计算机网络PPT电子教案第6章 网络层.ppt
第6章 网络层,2,本章学习要求：,了解：网络层与网络互联的基本概念。掌握：IP协议的特点与基本内容。掌握：IP地址及子网编址的基本方法。掌握：地址解析的基本概念与方法。掌握：IP分组的转发与路由选择的概念。掌握：Internet路由选择协议的概念。掌握：路由器与第三层交换的基本工作原理。了解：Internet控制报文协议与组管理协议。,3,6.1 网络层与网络互联的基本概念 6.1.1 网络层基本概念,网络层主要任务：网络互联通过路由选择算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径；网络层使用数据链路层的服务，实现路由选择、拥塞控制与网络互联等基本功能，向传输层的端一端传输连接提供服务。,4,6.1.2 网络互联 基本概念,互联网络：利用网桥、路由器等互联设备将 两个及两个以上的物 理网络相互连接起来 构成的系统。,5,6.2 IP地址6.2.1 IP地址的基本概念,大型的互连网络中需要有一个全局的地址系统，它能够给每一台主机或路由器的网络连接分配一个全局惟一的地址；TCP/IP协议的网络层使用的地址标识符叫做IP地址；IP v.4中IP地址是一个32位的二进制地址；网络中的每一个主机或路由器至少有一个IP地址；在Internet中不允许有两个设备具有同样的IP地址；如果一台主机或路由器连接到两个或多个物理网络，那么它可以拥有两个或多个IP地址。,6,IP地址结构,IP地址采用分层结构；IP地址是由网络号（net ID）与主机号（host ID）两部分组成的。,7,发送分组的主机 源主机 源IP地址接收分组的主机 目的主机 目的IP地址,8,6.2.2 IP地址的分类,IP地址长度为32位，点分十进制（dotted decimal）地址；采用x.x.x.x的格式来表示，每个x为8位，每个x的值为0255（例如 202.113.29.119）；根据不同的取值范围，IP地址可以分为五类；IP地址中的前5位用于标识IP地址的类别：A类地址的第一位为0；B类地址的前两位为10；C类地址的前三位为110；D类地址的前四位为1110；E类地址的前五位为11110。,9,IP地址的分类,10,A类IP地址,A类IP地址的网络号长度为7位，主机号长度为24位；A类地址是从：1.0.0.0127.255.255.255；网络号长度为7位，从理论上可以有27=128个网络；网络号为全0和全1（用十进制表示为0与127）的两个地址保留用于特殊目的，实际允许有126个不同的A类网络；由于主机号长度为24位，因此每个A类网络的主机IP数理论上为224=16 777 216；主机IP为全0和全1的两个地址保留用于特殊目的，实际允许连接16 777 214个主机；A类IP地址结构适用于有大量主机的大型网络。,11,B类IP地址,B类IP地址的网络IP长度为14位，主机IP长度为16位；B类IP地址是从：128.0.0.0191.255.255.255；由于网络IP长度为14位，因此允许有214=16384个不同的B类网络，实际允许连接16382个网络；由于主机IP长度为16位，因此每个B类网络可以有216=65536个主机或路由器，实际一个B类IP地址允许连接65534个主机或路由器；B类IP地址适用于一些国际性大公司与政府机构等中等大小的组织使用。,12,C类IP地址,C类IP地址的网络号长度为21位，主机号长度为8位；C类IP地址是从：192.0.0.0223.255.255.255；网络号长度为21位，因此允许有221=2097152个不同的C类网络；主机号长度为8位，每个C类网络的主机地址数最多为28=256个，实际允许连接254个主机或路由器；C类IP地址适用于一些小公司与普通的研究机构。,13,D类和E类IP地址,D类IP地址不标识网络;地址范围：224.0.0.0239.255.255.255 用于其他特殊的用途，如多播地址Multicasting；E类IP地址暂时保留；地址范围：240.0.0.0255.255.255.255；用于某些实验和将来使用。,14,IP地址的二进制表示,用点分十进制表示 用二进制表示129 81625 10000001 00001000 00010000 0001100110.2.0.52 00001010 00000010 00000000 00110100126.0.0.0 01111110 00000000 00000000 00000000192.255.255.255 11000000 11111111 11111111 11111111,15,6.2.3 特殊IP地址形式,直接广播地址受限广播地址“这个网的这个主机”地址“这个网络上的特定主机”地址回送地址,16,1.直接广播地址,A类、B类与C类IP地址中主机号全1的地址为直接广播地址;用来使路由器将一个分组以广播方式发送给特定网络上的所有主机;只能作为分组中的目的地址;物理网络采用的是点-点传输方式，分组广播需要通过软件来实现。,17,2.受限广播地址,网络号与主机号的32位全为1的地址为受限广播地址;用来将一个分组以广播方式发送给本网的所有主机;分组将被本网的所有主机将接受该分组，路由器则阻挡该分组通过。,18,3.“这个网络上的特定主机”地址,主机或路由器向本网络上的某个特定的主机发送分组；网络号部分为全0，主机号为确定的值；这样的分组被限制在本网络内部。,19,4.回送地址,回送地址是用于网络软件测试和本地进程间通信；TCP/IP协议规定：含网络号为127的分组不能出现在任何网络上；主机和路由器不能为该地址广播任何寻址信息。,DHCP,0.0.0.0：主机启动时向DHCP服务器动态获取IP地址私用地址1个A类网：10.0.0.0/816个B类网：172.16.0.0/12256个C类网：192.168.0.0/16,20,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,21,21.15 Summary of Special IP Addresses,The table in Figure 21.7 summarizes the special IP addresses,22,6.3 子网和超网的基本概念6.4.1 为什么要研究子网和超网,IP地址的有效利用率问题 路由器的工作效率问题子网（subnet）将一个大的网络划分成几个较小的网络，而每一个网络都有其自己的子网地址；超网（supernet）将一个组织所属的几个C类网络合并成为一个更大地址范围的逻辑网络。,23,6.3.2子网掩码与子网地址空间的划分方法 1.子网与IP地址的三级层次结构,24,划分为3个子网的结构,25,三级层次的IP地址是：网络号.子网号.主机号；第一级网络号定义了网点的位置；第二级子网号定义了物理子网；第三级主机号定义了主机和路由器到物理网络的连接；三级层次的IP地址，一个IP分组的路由选择的过程为三步：第一步转发给网点，第二步转发给物理子网，第三步转发给主机。,26,子网掩码的概念,子网掩码表示方法：网络号与子网号置1，主机号置0。