所有结点。所有的链路状态合在一起就是自治系统的拓扑数据库，每个路由器维持这个拓扑数据库。每个路由器根据这个拓扑数据库构造一个以自身为根的最短路径树，从最短路径树生成它的路由表。,内部路由协议OSPF自治系统例子,N1,N2,R1,R2,N3,R3,N4,R4,R6,R5,R7,R10,N8,R11,N9,R9,N1
15、1,R12,N10,N6,R8,N7,3,3,1,1,1,1,2,8,6,8,6,7,5,8,8,7,8,8,6,6,1,1,1,3,2,4,1,2,9,1,2,1,3,N12,N13,N14,N12,N15,内部路由协议OSPFR6的最短路径树,N1,N2,R1,R2,N3,R3,N4,R4,R6,R5,R7,R10,N8,R11,N9,R9,N11,R12,N10,N6,R8,N7,3,3,1,2,6,6,7,8,8,8,1,3,4,1,2,9,2,3,N12,N13,N14,N12,N15,内部路由协议OSPF自治系统分区,N1,N2,R1,R2,N3,R3,N4,R4,R6,R5,R7
16、,R10,N8,R11,N9,R9,N11,R12,N10,N6,R8,N7,3,3,1,1,1,1,2,8,6,8,6,7,5,8,8,7,8,8,6,6,1,1,1,3,2,4,1,2,9,1,2,1,3,N12,N13,N14,N12,N15,内部路由协议OSPF自治系统分区,Internet中有的自治系统很大，难管理，可分成若干区。区和区的网络不重迭，每个区有自己的拓扑数据库，拓扑细节在区外不可见。每个自治系统有一个主干区，编号0，主干区包括不在任一区的网，和它们相连的路由器，和属于多个区的路由器。,外部路由协议BGP,网络,网络,R2,R3,网络,R1,网络,网络,R5,R6,网络,
17、R7,AS1,AS2,外部路由协议BGP(续),路由器R1属于自治系统AS1，路由器R5属于 AS2。R1和R5都实现外部路由协议BGP交换路由表，它们也分别实现各自的自治系统内部路由协议，如OSPF。BGP基本上是距离向量路由算法，所不同的是它把到达某网络选择的整个路径告诉邻居，而不只是下一站。路径信息AS_PATH中有所穿越的自治系统网络编号，利用AS_PATH可进行环路检测，克服了“计数到无限”的问题。,外部路由协议BGP(续),BGP的主要功能：建立、维护邻居关系建立和维护可达网络数据库-可达的网络-到达该网络的路径支持策略路由是改进的距离向量路由算法.,BGP的4种报文：open：请
18、求邻居关系keepalive：同意建立或确认邻居关系update：传送所选路径信息(该路径可达网络的网络号列表,AS_PATH)，或撤消路径信息notification:错误信息,无类别域间路由CIDR,随着Internet的指数式爆炸增长，它将很快用完200多万个网络号。IP地址分成A、B、C三类，对大部分机构来说分配一个A类或B类网都太大，许多IP地址就这样浪费了！到1996年80%的A类地址，50%的B类地址，10%的C类地址已分配。BGP路由器的路由表项指数式增长。1992年1月NSFNET主干网路由器的路由表约4700项,此数从1988到1991每10月翻一番。,无类别域间路由CID
19、R(续),1993年Fuller等提出一种IP地址的分配和路由信息集成的策略：无类别域间路由，即取消分类：将200万个C类网切成大小可变的连续块来分配；地址分配要便于路由信息的集成。例如，分配217个连续的C类网，即225个IP地址：选194.0.0.0195.255.255.255(C2 00 00 00C3 FF FF FF)，采用屏蔽码254.0.0.0(FE 00 00 00)，它们的路由信息可集成为一项，即194.0.0.0。,无类别域间路由CIDR(续),无类别域间路由CIDR(续),每个区分配了217=131072个连续的C类网，即225(约3200万)IP地址。采用屏蔽码254
20、.0.0.0(FE000000)，每块的225个地址的前缀都与第一个地址相同。这样路由表项可以集成。这四块地址的起始地址都是225的倍数，屏蔽码是7个高位为1，25个低位为0的值。,无类别域间路由CIDR(续),同样的想法也用于各个区的地址分配。例：单位甲需2000个IP地址，分配2112048个地址，例如分配。单位乙需4000个IP地址，分配2124096个地址，例如分配。丙、丁各需1000个IP地址，分配2101024个地址，例如分配，。,无类别域间路由CIDR(续),采用CIDR策略，分配地址的原则：为用户分配一块连续的地址空间，包含2n个IP地址；这块地址的起始地址必须是2n的倍数；屏
