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1、201202,1,第2章 IP地址及地址转换,2.1 分类编址机制2.2 子网编址和超网编址2.3 网络地址到物理地址的映射2.4 物理地址到网络地址的映射,01202,2,主要内容,IP地址的功能与作用，IP地址分类与表示，一些特殊的IP地址，IP地址的扩展。IP地址与物理地址的关系以及转换协议。,01202,3,2.1 分类编址机制,一个通信系统允许任一台主机与其他任何主机进行通信，则说系统提供通用通信服务。为了使通信系统通用，需要一个全球都接受的方法来标识所有连在网上的计算机。TCP/IP选用地址和名字作为通用主机标识符。采用简洁的二进制地址作为标准，则使选路之类的计算更加高效。TCP/
2、IP的设计人员选择了一种模拟物理网络编址的机制，为互联网上的每台主机都分配了一个32比特的整数地址称为互联网地址或IP地址。该地址用在所有与该主机的通信中。,01202,4,IP地址是成对的：网络号（Netid）和主机号（host），其中网络号标识某个网络，主机号标识该网络上的某台主机。同一网络的所有主机的IP地址共享统一前缀。为考虑不同网络的规模，IP地址分为五大类即：A、B、C、D、E。,01202,5,IP地址的分类,0,NetID,10,110,NetID,1110,Multicast Address,HostID,NetID,HostID,HostID,Class,A,B,C,D,8
3、 bits,8 bits,8 bits,8 bits,1111,保留未用,E,01202,6,地址范围和主机数,A类 00000000-01111111126（27-2）个可用网络号 1-126每个网络有一千六百万（224-2）个主机号B类 10000000.00000001-10111111.11111110（214-2）个网络号 128.1-191.254每个网络有六万五千（216-2）多个主机号C类11000000-11011111 192.0.1-223.255.254超过两百万（221-2）个网络号每个网络有二百五十六（28-2）个主机号D类地址范围11100000-11101111
4、 224-239,01202,7,这就是“点分十进制”记法。我们从键盘上输入点分十进制的 IP 地址，计算机就把它转换为 32位的二进制数字。,二进制与点分十进制,01202,8,IP 地址的惟一性,连接在因特网的每一台计算机都有一个 IP 地址。这个 IP 地址在世界范围内必须是惟一的。路由器根据分组首部中的目的 IP 地址查找出下一跳路由器的地址。计算机有多个物理连接时，就需要多个IP地址，称为多址主机。路由器连接n个网络时有n个IP地址，每个地址对应一个网络连接。互联网地址即可以指定主机，也可以指定网络。用主机号为0的IP地址来指定网络。例：222.160.30.0为一个网络地址,012
5、02,9,主机号为全“1”的地址作为定向广播地址。本地广播地址（有线广播地址）有32个“1”组成。一台主机在了解自己的IP地址或本地网络的IP地址前缀之前，可以在启动过程中使用本地广播地址。一般来说，互联网把全“1”字段解释成“所有”；把全“0”字段解释成“本”。IP编址方式还支持多点发送（组播），在这种发送形式中，分组被发送给一系列主机的子集。D类地址用于组播。环回地址，IP地址127.0.0.0保留用于环回，用来测试TCP/IP以及本机进程间的通信。,特殊IP地址,01202,10,R3,B,R1,R2,LAN3222.1.3.0,LAN2222.1.2.0,222.1.3.1,222.1
6、.3.2,222.1.5.1,222.1.5.2,N2 222.1.5.0,222.1.4.1,222.1.4.2,N1 222.1.4.0,222.1.1.1,222.1.1.2,222.1.1.3,LAN1222.1.1.0,222.1.6.1,222.1.6.2,N3 222.1.6.0,222.1.2.1,222.1.2.2,222.1.2.3,222.1.2.4,222.1.2.5,222.1.3.3,222.1.1.4,互连网中的IP地址,01202,11,Internet编址方法的缺陷,如果一台主机从一个网络移到另一个网络，必须改变它的IP地址。地址指的是网络连接，而不是指主机。
