网络层与IP协议.ppt

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1、第四章 网络层与IP协议,主要内容,网络层概述网络层的功能和提供的服务虚电路和数据报网络转发（forwarding）路由器工作原理IP协议路由（Routing）选路算法因特网中的选路广播和多播选路,本章重点,虚拟互连网络的概念IP 地址与物理地址的关系传统的分类的 IP 地址（包括子网掩码）和无分类域间路由选择 CIDR路由选择协议的工作原理,1、网络层的功能和重要概念,1.1 虚拟互连网络,遇到的问题：不同的寻址方案不同的最大分组长度不同的网络接入机制不同的超时控制不同的差错恢复方法不同的状态报告方法不同的路由选择技术不同的用户接入控制不同的服务（面向连接服务和无连接服务）不同的管理与控制方

2、式,互连网络,虚拟互连网络,也称逻辑互连网络利用 IP 协议就使性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络，简称为 IP 网。好处：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，屏蔽互连的各具体的异构网络细节。,网络互相连接起来要使用一些中间设备,中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。物理层中继系统：转发器(repeater)。数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)网络层中继系统：路由器(router)。网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。网络层以上的中继系统：网关(gateway)。,网络互连使用路由器,当中继系统是转发器或网桥时，一般并不称之为

3、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。网关由于比较复杂，目前使用得较少。互联网都是指用路由器进行互连的网络。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。,1.2 尽最大努力交付,网络层提供的服务有两大类：虚电路服务：面向连接的网络服务数据报服务：无连接的网络服务,虚电路服务来源于传统的电信网,虚电路服务,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1 要和 H5 通信,数据报服务,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,路径可能变化,成

4、本问题,电信网络,分组交换网,计算机通信实际上是计算机中的进程与另一个计算机中的进程之间的通信。,要使 P1 P2 的通信是可靠的，必须使上面三个阶段的数据传送都是可靠的。,因特网只提供尽最大努力交付,网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。网络层不提供服务质量的承诺。,因特网采用的设计思路,网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组传

5、送的时限。,尽最大努力交付的好处,由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务，这就使网络中的路由器可以做得比较简单，而且价格低廉。如果主机（即端系统）中的进程之间的通信需要是可靠的，那么就由网络的主机中的运输层负责（包括差错处理、流量控制等）。采用这种设计思路的好处是：网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用。,虚电路服务与数据报服务的对比,1.3 网络层的功能,在端系统之间传递分组在发送端将分组打包为数据报，在接收端分解在所有端系统、路由器中都存在IP协议路由器的主要作用是将数据从入链路转发到出链路。,网络层的关键功能,转发:在路由器中将分组从入口分到合适的出口。选路:当分组从发送方流

6、向接收方时.网络层决定这些分组的路由和路径。,转发和路由的关系,1.4 路由器的结构,路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。也就是说，将路由器某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地（即目的网络），把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。下一跳路由器也按照这种方法处理分组，直到该分组到达终点为止。,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,1,1,1,3,3,1,2,2,2,2,3网络层2数据链路层1物理层,“转发”和“路由选择

7、”的区别,“转发”(forwarding)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。“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。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。,输入端口,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。将产生一定的时延。,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,当交换结构传送过来的分组先进行缓存。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

8、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,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。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。,2、IP地址,2.1 IP 地址的概念,整个因特网被看成为一个单一的、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唯一的 32 位的标识符。IP 地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN(Internet Corporation

9、 for Assigned Names and Numbers)进行分配,IP 地址的编址方法,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。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。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。,2.2 分类的IP 地址,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）。,IP 地址:=,:=代表“定义为”,net-id24

10、位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 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 1,0,1,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 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 1,0,1

11、,A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 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 1,0,1,B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类

12、地址,0,1,1,D 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 1,0,1,C 类地址的网络号字段 net-id 为 3 字节,net-id24 bit,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 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 1,0,1,A 类地址的主机号字段 host-id 为 3 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-

13、id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 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 1,0,1,B 类地址的主机号字段 host-id 为 2 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1

14、1 1 1,0,1,C 类地址的主机号字段 host-id 为 1 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 bit,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 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 1,0,1,D 类地址是多播地址,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 bit,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地

15、址,0,1,1,D 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 1,0,1,E 类地址保留为今后使用,点分十进制记法,采用点分十进制记法则进一步提高可读性,128.11.3.31,128 11 3 31,将每 8 位的二进制数转换为十进制数,常用的三种类别的 IP 地址,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 16,383(214 1)128.1 191.255 65,534 C 2,097,151(221 1)192.0.1

16、 223.255.255 254,2）IP 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：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行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。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。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-i

17、d 必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomed host)。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 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,B,222.1.1.,R1,222.1.2.,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.

