04.计算机网络-2017版-阮晓龙-第4章：网络层

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1 1 计算机网络 第四章 : 网络层 阮晓龙 / rxl@hactcm.edu.cn 河南中医学院管理信息工程学科河南中医学院网络信息中心

2 2 本章教学计划 网络层提供的两种服务 网际协议 (IP) 划分子网和构建超网 (IP 地址管理 ) 网际控制报文协议 (ICMP) 路由选择协议 (RIP OSPF BGP) 基础内容 IP 多播 (IP 多播和 IGMP) 虚拟专用网 (VPN) 网络地址转换 (NAT) 扩展部分

3 3 本章教学计划 讨论多个网络通过路由器互连成为一个互联网的问题 重点内容 : 虚拟互连网络 IP 地址与物理地址的关系 IP 地址分类与管理的方法 路由选择协议 VPN 的基本概念 NAT 的基本原理

4 4 1. 网络层提供的两种服务 在计算机网络领域, 网络层应该向运输层提供怎样的服务 ( 面向连接 还是 无连接 ) 曾引起了长期的争论 争论焦点的实质就是 : 在计算机通信中, 可靠交付应当由谁来负责? 是网络还是端系统?

5 5 1. 网络层提供的两种服务 1.1 虚电路 电信网的成功经验 : 让网络负责可靠交付 电信网使用昂贵的程控交换机, 用面向连接的通信方式, 使电信网络能够向用户提供可靠传输的服务 虚电路 VC 就是当两个计算机进行通信时, 应当先建立连接, 以保证双方通信所需的一切网络资源, 双方就沿着已建立的虚电路发送分组 如果使用可靠传输的网络协议, 就可使所发送的分组无差错按序到达终点

6 6 1. 网络层提供的两种服务 1.1 虚电路 应用层运输层网络层数据链路层物理层 H 1 H 2 虚电路 应用层运输层网络层数据链路层物理层 H 1 发送给 H 2 的所有分组都沿着同一条虚电路传送

7 7 1. 网络层提供的两种服务 1.2 数据报 因特网不提供端到端的可靠服务的优势 : 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, 那么就由运输层负责 ( 包括差错处理 流量控制等 ) 网络的造价大大降低, 运行方式灵活, 能够适应多种应用 因特网能够发展到今日的规模, 充分证明了当初采用这种设计思路的正确性

8 8 1. 网络层提供的两种服务 1.2 数据报 应用层运输层网络层数据链路层物理层 H IP 数据报 1 H 2 应用层运输层网络层数据链路层物理层 丢失 H 1 发送给 H 2 的分组可能沿着不同路径传送

9 9 1. 网络层提供的两种服务 1.3 虚电路服务与数据报服务对比

10 10 2. 网际协议 (IP) 网际协议 (Internet Protocol,IP), 或称互联网协议, 是用于报文交换网络的一种面向数据的协议 IP 是在 TCP/IP 协议中网络层的主要协议, 任务是仅仅根据源主机和目的主机的地址传送数据 为此目的,IP 定义了寻址方法和数据报的封装结构 IP 的第一个架构的主要版本, 现在称为 IPv4, 仍然是最主要的互联网协议 尽管世界各地正在积极部署 IPv6, 但 IPv4 仍然是最重要的网际协议

11 11 2. 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三个协议 : 地址解析协议 ARP (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)

12 12 2. 网际协议 (IP) 应用层 运输层 各种应用层协议 (HTTP, FTP, SMTP 等 ) TCP, UDP 网络层 ( 网际层 ) ICMP IGMP IP ARP 网络接口层 与各种网络接口 物理硬件

13 13 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 互连在一起的网络要进行通信, 会遇到许多问题需要解决, 如 : 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式

14 14 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 因为用户的需求是多种多样的, 所以没有一种单一的网络能够适应所有用户的需求 网络技术是不断发展的, 网络的制造厂家也要不停止的推出新产品, 以获得更加的市场份额和持续利润 市场上有不同性能 不同网络协议的网络, 分布在不同的位置, 由不同的组织和人员来管理

15 15 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 从一般概念上来讲, 将网络互相连接起来要使用一些中间设备 根据中间设备所在的层次, 可以有以下四种不同的中间设备 : 转发器 (repeater): 物理层中继系统 网桥 ( 桥接器,bridge): 数据链路层中继系统 路由器 (router): 网络层中继系统 桥路器 (brouter): 数据链路层和网络层混合中继系统 网关 (gateway): 网络层以上使用的中继系统

16 16 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 在市场上, 主要的网络中间设备都有比较典型的产品名称

17 17 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 当中继系统是转发器或网桥时, 一般并不称之为网络互连, 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 我们讨论网络互联都是指用路由器进行网络互联和路由选择 路由器就是一台专用计算机, 用来在互联网中进行路由选择 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

18 18 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 TCP/IP 体系在网络互连上采用的做法是在网络层使用标准化协议, 但相互连接的的网络则可以是异构的 参加互连的计算机网络都采用相同的网际协议 (IP), 因此可以把互连以后的计算机网络看成为一个虚拟互连网络 (internet)

19 19 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 路由器 网络 网络 网络 网络 网络 虚拟互连网络 ( 互联网 ) (a) 互连网络 (b) 虚拟互连网络

20 20 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络, 它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的, 但是我们利用 IP 协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络 使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网 使用虚拟互连网络的好处是 : 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, 而看不见互连的各具体的网络异构细节

21 21 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 互联网可以由多种异构网络互连组成 在网络上, 两台主机通信分类两种形式 : 直接交付 : 在一个物理网络上, 数据报被源主机直接传送到目标主机上 间接交付 : 当源主机和目标主机分别处于不同的物理网络上时, 数据报由源主机通过网络上的路由器间接的传送到目标主机上

22 22 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 H R 1 R 2 R 主机 H 1 间接交付 R 1 间接交付 R 2 R 3 间接交付 R 5 间接交付 R 4 R 5 R 4 主机 H H 分组在互联网中的传送

23 23 2. 网际协议 (IP) 2.1 虚拟互连网络 IP 数据报 网络层网络层网络层网络层网络层网络层网络层 H 1 R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 H 2

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25 25 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 IP 地址及其表示方法 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 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 for Assigned Names and Numbers) 进行分配

26 26 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 IP 地址及其表示方法 IP 地址的编址方法共经过了三个历史阶段 : 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

27 27 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 分类的 IP 地址 分类的 IP 地址就是将 IP 地址划分为若干个固定类, 每一类地址都有两个字段组成 : 网络号 主机号 网络号 (net-id): 标志主机 ( 或路由器 ) 所连接到的网络 一个网络号在整个因特网范围内必须是唯一的 主机号 (host-id): 标志该主机 ( 或路由器 ) 一个主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的 一个 IP 地址在整个因特网范围内必须是唯一的

28 28 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 分类的 IP 地址 两级的 IP 地址可以 定义为 : IP 地址 ::= {< 网络号 >,< 主机号 >}

