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1、4.2 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之一。与 IP 协议配套使用的还有四个协议：地址解析协议 ARP(Address Resolution Protocol)逆地址解析协议 RARP(Reverse Address Resolution Protocol)因特网控制报文协议 ICMP(Internet Control Message Protocol)因特网组管理协议 IGMP(Internet Group Management Protocol),网际协议 IP 及其配套协议,IP 地址的编址方法,分类的 IP 地址。这是最基本的编址方法，
2、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。,4.2.1 分类的 IP 地址,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。IP 地址由因特网名字与号码指派机构ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配,1.IP 地址及其表示方法,IP 地址:=,分类 IP
3、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）。两级的 IP 地址可以记为：,:=代表“定义为”,点分十进制记法,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,A类网中的网络号字段和主机号字段,IP A类地址祥析,B类网中的网络号字段和主机号字段,IP B类地址祥析,C类网中的网络号字段和主机号字段,IP C类地址祥析,网络地址使用举例,D类多播地址留给因特网体系结构委员会IAB使用,E 类地址保留为今后使用,IP 地址类型的判别,Class A：0.Class D:
4、1110.Class B:10 Class E:1111.Class C:110.,IP 地址总结,IP 地址分类练习,地址,类别,网络,主机,IP地址分类练习（答案）,地址,类别,网络,主机,A,B,C,C,B,Nonexistent,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 16,383(214-1)128.1 191.255 65,534 C 2,097,151(221-1)192.0.1 223.255.255
5、254,保留的 IP 地址,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(续),(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-id
6、必须是不同的。这种主机称为多接口主机(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(续),(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，无论是范围很小的局域网，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.
7、1.4.,222.1.5.,222.1.6.,N1,LAN2,LAN1,互联网,前图说明,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。网络号为 IP 地址中的 net-id，或网络地址表示为主机号全0的地址用网桥互连的网段仍然是一个局域网，只能有一个网络号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 地址当两个路由器直接相连时，在连线两端的接口处，可以指明也可以不指明 IP 地址,4.2.2 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,查找路由表,查找路由表,HA1,HA5,
8、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
9、 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,前图的说
10、明,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。路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择。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。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，能够使用统一的、抽象的 IP 地址研究主机和主机或路由器之间的通信,4.2.3 地址解析协议 ARP 和逆地址解析协议 RARP,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。当主机 A 欲向本局
11、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。如查不到主机 B 的 IP 地址的项目，则主机 A 自动运行ARP，找出主机 B 的硬件地址。,为什么要使用 ARP？,四种使用ARP协议的情况,ARP 协议,ARP 协议,ARP 协议,ARP 协议,映射 IP Ethernet 地址 放入 Local ARP 缓存,ARP 协议,ARP 高速缓存的作用,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
12、网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。为减少网络上通信量，主机A发送ARP请求分组时，同时将自己IP地址到硬件地址的映射写入ARP请求分组，当主机 B 收到时会将该地址映射写入主机B的ARP 缓存中。这对以后反过来主机 B 向 A 发送数据报时就更方便了。ARP对高速缓存每一映射地址项设置了生存时间(1020分钟)，凡超过生存时间的项目就从高速缓存中删除掉。在 PC 机上使用 arp a 命令可检查本机当前 ARP 高速缓存内容。,应当注意的问题,ARP 只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。如果要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过 A