7、选路基于互联网地址，地址的网络号部分用于选路决策，因此发送到多IP地址主机的分组所经过的路径依赖于使用的地址。,01202,12,一般不使用的特殊IP地址,01202,13,IP 地址是宝贵的网络资源,IP 地址的总数：232=4 294 967 296 个，接近 43 亿个。由于 IP 地址的总数有限，因此 IP 地址是非常宝贵的资源。由Internet编址管理机构（ICANN）统一管理和分配。需要使用大量 IP 地址的单位必须向ICANN进行申请。现在仅能申请到B、C类。获得网络号netid后，各主机号hostid，由单位自行分配。大型的ISP需要和一个权威组织ICANN联络，获得一个网络
8、的前缀。使用少量 IP 地址的用户，向就近的本地因特网服务提供者 ISP 申请。,01202,14,2.2 子网编址和超网编址,尽管最初要求每个物理网络有一个唯一的网络前缀，随着局域网技术的流行，每个物理网络所需要的独特的前缀会迅速耗尽地址空间。因此，需要对编址方法进行扩展。80年代，开发了一种地址扩展来保存网络前缀，称为子网编址，允许多个物理网络共享一个前缀。90年代，设计出第二种方式，忽略分类层次并允许在任意位置进行前缀和后缀的划分，称为无类型编址或超网编址，允许更复杂的利用地址空间。,01202,15,2.3 网络地址到物理地址的映射,互联网上的每台主机都分配一个32位的IP地址，互联网
9、使用分配的地址来发送和接收分组。实际上在网络链路上传送的是“帧”，使用的是帧的硬件地址（MAC 地址）。只有当某个网络上的两台机器互相知道对方的物理网络地址时，才能进行通信。那么，如何把一个IP地址映射到正确的物理地址上呢？,01202,16,通过动态绑定进行转换,考虑同一物理网络上的两台机器A和B。给他们分配的IP地址分别是IA和IB，物理地址是PA和PB。如果A想给B发送数据，并且A只知道B的IP地址，它必须首先查找B的物理地址。TCP/IP协议设计人员采用一种创造性的方法，解决了诸如以太网这样具有广播能力物理网络的地址转换问题。选用一个低层协议动态绑定地址，这个协议称为地址转换协议ARP
10、，提供了一种即高校又易于维护的机制。如下图所示，当A要转换IP地址IB时，它发送一个含有B的IP地址的ARP广播，请求B的物理地址，包括B在内的所有主机接收到这个请求，只有B收到该广播后，向A回应其物理地址。当A收到应答后，就用该物理地址把互联网分组直接发送给B。,01202,17,A,B,X,Y,IP=192.1.0.1PA=AAA,IP=192.1.0.2PB=BBB,IP=192.1.0.3PX=XXX,IP=192.1.0.4PY=YYY,ARP协议过程,注意，虽然所有接口都收到了信息，但只有B识别它的IP地址，回应该请求，这保证了回应的正确且避免了过期的信息。,01202,18,使用
11、ARP的计算机维护着一个高速缓存，存放最近获得的IP地址到物理地址的绑定。当一台机器发送一个ARP请求并接收到一个ARP应答时，就在高速缓存中保存IP地址及其对应的物理地址，以便以后查询。发送者的对同时被存到接收ARP请求的主机的本地ARP表中，一般A想与B通信时，B可能也需要与A通信。这样，当一个网络上的两台计算机进行通信时，先以ARP请求和应答开始，然后就会反复传送分组，不再需要为任何一方使用ARP。为避免信息“失效”，ARP缓存提供了软状态。使用计时器，当计时器超时后则删除状态信息,ARP缓存,01202,19,事实上，互联网中的分组在从源站到目的站的路径上，每一步都要执行地址映射。分两
12、种情况：第一，在发送分组的最后一步，分组必须通过一个物理网络发送到他的最终目的站。发送分组的计算机必须把目的站的IP地址映射到他的物理地址；第二，沿着从源站到目的站的路径，除了最后一步，在每一点都必须把分组发送到一个中间路由器。发送方把中间路由器的IP地址映射到一个物理地址。要注意的是，当要通信的两主机A和B不在同一网段时，A只向下一跳的路由器发送ARP请求，而不是直接向B发送。,01202,20,IP 网络是虚拟网络,IP 网络是虚拟的。在 IP 网络上传送的是 IP数据报（IP 分组）。实际上在网络链路上传送的是“帧”，使用的是帧的硬件地址（MAC 地址）。地址解析协议 ARP 用来把 I
13、P 地址（虚拟地址）转换为硬件地址（物理地址）。下面的图说明IP 网络是虚拟网络,01202,21,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,01202,22,ARP实现,发送分组时，给定一个目的站的IP地址，软件查询它的ARP缓存，若有则提取该物理地址，把数据放到使用该地址的帧中，并发送该针；若没有，则软件必须广播一个ARP请求并等待应答。广播ARP请求来找到地址映射时，可能出现的情况：目标主机可能下网ARP广播可能丢失应用程序产生的对同一地址的其他ARP请求请求成功后，B出现故障,保
