第九讲网络层一.ppt

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1、第九讲 网络层（一）,2,本讲主要内容,网络层概述 数据报与虚电路 网际协议IP IPv4与IPv6 IP数据报构成 IP地址 子网与子网掩码,3,7.1网络层概述,网络层的根本任务是将源主机发出的分组经各种途径送到目的主机。 从源主机到目的主机可能得经过许多中间节点。这一功能与数据链路层形成鲜明的对比，数据链路层仅将数据帧从导线的一端送到其另一端，而网络层是处理点到点数据传输的最低层。,4,7.1.1网络层的的设计问题,当源主机与目的主机不处于同一网络中时，应由网络层来处理这些差异，并解决由此而带来的问题，这是网络层关心的一个重要问题：异种网络互联。 网络层必须知道通信子网的拓扑结构（即所有

2、路由器的位置），并选择通过子网的合适路径，这是网络层要解决的另一个重要问题：路由选择。 另外，选择路径时要注意到，不要使一些通信线路超负荷工作，而另一些通信线路却处于空闲状态，这是另一方面的问题：拥塞控制。,5,表7-1 不同网络的不同性质,6,7.1.2 虚电路与数据报,在网络层主要提供两种数据传输服务： 面向连接的虚电路方式 无连接的数据报方式,7,1面向连接的虚电路方式,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1 要和 H5 通信,主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组， 要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意 通信就发回

3、响应，然后双方就建立了虚电路。,8,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。,9,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在 两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。 所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照 先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。,10,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致， 因此

4、网络提供虚电路服务对通信的 服务质量 QoS (Quality of Service)有较好的保证。,11,2无连接的数据报方式,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,网络随时接受主机发送的分组（即数据报） 网络为每个分组独立地选择路由。,12,网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。 网络不保证所传送的分组不丢失，也不保证按源主机发送分组的先后顺序，以及在时限内必须将分组交付给目的主机。 当网络发生拥塞时，网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃 。 数据报提供的服务是不可靠

5、的，它不能保证服务质量。,无连接的数据报方式特点,13,在无连接的数据报方式的设计中，下面几个部分是非常关键的。,寻址 路由。 分组生命期。 差错控制和流量控制。 分段和重组。,14,7.2 网际协议IP,TCP/IP协议族是Internet所采用的协议族，是Internet的实现基础。 因特网协议IP (Internet Protocol)是TCP/IP协议族中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议。,15,7.2.1 IP协议提供的服务,IP协议是因特网中的基础协议，由IP协议控制传输的协议单元称为IP数据报。 IP将多个网络连成一个互联网，可以把高层的数据以多个数据报的形式通过互联

6、网分发出去,它的基本任务是屏蔽下层各种物理网络的差异，向上层（主要是TCP层或UDP层）提供统一的IP数据报，各个IP数据报之间是相互独立的。 IP协议提供不可靠的、无连接的、尽力的数据报投递服务。,16,将IP数据报封装到以太网的MAC数据帧中,17,7.2.2 IPv4与 IPv6,目前因特网上广泛使用的IP协议为IPv4，IPv4的IP地址是由32位的二进制数值组成的。 IPv4协议的设计目标是提供无连接的数据报尽力投递服务。,18,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,服 务 类 型,总 长 度,片 偏 移,填 充

7、,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,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,优 先 级,数 据 部 分,比特,数 据 部 分,首 部,传送,IP 数据报,IPv4的数据报结构,19,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,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,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,未用,优 先 级,数 据 部 分,比特,

8、数 据 部 分,首 部,传送,IP 数据报,IPv4的数据报结构,20,首 部,0,4,8,16,19,24,31,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,0,1,2,3,4,5,6,7,D,T,R,C,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,IPv4的数据报结构,21,IPv4首部字段,版本号(Version)：4位，说明对应IP协议的版本号 IP头长度(IP Header Len

9、gth)：4位，以32位为单位的IP数据报的报头长度。 服务类型(Type of Service)：8位，用于规定优先级、传送速率、吞吐量和可靠性等参数。 IP数据报总长度(Total Length)：16位，以字节为单位的数据报报头和数据两部分的总长度。 标识符(Identifier)：16位，它是数据报的唯一标识，用于数据报的分段和重装。 标志(Flag)：3位，数据报是否分段的标志。 段偏移(Fragment Offest)：13位，以64位为单位表示的分段偏移,22,IPv4首部字段,生存期(Time of Live)：8位，允许数据报在互联网中传输的存活期限。 协议(Protocol

10、):8位，指出发送数据报的上层协议。 IP报头校验和(Header Checksum)：16位，用于对报头的正确性检验。 源站IP地址：32位，指出发送数据报的源主机IP地址。 目的站IP地址：32位，指出接收数据报的目的主机的IP地址。 IP选项：可变长度，提供任选的服务，如错误报告和特殊路由等。 填充项：可变长度，保证IP报头以32位边界对齐。,23,IPv6被提出,32位的IP地址空间将无法满足因特网迅速增长的要求；不定长的数据报头域处理影响了路由器的性能提高；单调的服务类型处理；缺乏安全性要求的考虑；负载的分段/组装功能影响了路由器处理的效率。 90年代初，人们就开始讨论新的互联网络协

11、议。IETF的IPng工作组在1994年9月提出了一个正式的草案“The Recommendation for the IP Next Generation Protocol“，1995年底确定了IPng的协议规范，并称为“IP版本6“（IPv6）,24,0,4,16,31,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）,IPv6的数据报头结构,25,IPv6主