18、,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,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,B,222.1.1.,R1,222.1.2.,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,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,B,222.1.1.,R1,222.1.2.,R3,R2,222.

19、1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,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,B,222.1.1.,R1,222.1.2.,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,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,B,222.1.1

20、.,R1,222.1.2.,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,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,B,222.1.1.,R1,222.1.2.,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,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,B

21、,222.1.1.,R1,222.1.2.,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,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,B,222.1.1.,R1,222.1.2.,R3,R2,222.1.3.,LAN3,N3,N2,222.1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,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

22、一段线路的特殊“网络”。现在常不指明 IP 地址。,2.3 子网,从两级 IP 地址到三级 IP 地址 在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计不够合理。IP 地址空间的利用率有时很低。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。两级的 IP 地址不够灵活。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。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。,2.3.1 划分子网的基本思路,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。从主机号借用若干个位

23、作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位。,IP地址:=,划分子网的基本思路（续）,凡是从其他网络发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。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。最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。,所有到网络 的分组均到达此路由器,我的网络地址是,R1,R3,R2,一个未划分子网的 B 类网络,划分为三个子网后对外仍是一个网络,子网,子网,子网,所有到达网络 的分组均到达此路由器,

24、网络,R1,R3,R2,2.3.2 子网掩码,从一个 IP 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划分。使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分。,IP 地址的各字段和子网掩码,145.13.,3.10,两级 IP 地址,子网号为 3 的网络的网络号,三级 IP 地址,主机号,子网掩码,net-id,host-id,子网的网络地址,0,net-id,subnet-id,host-id,145.13.,145.13.3,3.10,(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

25、号,三级 IP 地址,主机号,子网号,子网掩码,子网的网络地址,net-id,subnet-id,0,逐位进行 AND 运算,1 1 1 1 1 1 1 1 1 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 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 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 0 0 0 0 0 0 0 0 0,net-id,net-id,host-id 为全 0,net-id,网络地址,A类地址,默

26、认子网掩码,网络地址,B类地址,默认子网掩码,网络地址,C类地址,默认子网掩码,host-id 为全 0,host-id 为全 0,默认的子网掩码,子网掩码是一个重要属性,路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器。路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码。若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码。,141.14.0 1 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0,【例】已知 IP 地址是，子网掩码是。试求网

27、络地址。,(a)点分十进制表示的 IP 地址,(c)子网掩码是,0 0 0 0 0 0 0 0,141.14.,72.24,141.14.,64.0,.0,0 1 0 0 1 0 0 0,141.14.,.24,(b)IP 地址的第 3 字节是二进制,(d)IP 地址与子网掩码逐位相与,(e)网络地址（点分十进制表示）,141.14.0 1 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0,【例】在上例中，若子网掩码改为。试求网络地址，讨论所得结果。,(a)点分十进制表示的 IP 地址,(c)子网掩码是,0 0 0 0 0

28、0 0 0,141.14.,72.24,141.14.,64.0,.0,0 1 0 0 1 0 0 0,141.14.,.24,(b)IP 地址的第 3 字节是二进制,(d)IP 地址与子网掩码逐位相与,(e)网络地址（点分十进制表示）,不同的子网掩码得出相同的网络地址。但不同的掩码的效果是不同的。,2.4 无分类编址 CIDR,B 类地址在 1992 年已分配了近一半，1994 年 3 月全部分配完毕！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）。整个 IPv4 的地址空间最终将全部耗尽。1987 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

29、网掩码。使用变长子网掩码 VLSM(Variable Length Subnet Mask)可进一步提高 IP 地址资源的利用率。在 VLSM 的基础上又进一步研究出无分类编址方法，正式名字是无分类域间路由选择 CIDR(Classless Inter-Domain Routing)。,2.4.1 CIDR 的特点,CIDR 消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念。CIDR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。,IP地址:=,“斜线记法”和地址块,“斜线记法”(slash notation)又称为CIDR记法。网络前缀

30、都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块”表示的地址块共有 212 个地址（因为斜线后面的 20 是网络前缀的位数，所以这个地址的主机号是 12 位）。简称为“/20 地址块”地址块的最小地址：地址块的最大地址：全 0 和全 1 的主机号地址一般不使用。,表示的地址（212 个地址）,10000000 00001110 00100000 0000000010000000 00001110 00100000 0000000110000000 00001110 00100000 0000001010000000 00001110 00100000 0000001110000000 0000