29 29 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 分类的 IP 地址

30 30 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 从 IP 地址的结构来看,IP 地址并不仅仅指明一个主机, 而是还指明了主机所连接到的网络 当初, 把 IP 地址划分为 A B C 三个类别, 是因为在现实中, 有的网络拥有很多主机, 有的网络上的主机很少 把 IP 地址划分为 A B C 三个类别, 能够更好的满足用户的不同需求 当某单位申请到一个 IP 地址时, 实际上获得了具有同样网络号的一组地址 其中主机号是自行分配的, 只要无重复即可

31 31 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 点分十进制记法 : 提高 IP 地址的可读性

32 32 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 常用的三种类别的 IP 地址

33 33 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 常用的三种类别的 IP 地址

34 34 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 IP 地址具有的重要特点 : 每一个 IP 地址都由网络号和主机号两部分组成 IP 地址是一种分等级的地址结构 分等级的两个好处是 : 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

35 35 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 IP 地址具有的重要特点 : 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 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

36 36 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 IP 地址具有的重要特点 : 一个网络是指具有相同网络号 net-id 的主机的集合 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 在 IP 地址中, 所有分配到网络号的网络都是平等的 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

37 37 2. 网际协议 (IP) 2.2 分类的 IP 地址 LAN N 2 R N N R 3 R 2 LAN B LAN

38 38 2. 网际协议 (IP) 2.3 IP 地址与硬件地址 IP 地址和硬件地址的区别 : 物理地址是数据链路层和物理层使用的地址 IP 地址是网络层和以上各层使用的地址,IP 地址是一种逻辑地址 在发送数据时, 数据从高层下到低层, 然后才到通信链路上传输 使用 IP 地址的 IP 数据报一旦交给了数据链路层, 就被封装成 MAC 帧 MAC 帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址 连接在通信链路上的设备在接受 MAC 帧时, 看不到 IP 地址 只有把数据帧提交给网络层, 才能够识别到 IP 地址

39 39 2. 网际协议 (IP) 2.3 IP 地址与硬件地址 首部 应用层数据 硬件地址 IP 地址 首部 TCP 报文 IP 数据报 网络层及以上使用 IP 地址 首部 MAC 帧 尾部 链路层及以下使用硬件地址

40 40 2. 网际协议 (IP) 2.3 IP 地址与硬件地址 IP 地址放在 IP 数据报的首部, 硬件地址则放在 MAC 帧的首部 在网络层和网络层以上使用 IP 地址, 在数据链路层使用硬件地址 当 IP 数据报放入数据链路层的 MAC 帧中以后, 整个的 IP 数据报就成为 MAC 帧的数据, 因而在数据链路层看不到数据报的 IP 地址信息

41 41 2. 网际协议 (IP) 2.3 IP 地址与硬件地址 主机 H 1 查找路由表查找路由表主机 H 2 IP 1 硬件地址 IP 路由器 R 1 路由器 R 2 2 HA 3 HA 4 HA 5 HA 6 HA 1 HA 2 局域网局域网局域网 通信的路径 H 1 经过 R 1 转发 再经过 R 2 转发 H 2

42 42 2. 网际协议 (IP) 2.3 IP 地址与硬件地址 主机 H IP 层上的互联网 1 主机 H 2 IP 数据报 路由器 R 1 路由器 R 2 IP 1 IP 1 IP 2 IP 1 IP 2 IP 1 IP 2 IP 2 IP 3 IP 4 IP 5 IP 6 HA 1 HA 3 HA 4 HA 5 HA 6 HA 2 从 HA 1 到 HA 3 从 HA 4 到 HA 5 从 HA 6 到 HA 2 MAC 帧 MAC 帧 MAC 帧

43 43 2. 网际协议 (IP) 2.3 IP 地址与硬件地址

44 44 2. 网际协议 (IP) 2.3 IP 地址与硬件地址 几个重点和总结 : 在 IP 层抽象的互联网上只能看到 IP 数据报 虽然在 IP 数据报中有源站 IP 地址, 但是路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择 在局域网的链路层, 只能看见 MAC 帧 IP 数据报被封装到 MAC 帧中作为数据部分 尽管互连在一起的网络的硬件地址体系各不相同, 但 IP 层抽象的互联网却屏蔽了下层很复杂的细节 只要在网络层上讨论问题, 就能够使用统一的 抽象的 IP 地址研究主机和主机或路由器之间的通信

45 45 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) 地址解析协议 (ARP) 的作用是 : 在知道一个 IP 地址时, 查找到该 IP 地址对应的硬件地址 由于 IP 协议用到了 ARP, 因此把 ARP 放到网络层来介绍 有些技术文档和书籍考虑到 ARP 最终解析的是硬件地址, 把 ARP 放到数据链路层 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

46 46 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) ICMP IGMP 网络层 ARP IP IP 地址 ARP 硬件地址

47 47 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) 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

48 48 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) 主机 A 广播发送 ARP 请求分组 我是 , 硬件地址是 C0-15-AD-18 我想知道主机 的硬件地址 ARP 请求 ARP 请求 ARP 请求 ARP 请求 X A Y B Z C0-15-AD-18

49 49 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) 主机 B 向 A 发送 ARP 响应分组 我是 硬件地址是 B-00-EE-0A ARP 响应 X A Y B Z C0-15-AD B-00-EE-0A

50 50 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) 为了减少网络上的通信量, 主机 A 在发送其 ARP 请求分组时, 就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组 当主机 B 收到 A 的 ARP 请求分组时, 就将主机 A 的这一地址映射写入主机 B 自己的 ARP 高速缓存中 这对主机 B 以后向 A 发送数据报时就更方便了

51 51 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) ARP 是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 如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上, 那么就要通过 ARP 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

52 52 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) 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

53 53 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) 使用 ARP 的四种典型情况 : 发送方是主机, 要把 IP 数据报发送到本网络上的另一个主机 这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址 发送方是主机, 要把 IP 数据报发送到另一个网络上的一个主机 这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址 剩下的工作由这个路由器来完成 发送方是路由器, 要把 IP 数据报转发到本网络上的一个主机 这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址 发送方是路由器, 要把 IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机 这时用 ARP 找到本网络上另一个路由器的硬件地址 剩下的工作由这个路由器来完成

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55 55 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) 为什么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

56 56 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) 如何查看本地主机的 ARP 高速缓存? 在 Linux 操作系统中, 通过在 shell 环境下输入 arp 查看, 也可以通过 arp 命令进行更多操作 在 Windows 操作系统中, 通过 运行 cmd, 在命令窗体中输入 arp -a 查看, 也可以通过 arp 命令进行更多操作 现场演示 arp 命令的使用, 并介绍 arp 高速缓存

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58 58 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP) ARP 的数据帧格式 : 硬件地址长度 协议地址长度 以太网目的地址 以太网源地址 帧类型 硬件类型 协议类型 OP 发送端以太网地址 发送端 IP 地址 目的以太网地址 目的 IP 地址 以太网首部 28 字节 ARP 请求 / 应答 通过 Wireshark 进行 ARP 数据报的分析

59 59 2. 网际协议 (IP) 2.4 地址解析协议 (ARP)