12、要特点有：,（1）扩展地址和路由的能力。 （2）简化了IP报头的格式。 （3）支持扩展选项的能力。 （4）支持对数据的确认和加密。 （5）支持自动配置。 （6）支持源路由。 （7）定义服务质量的能力。 （8）IPv4的平滑过渡和升级。,26,7.2.3 IP地址,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唯一的 32 bit 的标识符。 每个因特网上的主机和路由器都有一个IP地址，包括类别、网络标识和主机标识。为了避免冲突，因特网中所有的IP地址都是由一个中央权威机构SRI的网络信息中心NIC（Network Inf

13、ormation Center）分配。,27,IP地址的一般格式为： 类别 + Netid + Hostid,类别：用来区分IP地址的类型 通常将因特网IP地址分成5种类型：（A类、B类、C类、D类、E类） 网络标识（Netid）：表示入网主机所在的网络； 主机标识（Hostid）：表示入网主机在本网段中的标识。,28,表7-2 IP地址结构,29,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 bit 的二进制数 转换为十进制数,30,值得注意的是因特网还规定了一些特殊地址：,Hostid为全0的IP地址，不分配给任何主机，仅

14、用于表示某个网络的网络地址；例：202.119.2.0。 Hostid为全1的IP地址，不分配给任何主机，用作广播地址，例：202.119.2.255。 32位为全1的IP地址(255.255.255.255)，称为有限广播地址，通常由无盘工作站启动时使用，希望从网络IP地址服务器处获得一个IP地址； 32位为全0的IP地址(0.0.0.0)，表示本身本机地址； 127.*.*.*：为环回测试地址，常用于本机上软件测试和本机上网络应用程序之间的通信地址。,31,7.2.4子网及子网掩码,1.子网 在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不够合理。 从 1985 年起在 IP 地址中又增

15、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。,32,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 := , , ,划分子网的基本思路,33,145.13.3.10,145.13.3.11,145.13.3.101,145.13.7.34,145.13.7.35,145.13.7.56,145.13.21.23,145.13.21.9,145.

16、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 145.13.0.0,R1,R3,R2,一个未划分子网的 B 类网络145.13.0.0,34,划分为三个子网后对外仍是一个网络,145.13.3.10,145.13.3.11,145.13.3.101,145.13.7.34,145.13.7.35,145.13.7.56,145.13.21.23,145.13.21.9,145.13.21.8,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 145.1

17、3.0.0,R1,R3,R2,35,使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分,子网不仅仅单纯地将IP地址加以分割，其关键在于分割后的子网必须能够正常地与其它网络相互连接，也就是在路由过程中仍然能识别这些子网。问题是，子网分割后如何判断原主机地址中的前几位是哪个子网地址？子网掩码正是解决这一问题的技术。,36,IP协议标准规定：,每一个使用子网的网点都选择一个32位的位模式，若位模式中的某位为1，则对应IP地址中的某位为网络地址（包括类别、网络地址和子网地址）中的一位；若位模式中某位置为0，则对应IP地址中的某位为主机地址中的一位。子网掩码与IP地址结合使用，可以区

18、分出一个网络地址的网络号和主机号。,37,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-id,host-id,三级 IP 地址,主机号,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,net-id,subnet-id,host-id 为全 0,38,(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,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,AND,39,net

19、-id,net-id,host-id 为全 0,net-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 255.255.255.0,1 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 0,1 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 0,1 1 1 1 1 1 1

20、 1,0 0 0 0 0 0 0 0,host-id 为全 0,host-id 为全 0,A 类、B 类和 C 类 IP 地址的默认子网掩码,40,例1：利用子网掩码求网络号与主机号。 已知一个IP地址为202.168.73.5,其缺省的子网掩码为255.255.255.0。求其网络号及主机号。,首先，将IP地址202.168.73.5转换为二进制11001010.10101000.01001001.00000101。 其次，将子网掩码255.255.255.0转换为二进制11111111.11111111.11111111.00000000。 然后将两个二进制数进行逻辑与（AND）运算，得出

21、的结果即为网络号。结果为，202.168.73.0。 最后，将子网掩码取反再与二进制的IP地址进行逻辑与运算，得出的结果即为主机号。结果为0.0.0.5，即主机号为5。,41,例2：利用子网掩码划分子网 某单位需要构建5个分布于不同地点的局域网络，每个网络有10到25台不等的主机，而其仅向NIC申请了一个C类的网络ID号，其号码为192.65.126.0。,正常情况下，C类IP地址的子网掩码应该设为255.255.255.0。这种情况下，C类网络的254台主机必然属于同一个网络段内。 但现在网络构建需求却为分布于5个不同地点的不同网络段，此时，如果将子网掩码设为255.255.255.224，

22、与255.255.255.0不同的是该子网掩码的最后一个字节为224，而不是0。224所对应的二进制值为11100000，它表示原主机地址的最高三位是现在所划分出的子网的个数。也就是可将主机ID中最高的三位用于子网分割。,42,主机ID中用于子网分割的这三位共有000、001、010、011、100、101、110、111这8中组合，出去不可使用的代表本身的000及代表广播的111外，还剩余6种组合，也就是说它共可提供6个子网。而每个子网都可以最多支持30台主机，满足构建需求。,例2：利用子网掩码划分子网 某单位需要构建5个分布于不同地点的局域网络，每个网络有10到25台不等的主机，而其仅向NIC申请了一个C类的网络ID号，其号码为192.65.126.0。,43,小结,网络层的作用 数据报与虚电路各自特点 IP数据报首部重要字段的构成与作用 IP地址：作用、长度、表示方法、分类 掌握划分子网、计算网络号与主机号的方法,