,27,3.掩码运算,二进制的IP地址与掩码按位进行“与”运算的过程,28,子网掩码运算,29,6.3.3 子网地址空间的划分,划分子网就是将一个大网分成几个较小的网络；A类、B类与C类IP地址都可以划分子网；划分子网是在IP地址编址的层次结构中增加了一个中间层次，使IP地址变成了三级层次结构。例：一个大型跨国公司的管理者从网络管理中心获得 一个A类IP地址121.0.0.0；需要划分1000个子网。分析：该公司需要有1 000个物理网络，加上主机号全 0 和全1的两种特殊地址，子网数量至少为1002；选择子网号的位长为10，可以用来分配的子网 最多为1024，满足用户要求。,30,A类地址子网划分后的结构,31,划分子网后的地址范围,32,划分子网后的网点内部结构,33,2.如何根据主机的IP地址判断是否属于同一个子网,在划分子网的情况下，判断两台主机是不是在同一个子网中，看它们的网络号与子网地址是不是相同。实例：主机1的IP地址为156.26.27.71主机2的IP地址为156.26.27.110子网掩码为255.255.255.192判断它们是不是在同一个子网上。,34,主机1的IP地址与子网掩码做与运算：主机2的IP地址与子网掩码做与运算：结论:子网号都是 0001101101，因此它们属于同一个子网。,35,CIDR Classless InterDomain Routing无类域间路由,A set of IP address assignments.,5-59,路由聚类最长前缀匹配二叉树压缩,36,6.4 IP分组交付和路由选择 6.4.1 IP分组交付,分组交付（forwarding）是指在互联网络中路由器转发IP分组的物理传输过程与数据报转发交付机制;分组交付可以分为直接交付和间接交付两类;是直接交付还是间接交付，路由器需要根据分组的目的IP地址与源IP地址是否属于同一个子网来判断。,37,直接交付,当分组的源主机和目的主机是在同一个网络，或转发是在最后一个路由器与目的主机之间时将直接交付。,38,间接交付,目的主机与源主机 不在同一个网络上，分组间接交付。,39,6.4.2 路由选择的基本概念 1.对路由选择算法的要求,算法必须是正确、稳定和公平的 算法应该尽量简单 算法能够适应网络拓扑和通信量的变化算法应该是最佳的,40,讨论路由选择算法涉及的主要参数：,跳数（hop count）分组从源结点到达目的结点经 过的路由器的个数。带宽（bandwidth）链路的传输速率。延时（delay）分组从源结点到达目的结点花费的时间。负载（load）通过路由器或线路的单位时间通信量。可靠性（reliability）传输过程中的误码率。开销（overhead）传输过程中的耗费，与所使用的链 路带宽相关。,41,2.静态路由选择算法和动态路由选择算法,从路由选择算法对网络拓扑和通信量变化的自适应角度划分，可以分为静态路由选择算法与动态路由选择算法两大类；静态路由选择算法也叫做非自适应路由选择算法，其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化；动态路由选择算法也称为自适应路由选择算法，其特点是能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销也比较大。,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,42,Forwarding an IP Datagram,The Internet uses next-hop forwarding下一跳交付To make the selection of a next hop efficient,an IP router uses a forwarding tableA forwarding table is initialized when the router bootsand must be updated if the topology changes or hardware fails,43,3.路由选择模块与路由表,在每个路由器接收到一个IP分组时，路由选择模块必须进行路由查询；路由器查询的顺序是：第一步是判断该IP分组是不是直接转发。如果不是直接转发，第二步确定是不是特定主机转发。如果不是特定主机转发，第三步确定是不是特定网络转发。如果不是特定网络转发，最后就要确定是不是默认转发。路由选择模块的结构,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,44,22.6 Forwarding an IP Datagram,Forwarding table contains a set of entrieseach specifies a destination and the next hop used to reach that destinationFigure 22.3 shows an example internet and the contents of a forwarding table in one of the three routerseach router has been assigned two IP addressesone for each interfaceRouter R,which is connected 40.0.0.0/8 and 128.1.0.0/16has been assigned addresses 40.0.0.8 and 128.1.0.8IP does not require the suffix to be the same on all interfacesBut a network administrator can chose the same suffix for each interface to make it easier for humans who manage the networkEach destination in the table corresponds to a networkthe number of entries in a forwarding table is proportional to the number of networks in the Internet,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,45,22.6 Forwarding an IP Datagram,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,46,22.7 Network Prefix Extraction and Datagram Forwarding,The process of using a forwarding table to select a next hop for a given datagram is called forwardingThe