60 60 2. 网际协议 (IP) ARP 欺骗 : Who is ? 2.4 地址解析协议 (ARP) Internet ARP 缓存 Gateway ARP answer MAC:Gateway MAC:Gateway ARP request Ethernet A B C D IP: MAC: A Gateway: IP: MAC: B Gateway: IP: IP: MAC: C MAC:D The Gateway( ) Gateway: Gateway: is Gateway OP 发送端以太网地址 发送端 IP 地址 目的以太网地址 目的 IP 地址 FFFFFFFFFFFF Gateway Gateway

61 61 2. 网际协议 (IP) 2.5 IP 数据报的格式 一个 IP 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 在首部固定部分的后面是一些可选字段, 其长度是可变的 IP 数据报的格式也能够说明了 IP 协议的功能

62 62 2. 网际协议 (IP) 2.5 IP 数据报的格式 位 版本 首部长度 区分服务总长度 首部 固定部分 标识生存时间协议 标志 源 地 址 片 偏 移 首 部 检 验 和 可变部分 目的地址 可选字段 ( 长度可变 ) 填 充 数据部分 首 部 数据部分 发送在前 IP 数据报

63 位 版本 首部长度 区分服务总长度 首部 固定部分 标识生存时间协议 标志 源 地 址 片 偏 移 首 部 检 验 和 可变部分 目的地址 可选字段 ( 长度可变 ) 填 充 数据部分 版本 :4 位, 指 IP 协议的版本, 目前的 IP 协议版本号为 4( 即 IPv4) 首部长度 :4 位, 可表示的最大数值是 15 个单位 ( 一个单位为 4 字节 ), 因此 IP 的首部长度的最大值是 60 字节 区分服务 :8 位, 用来获得更好的服务 在旧标准中叫做服务类型, 但实际上一直未被使用过 1998 年这个字段改名为区分服务 只有在使用区分服务 (DiffServ) 时, 这个字段才起作用 在一般的情况下都不使用这个字段

64 位 版本 首部长度 区分服务总长度 首部 固定部分 标识生存时间协议 标志 源 地 址 片 偏 移 首 部 检 验 和 可变部分 目的地址 可选字段 ( 长度可变 ) 填 充 数据部分 总长度 :16 位, 指首部和数据之和的长度, 单位为字节, 因此数据报的最大长度为 字节 总长度必须不超过最大传送单元 MTU, 如果超过了, 就需要把过长的数据报进行分片处理 标识 (identification):16 位, 它是一个计数器, 用来产生数据报的标识 标志 (flag):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(Don't Fragment), 只有当 DF=0 时才允许分片

65 位 版本 首部长度 区分服务总长度 首部 固定部分 标识生存时间协议 标志 源 地 址 片 偏 移 首 部 检 验 和 可变部分 目的地址 可选字段 ( 长度可变 ) 填 充 数据部分 片偏移 :13 位 片偏移指出 : 较长的分组在分片后, 某片在原分组中的相对位置 也就是说, 相对于用户数据字段的起点, 该片从何处开始 片偏移以 8 个字节为偏移单位, 每个分片的长度一定是 8 个字节的整数倍 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,TTL 限制的为 跳数限制, 路由器转发数据报之前把 TTL 减 1, 如果 TTL 为 0, 路由器就丢弃这个数据报 因此 TTL 的单位是 跳数 协议 :8 位, 协议字段指出此数据报携带的数据使用何种协议, 以方便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理程序进行处理

66 位 版本 首部长度 区分服务总长度 首部 固定部分 标识生存时间协议 标志 源 地 址 片 偏 移 首 部 检 验 和 可变部分 目的地址 可选字段 ( 长度可变 ) 填 充 数据部分 首部校验和 :16 位 这个校验只检测数据报的首部, 不对数据报的数据部分进行校验 首部校验和没有使用 CRC 这样复杂的计算, 而是采用了更加简单的方法 ( 算法参考教材的内容, 并进行介绍 ) 源地址 :32 位, 发送数据报的 IP 地址 目的地址 :32 位, 接收数据报的 IP 地址

67 位 版本 首部长度 区分服务总长度 首部 固定部分 标识生存时间协议 标志 源 地 址 片 偏 移 首 部 检 验 和 可变部分 目的地址 可选字段 ( 长度可变 ) 填 充 数据部分 IP 首部的可变部分就是一个选项字段 选项字段用来支持排错 测量以及安全等措施, 内容很丰富 此字段的长度为 1-40 个字节不等, 取决于所选择的项目内容 增加首部的可变部分是为了提高 IP 数据报的功能, 但同时也使得 IP 数据报的首部变为可变的, 增加了路由器的开销 IPv6 将 IP 数据报的首部长度定为为固定的

68 68 2. 网际协议 (IP) 2.5 IP 数据报的格式 IP 数据报分片的分析 : 需分片的数据报 首部 数据部分共 3800 字节 偏移 =0/8=0 字节 首部 1 首部 2 首部 3 字节 0 数据报片 1 偏移 =0/8= 数据报片 2 数据报片 3 偏移 =1400/8=175 偏移 =2800/8=350

69 69 2. 网际协议 (IP) 2.5 IP 数据报的格式 协议字段的作用 : 运输层 TCP UDP ICMP IGMP OSPF 网络层 首部 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

70 70 2. 网际协议 (IP) 2.6 IP 层转发分组的流程 举个极端的例子 : 有四个 A 类网络通过三个路由器连接在一起 每一个网络上都可能有成千上万个主机 可以想像, 若按目的主机号来制作路由表, 则所得出的路由表就会过于庞大 但若按主机所在的网络地址来制作路由表, 那么每一个路由器中的路由表就只包含 4 个项目 这样就可使路由表大大简化

71 71 2. 网际协议 (IP) 2.6 IP 层转发分组的流程 网 R 1 网 R 2 R 3 网 网 路由器 R 2 的路由表 目的主机所在的网络 下一跳地址直接交付, 接口 0 直接交付, 接口

72 72 2. 网际协议 (IP) 2.6 IP 层转发分组的流程 网 R 1 网 R 2 R 3 网 网 路由器 R 2 的路由表 目的主机所在的网络 下一跳地址 直接交付, 接口 0 直接交付, 接口 R 1 R 2 R 3 链路 1 链路 2 链路 3 链路 4

73 73 2. 网际协议 (IP) 2.6 IP 层转发分组的流程 在互联网上转发分组时, 是从一个路由器转发到下一个路由器 在路由表中, 对每一条路由最主要的是两个信息 : ( 目的网络地址, 下一跳地址 ) 根据目的网络地址就能确定下一跳路由器, 最终结果是 : IP 数据报最终一定可以找到目的主机所在目的网络上的路由器 ( 可能要通过多次的间接交付 ) 只有到达最后一个路由器时, 才试图向目的主机进行直接交付