31、1110 00100000 0000010010000000 00001110 00100000 0000010110000000 00001110 00101111 1111101110000000 00001110 00101111 1111110010000000 00001110 00101111 1111110110000000 00001110 00101111 1111111010000000 00001110 00101111 11111111,所有地址的 20 位前缀都是一样的,2.4.2 路由聚合(route aggregation),一个 CIDR 地址块可以表示很多地址

32、，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目可以表示很多个原来传统分类地址的路由。路由聚合也称为构成超网(supernetting)。CIDR 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）。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。,CIDR 记法的其他形式,可简写为 10/10，也就是把点分十进制中低位连续的 0 省略。隐含地指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是。此掩码可表示为 11111111 11000000 00000000 00000000,CIDR 记法的其他形式,可简写为 10/10，也就是将点分

33、十进制中低位连续的 0 省略。相当于指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是，即 11111111 11000000 00000000 00000000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，可以是任意值。,2.4.3 构成超网,前缀长度不超过 23 位的 CIDR 地址块都包含了多个 C 类地址。这些 C 类地址合起来就构成了超网。CIDR 地址块中的地址数一定是 2 的整数次幂。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

34、,因特网,ISP,大学 X,一系,二系,三系,四系,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 206.0.71.0/25 11001110.00000000.01000111.0*128 四系 206.0.71.128/25

35、11001110.00000000.01000111.1*128,CIDR 地址块划分举例,因特网,ISP,大学 X,一系,二系,三系,四系,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 就能找到该 ISP。,2.4.4 路由器的最长前缀匹配,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。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(longest-pr

36、efix matching)。网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体(more specific)。最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配。,3 网际协议-IP,IP 协议及配套协议,地址解析协议 ARP(Address Resolution Protocol)逆地址解析协议 RARP(Reverse Address Resolution Protocol)网际控制报文协议 ICMP(Internet Control Message Protocol)网际组管理协议 IGMP(Internet Group Management Protocol),3.1 IP 数据报的格式,一个 IP

37、数据报由首部和数据两部分组成。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。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,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,区 分 服 务,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）,位,首部长度,数 据 部 分,数 据 部 分,首 部,IP 数据报,可变部分,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,区 分 服 务,总 长 度,片 偏 移,填

38、 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,数 据 部 分,首 部,IP 数据报,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,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）,位,首部长度,数 据 部 分,数 据 部 分,首 部,IP 数据报,固定部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地

39、址,目 的 地 址,可 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,1.IP 数据报首部的固定部分中的各字段,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,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）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可

40、 选 字 段（长 度 可 变）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,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）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,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）,位,首部长度,数 据 部 分,固

41、定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,区 分 服 务,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）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,标志(flag)占 3 位，目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是 MF(More Fragment)。MF 1 表示后面“还有分片”。MF 0 表示最后一个分片。标志字段中间的一位是 DF(Dont Fragment)。只有当 DF 0 时才允许分片。,首部,0,4,8,16,19,24,31

42、,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,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）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,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）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,生存时间(8 位)记为 TTL(Time To Live)数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。,区 分 服 务,首部

43、,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,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）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,运输层,网络层,首部,TCP,UDP,ICMP,IGMP,OSPF,数 据 部 分,IP 数据报,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,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）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部

44、分,可变部分,区 分 服 务,首部,0,4,8,16,19,24,31,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,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）,位,首部长度,数 据 部 分,固定部分,可变部分,区 分 服 务,IP 数据报首部的可变部分,IP 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。选项字段的长度可变，从 1 个字节到 40 个字节不等，取决于所选择的项目。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

45、个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。,4 地址解析协议 ARP,4.1 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,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,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,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP1,HA1,HA5,HA4,HA

46、3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,从协议栈的层次上看数据的流动,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,从虚拟的 IP 层上

47、看 IP 数据报的流动,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,硬件地址,路由器 R2,HA2,IP1,IP2,局域网,局域网,局域网,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,在链路上看 MAC 帧的流动,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2

48、,MAC 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,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,MAC 帧,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,MAC 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,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联

49、网,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,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,IP1,HA1,HA5,HA4,HA3,HA6,HA2,IP6,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,IP 层上的互联网,IP2,IP4,IP3,IP5,路由器 R2,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,地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP,IP 地址,物理地址,ARP,物理地址,IP 地址,RARP,4.2 地址解析协议 ARP,概

50、念,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。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。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。,A,Y,X,B,Z,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,0