mask field in a forwarding table entry is used to extract the network portion of an address during lookupWhen a router encounters a datagram with destination IP address Dthe forwarding function must find an entry in the forwarding table that specifies a next hop for DThe software examines each entry in the table by using the mask in the entry to extract a prefix of address DIt compares the resulting prefix to the Destination field of the entryIf the two are equal,the datagram will be forwarded to the Next Hop,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,47,22.7 Network Prefix Extraction and Datagram Forwarding,The bit mask representation makes extraction efficient the computation consists of a Boolean and between the mask and destination address,Dthe computation to examine the ith entry in the table can be as:if(Maski&D)=Destinationi)forward to NextHopiAs an exampleConsider a datagram destined for address 192.4.10.3Assume the datagram arrives at the center router,R,in Figure 22.3Assume the forwarding searches entries of the table in orderThe first entry fails since 255.0.0.0&192.4.10.3 30.0.0.0After rejecting the second and third entries in the tableThe routing software eventually chooses next hop 128.1.0.9 because 255.255.255.0&192.4.10.3=192.4.10.0,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,48,22.8 Longest Prefix Match,Figure 22.3 contains a trivial exampleIn practice,Internet forwarding tables can be extremely large and the forwarding algorithm is complexInternet forwarding tables can contain a default entry that provides a path for all destinations that are not explicitly listedA network manager can specify a host-specific routeit directs traffic destined to a specific host along a different path than traffic for other hosts on the same network An important feature of an Internet forwarding table is that address masks can overlap,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,49,22.8 Longest Prefix Match,Suppose a routers forwarding table contains entries for the following two network prefixes:128.10.0.0/16 and 128.10.2.0/24What happens if a datagram arrives destined to 128.10.2.3?Matching procedure succeeds for both of the entries a Boolean and of a 16-bit mask will produce 128.10.0.0 a Boolean and with a 24-bit mask will produce 128.10.2.0Which entry should be used?To handle ambiguity that arises from overlapping address masks,Internet forwarding uses a longest prefix matchInstead of examining the entries in arbitrary orderforwarding software arranges to examine entries with the longest prefix firstIn the example above,Internet forwarding will choose the entry that corresponds to 128.10.2.0/24,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,50,22.9 Destination Address and Next-Hop Address,What is the relationship between the destination address in a datagram header and the address of the next hop to which the datagram is forwarded?The DESTINATION IP ADDRESS field in a datagram contains the address of the ultimate destinationit does not