74 74 2. 网际协议 (IP) 2.6 IP 层转发分组的流程 特定主机路由 : 这种路由是为特定的目的主机指明一个路由 采用特定主机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 默认路由 : 路由器还采用默认路由以减少路由表所占用的空间和搜索路由表所用的时间 这种转发方式在一个网络只有很少的对外连接时是很有用的 默认路由在主机发送 IP 数据报时往往更能显示出它的好处 如果一个主机连接在一个小网络上, 而这个网络只用一个路由器和因特网连接, 那么在这种情况下使用默认路由是非常合适的

75 75 2. 网际协议 (IP) 2.6 IP 层转发分组的流程 默认路由 : 只要目的网络不是 N1 和 N2, 就一律选择默认路由, 把数据报先间接交付路由器 R1, 让 R1 再转发给下一个路由器 路由表 N 2 目的网络下一跳 N 1 直接 N 2 R 2 R 2 N 1 R 1 因特网 默认 R 1

76 76 2. 网际协议 (IP) 2.6 IP 层转发分组的流程 需要注意的是 : IP 数据报的首部中没有地方可以用来指明 下一跳路由器的 IP 地址 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, 然后根据这个硬件地址找到下一跳路由器

77 77 2. 网际协议 (IP) 2.6 IP 层转发分组的流程 分组转发算法 1 从数据报的首部提取目的主机的 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, 则把数据报直接交付目的主机 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, 则把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, 则把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, 则把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 报告转发分组出错

78 78 2. 网际协议 (IP) 2.6 IP 层转发分组的流程

79 79 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 三级 IP 地址 举例讨论 : 某单位获得 A 类地址, 却只有 300 台主机 路由器里面的路由表应该有多少条记录? 某单位紧急扩展网络后, 如何让新扩展网络接入互联网?

80 80 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 三级 IP 地址 两级 IP 地址的不足 : 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 解决思路 : 申请到地址后, 可以再进行二次划分, 把一个 A 类或 B 类地址划分为多个网络 让地址段更小 更灵活

81 81 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 三级 IP 地址 从 1985 年起, 在 IP 地址中又增加了一个新的字段 : 子网号字段, 两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址 从两级的 IP 地址变为三级的 IP 地址后, 解决了分类 IP 地址管理的不足, 让 IP 管理和使用变得更加灵活 将两级的 IP 地址变为三级的 IP 地址的做法, 叫作划分子网 (subnetting), 或叫子网划分 子网路由选择 目前, 划分子网已成为因特网的正式标准协议

82 82 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 三级 IP 地址 划分子网的思路 : 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 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}

83 83 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 三级 IP 地址 划分子网的思路 : 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

84 84 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 三级 IP 地址 R R 3 R 1 我的网络地址是 网络 所有到网络 的分组均到达此路由器

85 85 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 三级 IP 地址 R 子网 子网 R 3 R 1 子网 所有到达网络 的分组均到达此路由器 网络

86 86 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 三级 IP 地址 当没有划分子网时,IP 地址是两级结构 划分子网后 IP 地址就变成了三级结构 划分子网只是把 IP 地址的主机号 host-id 这部分进行再划分, 而不改变 IP 地址原来的网络号 net-id 划分子网是单位内部为了管理而自行开展的工作, 对于上层接入网络而讲没有任何影响

87 87 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 子网掩码 从 IP 数据报的首部无法看出源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分 为了看到一个 IP 地址的网络号和主机号, 于是使用了子网掩码 (subnet mask) 来作为辅助手段, 以计算某一个 IP 地址的网络号

88 88 3. 划分子网与构建超网 网络号 3.1 划分子网 : 子网掩码 主机号 两级 IP 地址 网络号子网号主机号 三级 IP 地址 子网号为 3 的网络的网络号 主机号 三级 IP 地址的子网掩码 子网的网络地址

89 89 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 子网掩码 两级 IP 地址 网络号 主机号 三级 IP 地址网络号子网号主机号 逐位进行 AND 运算 三级 IP 地址的子网掩码 子网的网络地址 网络号子网号 0

90 90 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 子网掩码 使用子网掩码之后, 不管网络是否划分了子网, 都可以通过子网掩码和 IP 地址逐位的 与 运算, 方便的得出网络地址 路由器在进行分组转发时, 就不需要考虑是否划分子网, 通过一个方法进行处理即可

91 91 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 子网掩码 讨论 : IP 地址 : , 是 C 类地址, 在具体使用时没有进行子网划分 但是在具体应用中, 依然需要使用子网掩码, 这是为什么? 不划分子网也要使用子网掩码的原因, 就在于让路由器以一个方法进行分组处理, 以便于以一种方法查找路由表 子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性

92 92 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 子网掩码 A 类地址 网络地址 默认子网掩码 网络号主机号为全 B 类地址 网络地址 默认子网掩码 网络号 主机号为全 C 类地址 网络地址 默认子网掩码 网络号 主机号为全

93 93 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 子网掩码 子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性 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

94 94 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 子网掩码 现场演示 : 让一个主机同时接入到两个网络上 ( 为一个网络接口卡配置多个 IP 地址 )

95 95 3. 划分子网与构建超网 3.1 划分子网 : 子网掩码 计算 : 已知 IP 地址 , 子网掩码是 , 请计算其网络地址 已知 IP 地址 , 子网掩码是 , 请计算其网络地址 已知 IP 地址 , 子网掩码是 , 请计算机其网络地址, 并列出该网络内的所有 IP 地址

96 96 3. 划分子网与构建超网 3.2 使用子网掩码的分组转发过程 在不划分子网的两级 IP 地址下, 从 IP 地址得出网络地址是个很简单的事 ( 讨论 : 两级 IP 地址下的分组转发 ) 但在划分子网的情况下, 从 IP 地址却不能唯一地得出网络地址来, 这是因为网络地址取决于网络所采用的子网掩码, 但数据报的首部并没有提供子网掩码的信息 在划分子网的情况下, 分组转发的算法也必须做相应的改动

97 97 3. 划分子网与构建超网 3.2 使用子网掩码的分组转发过程 使用子网划分后, 路由表必须包含以下三项内容 : 目的网络地址 子网掩码和下一跳地址

98 98 3. 划分子网与构建超网 3.2 使用子网掩码的分组转发过程 划分子网的情况下, 路由器转发分组的算法 : 1 从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D 2 先用各网络的子网掩码和 D 逐位相 与, 看是否和相应的网络地址匹配 若匹配则直接交付 否则就是间接交付, 执行 3 3 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由, 则将分组传送给指明的下一跳路由器 ; 否则, 执行 4 4 对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐位相 与, 若其结果与该行的目的网络地址匹配, 则将分组传送给该行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, 则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器 ; 否则, 执行 6 6 报告转发分组出错

99 99 3. 划分子网与构建超网 3.2 使用子网掩码的分组转发过程 源主机 H 1: 子网 1: 网络地址 子网掩码 R 1 的路由表 ( 未给出默认路由器 ) 目的网络地址子网掩码下一跳 接口 0 接口 1 R R 1 子网 2: 网络地址 子网掩码 R 目的主机 H 2: 目的主机 H 3: 子网 3: 网络地址 子网掩码

100 划分子网与构建超网 3.2 使用子网掩码的分组转发过程 讨论 : H1 向 H2 发送分组数据,R1 在接收到 H1 发送的数据报后, 查找路由表的过程 H1 向 H3 发送分组数据,R1 R2 在接收到 H1 发送的数据报后, 查找路由表的过程 R2 的路由表的具体内容是什么?