21、蔽码的低 n位为 0，(32n)个高位为 1。起始地址和屏蔽码构成一集成路由表项。无类别就是放弃原A、B、C分类规则。特别当n=24、16、8时即对应原A、B、C类。,无类别域间路由CIDR(续),CIDR缓解了路由表项快速增长问题，普遍认为CIDR可延长 IPv4 的寿命到约 2008 年。BGP-4提供对CIDR的支持。在1998年 IPv4 的主干网路由器约包含 5万 个路由表项，到2001 年已超过10万个表项。虽然因采用 CIDR 增长速度已放慢，但.。长期目标是采用新一代IP协议IPv6。,新一代IPIPv6,IPv4的问题：32位约43亿个地址，大大少于全球人口数(60亿)，将于
22、2008年用完；骨干网路由表信息爆炸。IPv6的主要设计特点IPv6基本头格式IPv6地址IPv6可选项全球的IPv6试验网,IPv6的主要设计特点,保留IPv4无连接,“尽力而为”数据报传递特征。扩展的地址空间和编址功能：IPv6支持的地址数是IPv4的40亿40亿40亿倍！128位地址采用层次结构，地球每平方米的地址数保守估计1564，乐观估计3911016。精简的基本报头格式(8字段)，简化了报头处理。支持服务质量控制：通信流等级(traffic class)将IP包分为不同的服务类别。流标号(flow label)可为特定的IP包流申请资源和优先级。可选项支持身份认证和数据加密。,IP
23、v6的主要设计特点(续),基本头和扩展头编码方式改进了性能，增加了扩展的灵活性,基本头,扩展头1,扩展头N,传输层包,40字节,可选,.,IPv6基本头格式,版本,通信流等级,流标号,负载长度,后续头部,跳数限制,源地址(128位),目标地址(128位),0,31,IPv6基本头格式(续),版本(version)：6。通信流等级(traffic class)：用于服务质量控制。流标号(flow label)：路由器对流中报同样处理。负载长度(payload length)：除基本头外负载字节数。后续头部(next header)：标识基本头后头部类型。跳数限制(hop limit)：数据源设定
24、,经路由器减1。源地址(source address)：数据报源地址。目标地址(destination address)：数据报目标地址。,IPv6基本头格式与IPv4比较,IPv4报头中有报头长度，IPv6基本头定长。IPv4报头中有报头校验和，IPv6没有。Paxson经统计发现：通过链路层CRC校验的包约0.02%有校验和错误。Stone等收集了约22亿个包，其中约48万个包有IP、UDP或TCP校验和错误。1278个包IP校验和错。IPv6的路由器不对数据报分段，IPv6的可选项在扩展报头，路由器一般不需要处理可选项。,IPv6地址,有三类IP地址：单播、任播、多播地址地址的冒分十六进
25、制表示可集成的全局单播地址局部使用(local use)的单播地址嵌入IPv4地址的IPv6地址任播地址多播地址,地址的冒分十六进制表示,将128位地址分成8段，每段16位用十六进制数表示，段之间用冒号“：”隔开。例2080:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF,FF01:0000:0000:1234:89AB:0000:0000:0000一或多个连续的全0可用“:”代替,但“:”在一个地址中只能出现一次,各段数字开始的0可省略。如FF01:0:0:1234:89AB:地址前缀用“IPv6地址/前缀位数”表示，前缀位数是十进制数。例如：3FFE:3200:/24
26、。:1是回绕地址(loopback),用于自己给自己发送。,可集成的全局单播地址(aggregatable global unicast address),格式前缀FP(Format Prefix)：为001。顶级集成标识(Top-Level Aggregation ID)：指定Internet顶级机构，即服务提供者网络号。下一级集成标识(Next-Level Aggregation ID)：由TLA ID指定的服务提供者用于区分它的用户网络号,FP,TLA ID,RES,NLA ID,SLA ID,interface ID,3,13,8,24,16,64,可集成的全局单播地址(续),场所级集