13、RP 找到一个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后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。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。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？,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。连接到因特网的主机都拥有统一的 IP 地址，它
14、们之间的通信就像连接在同一个网络上那样简单方便，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,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。这种主机往往是无盘工作站。因此 RARP协议目前已很少使用。Upgrades:BOOTPDHCP,RARP 协议,RARP 协议,RARP 协议,RARP 协议,映射 Ethernet IP,无盘工作站由此获得自己的 IP 地址。,RARP 协议 Flash 动画演示,4.2.4 IP 数据报的格式,一个 IP 数据报由首部和数据两部
15、分组成。首部的前一部分是固定部分，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。在首部的后一部分为可变部分，可有040字节，是一些可选字段。在首部之后为 IP 数据报的数据部分。首部和数据两部分总长度最大可达 64KB。,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。,首部的后一部分是可变部分，为0-40字节不等，取决于所选择的项目,用来支持排错、测量以及安全等措施，实际上这些选项很少被使用。,IP 数据报首部的选项有：,安全性能数据报的安全等级。严格路由以IP地址序列给出从源到宿的完整路径，用于测试和紧急传送。松散路由规定源宿之间的某几个路由或路由原则。路由记录
16、记录下所经路由的所有IP地址。时间标签记录每经过一跳所花费的时间，用于测试路由算法。,IP 数据报的分片与重组,分组分片,最大传输单元（MTU）的定义各物理网络对帧的数据字段最大字节数限制由网络硬件决定(如典型的以太网时，MTU=1500)数据封装提出的问题(IP分组用帧封装)适应不同 MTU 的解决方案(由于以太网的普遍应用，实际IP分组很少超1500字节，有时起始 IP 分组还被限制在 576 字节 X.25 的 MTU，设置该值后，绝大多数链路便不需分片)在何处实行分片(路径的中间结点上，若下一链路的 MTU 小于 IP 分组长度时)分片方法(用 IP 分组头中的 3 个字段：Ident
17、ification，DF、MF，Fragment offset),选择合适的分组长度适应不同的 MTU选择网络中最小的 MTU在 MTU 较大的网络传输会造成硬件能力浪费选择网络中最大的 MTU在 MTU 较小的网络不能实现数据报到帧的封装如何选择分组长度？如何实现数据封装？由于现在绝大多数场合都是使用以太网，因此一般在以太网中发送时，选择 IP 分组长度取以太网链路的 MTU 1500 字节,发送时分组长度选择多长？,在何处实行分片？,R1,R2,网络2MTU=620,网络1MTU=1420,网络3MTU=1500,主机A,主机B,实行分片,无须分片,从大到小,从小到大,如何分片？,Data
18、,IP_H,主机A,20 1400Bytes,R1,FraH1,Fragment1,FraH2,FraH3,Fragment2,Frag3,20 600,片1偏移（offset）=0，MF1,片2偏移（offset）=600/8，MF1,片3偏移（offset）=1200/8，MF0,片头(复制原 IP头,还需改写有关字段）,MTU=1420,MTU=620,MTU,:Frame,200,分片标识号继承原IP分组标识号,偏移=0/8=0,偏移=1400/8=175,偏移=2800/8=350,1400,2800,3799,2799,1399,3799,需分片的数据报,数据报片 1,首部,数据部
19、分共 3800 字节,首部 1,首部 2,首部 3,字节 0,数据报片 2,数据报片 3,1400,2800,字节 0,IP 分片举例 1（仅路径上1次分片）,偏移=0/8=0,IP 分片举例 2（路径上先后2次分片）,IP 数据报在某路由器上经历第一次分片,分片的传输和控制,传输每个分片独立选择传输路径，“尽力传递”控制（定义片头参数）,标识,Identification,(16bit),标志,Flags,(3bit),片偏移,Fragment Offset,(13bit),信源机赋予数据报的标识，识别此片所属分组，用于分组重组。,“001”,片未完“000”,最后分片,提供片顺序信息,分片
20、的重组,重组只在信宿机完成减轻网关（gateway）负担，简化路由协议简单、高效，体现“尽力传递”设计思想在接收端设置重组计时器接收到某分组第一个到达的片段时立即启动定时器；如果在规定时间内未收到全部片段，则放弃整个分组，向信源机发送出错消息。,数据报中的 Protocol 字段,运输层,网络层,首部,TCP,UDP,ICMP,IGMP,OSPF,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,1-ICMP,2-IGMP,6-TCP,17-UDP,89-OSPF,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
21、。,校验和计算过程,生成校验和计算举例,4.2.5 IP 层转发分组的流程,路由器和第5章广域网中的结点交换机有些区别：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。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。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。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）。,路由表中的表项,路由表表项的目的地址字段一般都基于目的主机所在的网络 路由表表项的目的地址字段也有例外，会对特定的目的主机指明一个路由，这称为特定主机路由 采用特定主机
22、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，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)向源结点发出一个ICMP包报告转发分组出错。,必须强调指出,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。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，然后该 MAC 帧根据这个硬件地址传送到下一跳路由器。当发送一连串的数据报时，上述过程将不断重复进行，造成了一定的开销。在路由表中不能直接使用硬件地址，那违反了分层原则，也违背了隐蔽各种底层网络复杂性的初衷，会带来更多的麻烦。,