101 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) 划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难 然而在 1992 年因特网仍然面临三个必须尽早解决的问题, 这就是 : B 类地址在 1992 年已分配了近一半, 眼看就要在 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

102 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) 网络前缀

103 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) 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, 它的正式名字是无分类域间路由选择 CIDR(Classless Inter- Domain Routing)

104 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) 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, 因而可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间 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 地址从三级编址 ( 使用子网掩码 ) 又回到了两级编址 IP 地址 ::= {< 网络前缀 >, < 主机号 >}

105 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) CIDR 使用 斜线记法 (slash notation), 它又称为 CIDR 记法, 即在 IP 地址面加上一个斜线 /, 然后写上网络前缀所占的位数 ( 这个数值对应于三级编址中子网掩码中 1 的个数 ) CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成 CIDR 地址块 IP 地址 ::= {< 网络前缀 >, < 主机号 >}

106 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) CIDR 地址表示方法讨论 : /20 表示的地址块共有 2 12 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 ) 这个地址块的起始地址是 在不需要指出地址块的起始地址时, 也可将这样的地址块简称为 /20 地址块 /20 地址块的最小地址 : /20 地址块的最大地址 :

107 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) CIDR 地址表示方法讨论 : /10 表示的地址块共有 2 22 个地址 /10 可简写为 10/10, 也就是将点分十进制中低位连续的 0 省略 /10 相当于指出 IP 地址 的掩码是 , 即 /10 可以表示为在网络前缀的后面加一个星号 * 的方法, 即 : *, 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

108 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) CIDR 地址表示方法讨论 : Network: Netmask: CIDR: /24 Network: Netmask: CIDR: /?

109 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) CIDR 地址表示方法讨论 :

110 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) CIDR 地址表示方法讨论 :

111 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) 路由聚合 (route aggregation): 一个 CIDR 地址块可以表示很多地址, 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 ( 例如上千个 ) 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

112 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) 路由聚合 (route aggregation): ISP /18 因特网 /22 大学 X / / / / / / / / / / / /25 一系 /26 二系 三系 / / /26 四系 单位地址块二进制表示地址数 ISP / * 大学 / * 1024 一系 / * 512 二系 / * 256 三系 / * 128 四系 / * 128

113 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) 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-prefix 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

114 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) 使用二叉线索查找路由表 : 当路由表的项目数很大时, 设法减小路由表的查找时间就成为一个非常重要的问题 为了进行更加有效的查找, 通常是将无分类编址的路由表存放在一种层次的数据结构中, 然后自上而下地按层次进行查找 最常用的就是二叉线索 (binary trie) IP 地址中从左到右的比特值决定了从根结点逐层向下层延伸的路径, 而二叉线索中的各个路径就代表路由表中存放的各个地址 为了提高二叉线索的查找速度, 广泛使用了各种压缩技术

115 划分子网与构建超网 3.3 构建超网 (CIDR) 使用二叉线索查找路由表 : 32 位的 IP 地址唯一前缀

116 网际控制报文协议 ICMP 4.1 ICMP 为了提高 IP 数据报交付成功的机会, 在网际层使用了网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) ICMP 是 IPv4 协议簇中的一个子协议, 用于在 IP 主机 路由器之间传递控制消息 控制消息是指网络通不通 主机是否可达 路由是否可用等网络本身的消息 这些控制消息虽然并不传送用户数据, 但是对于用户数据的传递起着重要的作用

117 网际控制报文协议 ICMP 4.1 ICMP ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告 ICMP 不是高层协议, 而是 IP 层的协议 ICMP 协议与 ARP 协议不同,ICMP 依靠 IP 协议来完成任务, 所以 ICMP 报文中要封装 IP 头部, 组成 IP 数据报发送出去 ICMP 一般并不用来在端系统之间传送数据, 不被用户网络程序直接使用 端系统中,Ping 和 Traceroute 等诊断网络的工具才会直接使用 ICMP 协议

118 网际控制报文协议 ICMP 4.1 ICMP ICMP 报告无法传送的数据报的错误, 并帮助对这些错误进行疑难解答 例如, 如果 IPv4 不能够将数据报传送到目标主机, 则路由器或目标主机上的 ICMP 就会向主机发送 ICMP 的 无法到达目标 的消息 在下列情况中, 通常自动发送 ICMP 消息 : IP 数据报无法访问目标 IP 路由器 ( 网关 ) 无法按当前的传输速率转发数据报 IP 路由器将发送主机重定向为使用到达目标的更佳路由

119 网际控制报文协议 ICMP 4.1 ICMP

120 网际控制报文协议 ICMP 4.2 ICMP 报文 前 4 个字节相同 类型 代码 检验和 ( 这 4 个字节取决于 ICMP 报文的类型 ) ICMP 的数据部分 ( 长度取决于类型 ) ICMP 报文 首部 数据部分 IP 数据报

121 网际控制报文协议 ICMP 4.2 ICMP 报文

122 网际控制报文协议 ICMP 4.2 ICMP 报文 ICMP 报文的种类有两种, 即 ICMP 差错报告报文和 ICMP 询问报文 ICMP 报文的前 4 个字节是统一的格式, 共有三个字段 : 即类型 代码和检验和 接着的 4 个字节的内容与 ICMP 的类型有关

123 网际控制报文协议 ICMP 4.2 ICMP 报文 IP 数据报传输协议 IP 数据报 信息不可到达报告 差错报告报文 超时报告 IP 协议 参数出错报告 差错与控制报文协议 ICMP 控制报文 源抑制报文 重定向报文 请求 / 应答报文 回应请求 / 应答报文 时戳请求 / 应答报文 地址模请求 / 应答报文

124 网际控制报文协议 ICMP 4.2 ICMP 报文 ICMP 差错报告报文共有 5 种 : 终点不可达 源点抑制 (Source quench) 时间超过 参数问题 改变路由 ( 重定向 )(Redirect)

125 网际控制报文协议 ICMP 4.2 ICMP 报文 不应发送 ICMP 差错报告报文的几种情况 : 对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送 ICMP 差错报告报文 对具有多播地址的数据报都不发送 ICMP 差错报告报文 对具有特殊地址 ( 如 或 ) 的数据报不发送 ICMP 差错报告报文

126 网际控制报文协议 ICMP 4.2 ICMP 报文 ICMP 询问报文有两种 : 回送请求和回答报文 时间戳请求和回答报文 停止使用的几种 ICMP 报有 : 信息请求与回答报文 掩码地址请求和回答报文 路由器询问和通告报文

127 网际控制报文协议 ICMP 4.2 ICMP 报文

128 网际控制报文协议 ICMP 4.3 Ping Ping 程序是 ICMP 协议的最常见应用程序, 由 Mike Muuss 编写, 可以用来测试目的主机是否可到达 Ping 程序使用 ICMP 回应请求和回应应答报文来实现