27、成标识(Site-Level Aggregation ID)：用户用来构建用户网络的编址层次，标识用户网络内的特定子网。每个场所可有65536子网。接口标识(interface ID)：用于标识链路接口，一般是数据链路层地址，如48位以太网地址。保留(REServed)：留给将来使用。对于每个Internet服务提供者的网络号TLA ID，Internet的主干路由器必须有一表项与之对应。保留的8位是为TLA ID和/或NLA ID扩展预留。,局部使用的单播地址,1111 1110 10,0,接口标识,1111 1110 11,0,子网标识,接口标识,10,54,64(位),本链路使用(lin
28、k-local-use)的单播地址格式,10,38,16,64(位),本场所使用(site-local-use)的单播地址格式,局部使用的单播地址(续),若源/目标地址为本链路使用的地址，则数据报只转发到该单一链路，如中继器或网桥连接的以太网链路，不转发到其它链路。若源/目标地址为本场所使用的地址，则路由器不把数据报转发到场所以外。一个场所可以是由路由器连接的多个以太网链路。局部使用的地址无需申请地址前缀，若要连到Internet，可加全局前缀自动重编址。,嵌入IPv4地址的IPv6地址,IPv4向IPv6的过渡：在过渡时期IPv4地址和IPv6地址必须共存。过渡期有的结点实现双IP协议栈，同
29、时支持IPv4和IPv6，被称为 IPv6/IPv4结点。采用“隧道(tunnel)技术”：在IPv4路由拓扑的基础上将IPv6数据报外加IPv4报头转发，即封装IPv4报头。隧道可以是源到目标路径的一段,开始和结束端是IPv6/IPv4结点。,嵌入IPv4地址的IPv6地址(续),实施隧道技术的IPv6/IPv4结点被指定特殊的IPv6单播地址，称为“与IPv4兼容的IPv6地址(IPv4-compatible IPv6 address)”。隧道端结点的IPv4地址可从这种IPv6地址自动导出。,000000,0000,IPv4地址,80,16,32 位,嵌入IPv4地址的IPv6地址(续)
30、,“映射IPv4的IPv6地址(IPv4-mapped IPv6 address)”用来表示只实现IPv4不支持IPv6的结点。在IPv4和IPv6混合网中，上述地址可用冒分十六进制和点分十进制结合的形式表示为：x:x:x:x:x:x:d.d.d.d，,000000,FFFF,IPv4地址,80,16,32(位),任播地址,任播地址是从单播地址空间分配的，当一个单播地址被分配给一个以上接口时就变成任播地址。任播地址不能用作源地址；不能指定给主机，只能指定给路由器。发送到任播地址的数据报被送到“最近”的结点。任播地址可表示连到特定子网的一组路由器，或属于一个机构的一组路由器。,多播地址,标记(f
31、lag)：T=0表示永久性的周知(well-known)多播地址；T=1表示暂时指定的多播地址。范围(scope)：限制多播组的范围，1=本结点(node-local)范围；2=本链路(link-local)范围；5=本场所(site-local)范围；8=本机构范围；14=全局范围(global scope)。例FF02:2,FF05:2。,1111 1111,标记,范围,组标识,000T,8,4,4,112(位),IPv6地址前缀的初始分配,IPv6可选项,IPv6的可选项放在扩展头。定义了6种选项：逐跳选项(hop-by-hop options)：给路由器信息；路由选项(routing
32、options)：部分/全部路由信息；分段选项(fragment options)：管理数据报分段；目标选项(destination options)：给目标的信息；身份认证(authentication)：为数据报提供发送主机身份认证和数据完整性校验；载荷安全封装(encapsulating security payload)：为数据报提供加密,也包括发送主机身份认证。,全球的IPv6试验网,1996年创建的 6bone 是全球的IPv6试验网。6bone 使用地址前缀 3FFE:/16。它为注册者分配一个24位地址前缀，称为 pTLA(pseudo TLA)。CERNET分配到3FFE:3200:/24。6bone 通过封装 IPv4 报头来传递 IPv6 数据报。IPv6的前景?!从IPv4平滑过渡到IPv6十分重要，但过渡到 IPv6 耗资巨大！美国拥有的IPv4地址占全世界的74%，日、韩和欧洲较积极。,