14、存分组，一旦地址转换成功立即发送,避免多次广播,绑定表在固定时间后清除表项,01202,23,ARP实现,当ARP分组到达时，软件首先提取发送方的IP地址和物理地址，并检查本地的高速缓存，看是否有该表项，若有，则用新的物理地址覆盖缓存中的地址；若没有，则把这个地址添加到缓存中。如果到达的是一个ARP请求，则接收方要查看自己是否是请求的目标。若是则ARP软件用本机的物理地址形成应答，直接发给请求方。若不是则忽略该分组。如果到达的是一个ARP应答，则更新或创建该高速缓存表项。若是先前发出请求的应答，则开始发送分组；若以前没有发出应答中的IP地址请求则更新表象后，停止处理分组。,01202,24,A
15、RP的封装与标识,当ARP报文从一台机器传输到另一台机器时，必须放入物理帧中。为了识别携带ARP报文的帧，发送方给帧首部的类型字段分配了一个特殊节值，并把ARP报文放在该帧的数据字段中。当每一帧到达计算机时，网络软件通过帧类型确定其内容。在以太网中，携带ARP报文的帧类型字段是0806H。接收方的网络软件必须进一步区分ARP请求和应答。请求报文是广播发送，应答报文是单播发送。,ARP请求或应答分组,01202,25,ARP的协议格式,0 16 31,01202,26,硬件类型：16位，运行ARP的网络类型。每一种局域网基于其类型给指派一个整数。以太网类型值为“1”。协议类型：16位，指明发送方
16、提供的高层协议类型。对IPv4，值为0800H。硬件地址长度和协议地址长度：各8位，用来定义以字节为单位的物理地址和协议地址的长度。允许ARP用在任何网络中。操作：指明是ARP请求（1）、ARP响应（2）、RARP请求（3）、RARP响应（4）。发送方硬件地址和协议地址：填入发送方地址。目标硬件地址和协议地址：填入发送方地址。对于ARP请求，目标硬件地址为0。,01202,27,本节小结,IP地址的分配独立于机器的物理地址。要发送分组，必须把IP地址映射到物理地址，利用硬件地址传输数据帧。ARP用底层网络通信系统完成动态地址转换。ARP允许机器转换地址而不必保存绑定的永久纪录。ARP利用高速缓
17、存避免了大多数ARP广播请求。,01202,28,2.4 物理地址到网络地址的映射,通常，机器的IP地址保存在硬盘中，操作系统在启动时找到它。问题是：“对于没有硬盘的机器如何确定它的IP地址？”思路：需要知道自己IP地址的机器向另一台机器上的服务器发出请求，并等待服务器发送相应。机器在发出的请求中必须唯一的标识它自己，以便于服务器查到正确的互联网地址并发送应答。TCP/IP协议的设计人员使用一种可以唯一标识机器的信息：机器的物理网络地址。发出请求的机器和响应的服务器在这个通信中都使用了物理网络地址。使用自己的物理地址向本网络上所有机器广播这个请求。一个或多个服务器会相应这个请求。,01202,
18、29,反向地址转换协议RARP,允许计算机从服务器获得IP地址的TCP/IPJH协议称为反向地址转换协议。它使用与ARP相同的报文格式。封装在一个网络帧的数据部分，并从一台机器发送到另一台机器。携带RARP请求的以太网帧格式如下：,RARP请求或应答分组,01202,30,RARP 协议,RARP 的协议过程,A,B,C,D,IP=?PA=ddd,RARP 服务器,主机,主机,发送方广播一个指定它自己既是发送方又是接收方的RARP请求，并把它自己的物理网络地址放到目标硬件地址字段中。只有被授权提供RARP服务的机器才能处理请求并发送应答。,服务器对请求的应答方式是：在一个表中查找映射，填入目标
19、协议地址字段，并把报文类型从“请求”改成“应答”，然后直接把应答发回提出请求的机器,发送方一旦获得它的IP地址，就把地址存储在主存里，直到重新启动以前都不再使用RARP。,01202,31,RARP机制,寻找IP地址的机器和提供服务的机器之间的所有通信量都只能使用物理网络实施。协议允许主机询问任意目标主机的地址。RARP请求和响应也很容易丢失。采取无限重试的办法直到收到一个相应。为避免不必要的广播通信量导致网络拥塞：RARP一般只用在故障可能性很小的局域网上。重试几次后宣布失败。使用大的延迟保证了服务器有足够的时间响应请求。采用多台计算机作为RARP服务器，使系统更加可靠。为避免同时应答，它们采用延迟响应技术,01202,32,思考与作业：P35 4.5、4.7P43 5.3、5.8阅读RFC 826,