129 网际控制报文协议 ICMP 4.3 Ping 当调用 ping 程序时, 它发送一个包含 ICMP 回应请求的报文给目的地, 然后等待一段很短的时间 如果没有收到应答, 则重新传送请求 如果重传的请求仍没有收到应答 ( 或收到一个 ICMP 目的不可达报文 ),ping 报告该远程机器为不可达 远端主机上的 ICMP 软件应答该回应请求报文 按照协议只要收到回应请求,ICMP 软件必须发送回应应答

130 网际控制报文协议 ICMP 4.3 Ping 执行 Ping 操作 :ping

131 网际控制报文协议 ICMP 4.3 Ping 执行 Ping 操作 :ping 通过 Wireshark 捕获的 ICMP 数据报文

132 网际控制报文协议 ICMP 4.3 Ping

133 网际控制报文协议 ICMP 4.4 tracert windows 的 tracert 和 linux/unix/router 的 traceroute 都用于探测数据包从源到目的经过路由的 IP, 但两者探测的方法却有差别 默认情况下,tracert 是向目的地址发出 ICMP 请求回显数据包, 而 traceroute 是向目的地址的某个端口 ( 大于 30000) 发送 UDP 数据报 两者用于探测的数据类型不同 但他们也有一个共同点 : 都是通过设置发送包的 TTL 的值从 1 开始 逐次增 1 的方法来探测

134 网际控制报文协议 ICMP 4.4 tracert

135 网际控制报文协议 ICMP 4.4 tracert

136 路由选择协议 网络层的主要功能是将分组从源节点路由到目的节点中, 而且在大多数计算机网络中, 采用的是数据报分组交换方式, 数据报分组需要经过多跳 (Hop) 才能到达目的地 路由功能是一种数据报分组交换路径选择行为, 是网络层的一种基本功能 路由功能和日常旅行时选择最佳路线的道理是相通的, 路由选择就是综合考虑多种因素, 例如线路长度 信道带宽 线路稳定性等

137 路由选择协议 5.1 路由的分类 路由 (Routing) 是把信息从源节点通过网络传送到目的节点的行为, 简单的讲路由就是指网络层设备从一个接口上收到数据包, 根据数据包的目的地址进行定向, 并转发到另一个接口的过程 路由与桥接对比的主要区别在于 : 桥接发生在数据链路层, 连接的是同一网络或同一子网的不同网段 路由发生在网络层, 连接的是不同网络或不同子网

138 路由选择协议 5.1 路由的分类 路由功能的实现是依靠路由器或路由交换机中的路由表进行的 路由分为静态路由 (Static Routing) 和动态路由 (Dynamic Routing) 两大类

139 路由选择协议 5.1 路由的分类 静态路由 : 静态路由是手动配置的路由, 特别是在小型局域网中, 因为静态路由的配置和管理都比较简单 静态路由的特点是 : 手动配置 : 静态路由需要管理员手动进行逐条配置 路由路径固定不变 : 静态路由不会随着网络的拓扑结构或链路的状态变化而变化, 是静态固定的 不可通告性 : 静态路由信息是私有的, 不会通告给其他路由器 单向性 : 静态路由仅为数据提供沿着下一跳的方向进行路由, 不提供反向路由

140 路由选择协议 5.1 路由的分类 静态路由 : 静态路由明确的指明了到达目的网络, 所以在所有同目的地址的路由中, 静态路由的优先级是除 直连路由 外最高的, 也就是说如果配置了到达某一网络或者某一结点的静态路由, 则优先采用这条静态路由, 只有当该条静态路由不可用时, 才会考虑其他路由 静态路由一般适合比较简单的小型网络环境, 因为在这样环境中, 网络管理员易于清楚的了解网络的拓扑结构, 能够设置正确的路由信息

141 路由选择协议 5.1 路由的分类 动态路由 : 对于较为大型的广域网来说, 由于拓扑结构复杂, 且网络结构可能经常变动, 通常会采用更加灵活 更具自动特性的动态路由

142 路由选择协议 5.1 路由的分类 动态路由的特点 : 自动生成 : 路由器在启动了动态路由协议后, 将会通告所直接连接的网络, 则路由器间就会自动生成路由器直接连接的网络间的路由表项 自动调整 : 当网络结构发生改变, 动态路由可以随时根据网络拓扑结构的变化调整路由表项, 并删除无效的路由表项 自动通告 : 动态路由可以在相邻路由器上相互通告, 以便及时反映拓扑结构的变化, 生成新的动态路由表项 自动生成双向路由 : 路由器在生成某条路由的动态路由时会自动生成回程路由表项, 也就是会同时双向路由表项

143 路由选择协议 5.1 路由的分类 动态路由的特点 : 仅可生成网络间的路由表项 : 动态路由不能够生成到达具体节点或主机的动态路由表项 不同动态路由不兼容 : 动态路由根据所采用的算法的不同分为不同类型, 如 RIP OSPF EIGRP IS-IS BGP 等 不同的动态路由协议主要适用的网络环境不一样, 也是不兼容的 但是支持互相重发布

144 路由选择协议 5.2 有关路由选择协议的几个基本概念 理想的路由算法 : 路由选择协议的核心是路由算法, 即需要何种算法来获得路由表中的各项目 路由算法应具有的特点是 : 算法必须是正确的和完整的 算法在计算上应简单 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化, 这就是说, 要有自适应性 算法应具有稳定性 算法应是公平的 算法应是最佳的

145 路由选择协议 5.2 有关路由选择协议的几个基本概念 最佳路由 : 不存在一种绝对的最佳路由算法 所谓 最佳 只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已 实际的路由选择算法, 应尽可能接近于理想的算法 路由选择是个非常复杂的问题 : 它是网络中的所有结点共同协调工作的结果 路由选择的环境往往是不断变化的, 而这种变化有时无法事先知道

146 路由选择协议 5.2 有关路由选择协议的几个基本概念 分层次的路由选择协议 : 因特网采用分层次的路由选择协议 因特网的规模非常大 如果让所有的路由器知道所有的网络应怎样到达, 则这种路由表将非常大, 处理起来也太花时间 而所有这些路由器之间交换路由信息所需的带宽就会使因特网的通信链路饱和 许多单位不愿意外界了解自己单位网络的布局细节和本部门所采用的路由选择协议 ( 这属于本部门内部的事情 ), 但同时还希望连接到因特网上

147 路由选择协议 5.2 有关路由选择协议的几个基本概念 自治系统 (Autonomous System,AS): 自治系统 AS 的定义 : 在单一的技术管理下的一组路由器, 而这些路由器使用一种 AS 内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该 AS 内的路由, 同时还使用一种 AS 之间的路由选择协议用以确定分组在 AS 之间的路由 现在对自治系统 AS 的定义是强调下面的事实 : 尽管一个 AS 使用了多种内部路由选择协议和度量, 但重要的是一个 AS 对其他 AS 表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略

148 路由选择协议 5.2 有关路由选择协议的几个基本概念 因特网的两大类路由选择协议 : 内部网关协议 IGP (Interior Gateway Protocol) : 即在一个自治系统内部使用的路由选择协议 目前这类路由选择协议使用得最多, 如 RIP 和 OSPF 协议 外部网关协议 EGP (External Gateway Protocol) : 若源站和目的站处在不同的自治系统中, 当数据报传到一个自治系统的边界时, 就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中 这样的协议就是外部网关协议 EGP 在外部网关协议中目前使用最多的是 BGP-4

149 路由选择协议 5.2 有关路由选择协议的几个基本概念 因特网的两大类路由选择协议 : 自治系统 A 用内部网关协议 ( 例如,RIP) R 用外部网关协议 1 R ( 例如,BGP-4) 2 自治系统 B 用内部网关协议 ( 例如,OSPF) 自治系统之间的路由选择叫做域间路由选择 (interdomain routing) 自治系统内部的路由选择叫做域内路由选择 (intradomain routing)

150 路由选择协议 5.3 内部网关协议 RIP 路由信息协议 (Routing Information Protocol,RIP) 是内部网关协议 IGP 中最先得到广泛使用的协议 它的中文名称很少使用, 叫做路由信息协议 RIP 是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议, 是因特网的标准协议 RIP 协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录

151 路由选择协议 5.3 内部网关协议 RIP 距离 : 从一路由器到直接连接的网络的距离定义为 1 从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加 1 RIP 协议中的 距离 也称为 跳数 (hop count), 因为每经过一个路由器, 跳数就加 1 RIP 协议中的 距离 实际上指的是 最短距离 RIP 认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少, 即 距离短 RIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器, 距离 的最大值为 16 时即相当于不可达 RIP 不能在两个网络之间同时使用多条路由 RIP 选择一个具有最少路由器的路由 ( 即最短路由 ), 哪怕还存在另一条高速 ( 低时延 ) 但路由器较多的路由

152 路由选择协议 5.3 内部网关协议 RIP RIP 协议的特点 : 仅和相邻路由器交换信息 交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息, 即自己的路由表 按固定的时间间隔交换路由信息, 例如, 每隔 30 秒 然后路由器根据收到的路由信息更新路由表 当网络拓扑发生变化时, 路由器也及时向相邻路由器通告拓扑变化后的路由信息

153 路由选择协议 5.3 内部网关协议 RIP 路由表的建立过程 : 路由器在刚刚开始工作时, 只知道到直接连接的网络的距离 ( 此距离定义为 1) 以后, 每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息 经过若干次更新后, 所有的路由器最终都会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址 RIP 协议的收敛 (convergence) 过程较快, 即在自治系统中所有的结点都得到正确的路由选择信息的过程

154 路由选择协议 5.3 内部网关协议 RIP 距离向量算法 : 收到相邻路由器 ( 其地址为 X) 的一个 RIP 报文 : 先修改此 RIP 报文中的所有项目 : 把 下一跳 字段中的地址都改为 X, 并把所有的 距离 字段的值加 1 对修改后的 RIP 报文中的每一个项目, 重复以下步骤 : 若项目中的目的网络不在路由表中, 则把该项目加到路由表中 否则若下一跳字段给出的路由器地址是同样的, 则把收到的项目替换原路由表中的项目 否则若收到项目中的距离小于路由表中的距离, 则进行更新, 否则, 什么也不做 若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表, 则把此相邻路由器记为不可达路由器, 即将距离置为 16( 距离为 16 表示不可达 )

155 路由选择协议 5.3 内部网关协议 RIP 路由器之间交换信息 : RIP 协议让互联网中的所有路由器都和自己的相邻路由器不断交换路由信息, 并不断更新其路由表, 使得从每一个路由器到每一个目的网络的路由都是最短的 ( 即跳数最少 ) 虽然所有的路由器最终都拥有了整个自治系统的全局路由信息, 但由于每一个路由器的位置不同, 它们的路由表当然也应当是不同的

156 路由选择协议 5.3 内部网关协议 RIP RIP2 协议的报文格式 : 4 字节命令版本必为 0 4 字节 地址族标识符路由标记网络地址 子网掩码下一跳路由器地址 距离 (1-16) IP 首部 UDP 首部 首部路由部分 RIP 报文 UDP 用户数据报 IP 数据报 路由信息 (20 字节 / 路由 ) 可重复出现最多 25 个

157 路由选择协议 5.3 内部网关协议 RIP RIP 协议的优缺点 : RIP 存在的一个问题是当网络出现故障时, 要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器 RIP 协议最大的优点就是实现简单, 开销较小 RIP 限制了网络的规模, 它能使用的最大距离为 15(16 表示不可达 ) 路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表, 因而随着网络规模的扩大, 开销也就增加

158 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF 开放最短路径优先 (Open Shortest Path First,OSPF) 协议是为了克服 RIP 的缺点, 在 1989 年开发出来的 开放 表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制, 而是公开发表的 最短路径优先 是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法 SPF OSPF 只是一个协议的名字, 它并不表示其他的路由选择协议不是 最短路径优先 实际上, 所有的在自治系统内部使用的路由选择协议都是要寻找最短路径的

159 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF OSPF 协议最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议 (Link State Protocol), 而不是像 RIP 那样的距离向量协议 OSPF 的三个要点 : 向本自治系统中所有路由器发送信息, 这里使用的方法是洪泛法 发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态, 但这只是路由器所知道的部分信息 链路状态 就是说明本路由器都和哪些路由器相邻, 以及该链路的 度量 (metric) 只有当链路状态发生变化时, 路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息

160 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF 链路状态数据库 (Link-state Database): 由于各路由器之间频繁地交换链路状态信息, 因此所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库 这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图, 它在全网范围内是一致的 ( 这称为链路状态数据库的同步 ) OSPF 的链路状态数据库能较快地进行更新, 使各个路由器能及时更新其路由表 OSPF 的更新过程收敛得快是其重要优点

161 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF OSPF 区域 (area): 为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络,OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围, 叫作区域 每一个区域都有一个 32 位的区域标识符 ( 用点分十进制表示 ) 区域也不能太大, 在一个区域内的路由器最好不超过 200 个

162 路由选择协议 OSPF 区域 (area): 至其他自治系统 5.4 内部网关协议 OSPF 自治系统 AS 主干区域 网 1 R 2 R 1 网 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 网 7 网 6 R 9 网 3 网 8 网 5 R 8 网 4 区域 区域 区域

163 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF OSPF 数据报 : OSPF 不用 UDP 而是直接用 IP 数据报传送 OSPF 构成的数据报很短 这样做可减少路由信息的通信量 数据报很短的另一好处是可以不必将长的数据报分片传送 分片传送的数据报只要丢失一个, 就无法组装成原来的数据报, 而整个数据报就必须重传

164 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF OSPF 数据报 : 位 版 本 类 型 分 组 长 度 路 由 器 标 识 符 区 域 标 识 符 检 验 和 鉴 别 类 型 鉴 别 鉴 别 24 字节 OSPF 分组首部 类型 1 至类型 5 的 OSPF 分组 IP 数据报首部 OSPF 分组 IP 数据报

165 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF OSPF 数据报 : OSPF 对不同的链路可根据 IP 分组的不同服务类型 TOS 而设置成不同的代价 因此,OSPF 对于不同类型的业务可计算出不同的路由 如果到同一个目的网络有多条相同代价的路径, 那么可以将通信量分配给这几条路径 这叫作多路径间的负载平衡 所有在 OSPF 路由器之间交换的分组都具有鉴别的功能 支持可变长度的子网划分和无分类编址 CIDR 每一个链路状态都带上一个 32 位的序号, 序号越大状态就越新

166 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF OSPF 的五种分组类型 : 类型 1: 问候 (Hello) 分组 类型 2: 数据库描述 (Database Description) 分组 类型 3: 链路状态请求 (Link State Request) 分组 类型 4: 链路状态更新 (Link State Update) 分组, 用洪泛法对全网更新链路状态 类型 5, 链路状态确认 (Link State Acknowledgment) 分组

167 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF OSPF 的五种分组类型 : 确定可达性 达到数据库的同步 新情况下的同步 问候问候数据库描述数据库描述数据库描述数据库描述链路状态请求链路状态更新链路状态确认

168 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF OSPF 使用的是可靠 的洪泛法 : t 1 R 更新报文 t 2 R t 3 R ACK 报文 t t 4 R

169 路由选择协议 5.4 内部网关协议 OSPF OSPF 的其他特点 : OSPF 规定每隔一段时间, 如 30 分钟, 要刷新一次数据库中的链路状态 由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态, 因而与整个互联网的规模并无直接关系 因此当互联网规模很大时, OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多 OSPF 没有 坏消息传播得慢 的问题, 据统计, 其响应网络变化的时间小于 100ms 多点接入的局域网采用了指定的路由器的方法, 使广播的信息量大大减少

170 路由选择协议 5.4 外部网关协议 BGP 边界网关协议 BGP 是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议 BGP 较新版本是 2006 年 1 月发表的 BGP-4(BGP 第 4 个版本 ), 即 RFC 4271 ~ 4278 为了简单起见, 将 BGP-4 简写为 BGP

171 路由选择协议 5.4 外部网关协议 BGP 为什么在不同的 AS 之间不能够使用 RIP 或 OSPF? 因特网的规模太大, 使得自治系统之间路由选择非常困难 对于自治系统之间的路由选择, 要寻找最佳路由是很不现实的 当一条路径通过几个不同 AS 时, 要想对这样的路径计算出有意义的代价是不太可能的 比较合理的做法是在 AS 之间交换 可达性 信息 自治系统之间的路由选择必须考虑有关策略 边界网关协议 BGP 只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由 ( 不能兜圈子 ), 而并非要寻找一条最佳路由

172 路由选择协议 5.4 外部网关协议 BGP BGP 发言人 (BGP speaker) 每一个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的 BGP 发言人 一般说来, 两个 BGP 发言人都是通过一个共享网络连接在一起的, 而 BGP 发言人往往就是 BGP 边界路由器, 但也可以不是 BGP 边界路由器

173 路由选择协议 5.4 外部网关协议 BGP BGP 发言人 (BGP speaker) 一个 BGP 发言人与其他自治系统中的 BGP 发言人要交换路由信息, 就要先建立 TCP 连接, 然后在此连接上交换 BGP 报文以建立 BGP 会话 (session), 利用 BGP 会话交换路由信息 使用 TCP 连接能提供可靠的服务, 也简化了路由选择协议 使用 TCP 连接交换路由信息的两个 BGP 发言人, 彼此成为对方的邻站或对等站

174 路由选择协议 5.4 外部网关协议 BGP BGP 发言人自治系统 AS 的关系 AS 1 BGP 发言人 BGP 发言人 AS 2 BGP 发言人 BGP 发言人 AS 4 AS 3 BGP 发言人 AS 5

175 路由选择协议 5.4 外部网关协议 BGP BGP 协议的特点 : BGP 协议交换路由信息的结点数量级是自治系统数的量级, 这要比这些自治系统中的网络数少很多 每一个自治系统中 BGP 发言人 ( 或边界路由器 ) 的数目是很少的 这样就使得自治系统之间的路由选择不致过分复杂 BGP 支持 CIDR, 因此 BGP 的路由表也就应当包括目的网络前缀 下一跳路由器, 以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列 在 BGP 刚刚运行时,BGP 的邻站是交换整个的 BGP 路由表 但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分 这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销方面都有好处

176 路由选择协议 5.4 外部网关协议 BGP BGP-4 共使用四种报文 : 打开 (OPEN) 报文, 用来与相邻的另一个 BGP 发言人建立关系 更新 (UPDATE) 报文, 用来发送某一路由的信息, 以及列出要撤消的多条路由 保活 (KEEPALIVE) 报文, 用来确认打开报文和周期性地证实邻站关系 通知 (NOTIFICATION) 报文, 用来发送检测到的差错 在 RFC 2918 中增加了 ROUTE-REFRESH 报文, 用来请求对等端重新通告

177 路由选择协议 5.4 外部网关协议 BGP BGP 报文结构 : 字节 标记长度类型 BGP 报文通用首部 BGP 报文主体部分 TCP 首部 BGP 报文 IP 首部 TCP 报文

178 路由选择协议 5.5 路由器的结构 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

179 路由选择协议 路由器的结构 : 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层 路由选择处理机 路由选择协议 路由表 5.5 路由器的结构 路由选择 输入端口 输出端口 分组处理 输入端口 转发表 输出端口 分组转发 交换结构 3 2 1

180 路由选择协议 5.5 路由器的结构 转发 和 路由选择 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 在讨论路由选择的原理时, 往往不去区分转发表和路由表的区别

181 路由选择协议 5.5 路由器的结构 输入端口对线路上收到的分组的处理 : 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 这会产生一定的时延 输入端口的处理 从线路接收分组 物理层处理 数据链路层处理 网络层处理分组排队 查表和转发 交换结构

182 路由选择协议 5.5 路由器的结构 输出端口将交换结构传送来的分组发送到线路 : 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, 交给物理层后发送到外部线路 输出端口的处理 交换结构 网络层处理分组排队 缓存管理 数据链路层处理 物理层处理 向线路发送分组

183 路由选择协议 5.5 路由器的结构 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

184 路由选择协议 5.5 路由器的结构 交换结构 : 总线 I 1 O 1 I 1 O 1 I 2 I 3 存储器 O 2 O 3 I 2 I 3 O 2 O 3 (a) 通过存储器 (b) 通过总线

185 路由选择协议 交换结构 : I 1 I 2 互连网络 5.5 路由器的结构 I 3 O 1 O 2 O 3 (c) 通过互连网络

186 路由选择协议 5.5 路由器的结构

187 路由选择协议 5.5 路由器的结构

188 路由选择协议 5.5 路由器的结构

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