change as the datagram passes through the InternetWhen a router receives a datagramthe router uses the ultimate destination,Dto compute the address of the next router to be sent,NThe router forwards a datagram to the next hop,N the header in the datagram retains destination address D,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,51,22.10 Best-Effort Delivery,Term best-effort to describe the service of IP protocolIP makes a best-effort to deliver each datagramIP does not guarantee that it will handle all problemsThe following problems can occur in IP protocolDatagram duplicationDelayed or out-of-order delivery Corruption of dataDatagram lossIP is designed to run over any type of networknetwork equipment can experience interference from noisePackets following one path may take longer than those following another paththis can result in out-of-order delivery,52,6.6.3 提高路由表查询效率的基本方法 1.下一跳路由选择,53,2.特定网络路由选择,54,3.特定主机路由选择,55,4.默认路由选择,56,6.7 Internet的路由选择协议 6.7.1 自治系统与路由选择协议 1.自治系统的概念,57,自治系统（autonomous system，AS）,自治系统的核心是路由寻址的“自治”；自治系统内部的路由器了解内部全部网络的路由信息，并能够通过一条路径将发送到其他自治系统的分组传送到连接本自治系统的主干路由器；自治系统内部的路由器要向主干路由器报告内部路由信息。Internet路由选择协议的分类 内部网关协议IGP外部网关协议EGP,58,6.7.2 内部网关协议：RIP 1.内部网关协议的基本概念,路由信息协议是内部网关协议中一种分布式、基于距离向量的路由选择协议；路由器周期性地向外发送路由刷新报文；路由刷新报文主要内容是由若干（V，D）组成的表；矢量V标识该路由器可以到达的目的网络或目的主机，D表示该路由器到达目的网络或目的主机的跳步数；其他路由器在接收到某个路由器的（V，D）报文后，按照最短路径原则对各自的路由表进行刷新；路由信息协议RIF适用于相对较小的自治系统，直径一般小于15跳步数。,59,2.路由信息协议的工作过程,路由表的建立路由表信息的更新,60,距离失量路由选择算法,共享整个自治系统的信息只与邻近路由器共享信息按固定的时间间隔共享信息,61,62,63,64,RIP的问题,选择路由时，没有考虑线路带宽不论路由信息有无变化都要定期共享只适应于小规模网络,65,6.7.3开放最短路径优先协议OSPF 1.OSPF协议的主要特点,使用分布式的链路状态协议；路由器发送的信息是本路由器与哪些路由器相邻，以及链路状态（距离、时延、带宽等）信息；当链路状态发生变化时用洪泛法向所有路由器发送；所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库；将一个自治系统再划分为若干个更小的区域，一个区域内的路由器数不超过200个。,66,2.自治系统内部的区域划分,一个自治系统内部划分成若干区域与主干区域；主干区域连接多个区域，主干区域内部的路由器叫做主干路由器；连接各个区域的路由器叫做区域边界路由器，区域边界路由器接收从其他区域来的信息；在主干区域内还要有一个路由器专门和该自治系统之外的其他自治系统交换路由信息。这样的路由器叫做自治系统边界路由器。,67,将一个自治系统划分为多个区域的结构,OSPF的路由器分类,内部路由器：同一区域各内部路由器连路状态数据库相同区域边界路由器：将区域内信息汇总，通过骨干路由器分发到其它区域骨干路由器自治系统边界路由器：位于骨干区域,68,69,链路状态路由选择算法,发现它的邻居节点，并知道其地址发送HELLO分组邻居路由回复ECHO，告知其名字测量到它的各邻居节点的延迟或开销组装一个分组以告知它刚知道的所有信息链路状态通告将这个分组发送给所有其他路由器计算到每个其他路由器的最短路径定时更新路由信息，但只更新变化的,70,3.OSPF协议执行过程,路由器的初始化过程 每一个路由器用数据库描述分组和相邻路由器交换本数据库中已有的链路状态摘要信息;路由器就使用链路状态请求分组，向对方请求发送自己所缺少的某些链路状态项目的详细信息;通过一系列的分组交换，建立全网同步的链路数据库;网络运行过程 路由器的链路状态发生变化，该路由器就要使用链路状态更新分组，用洪泛法向全网更新链路状态;每个路由器计算出以本路由器为根的最短路径树，根据最短路径树更新路由表。,报文类型,Hello报文邻居发现维护邻居选举指定路由建立邻接关系数据库描述报文链路状态请求报文链路状态更新报文链路状态确认报文,71,72,6.6.4 外部网关协议 1.外部网关协议设计的基本思想,73,BGP-4采用了路由向量（path vector）路由选择协议；在配置BGP时，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”；每个BGP发言人除了必须运行BGP协议外，还必须运行该自治系统所使用的内部网关协议OSPF或RIP；BGP所交换的网络可达性信息就是要到达某个网络所要经过的一系列的自治系统；当BGP发言人互相交换了网络可达性的信息后，各BGP发言人就根据所采用的策略，从接收到的路由信息中找出到达各自治系统的比较好的路由。,74,自治系统连接的树形结构,75,2.BGP路由选择协议的工作过程,在BGP刚开始运行时，BGP边界路由器与相邻的边界路由器交换整个的BGP路由表，在以后只需要在发生变化时更新有变化的部分；当两个边界路由器属于两个不同的自治系统，边界路由器之间定期地交换路由信息，维持的相邻关系；当某个路由器或链路出现故障时，BGP发言人可以从不止一个相邻边界路由器获得路由信息；BGP路由选择协议在执行过程中使用了打开（open）、更新（update）、保活（keepalive）与通知（notification）等4种分组。,76,6.6 IP协议6.6.1 IP协议的特点,IP协议是一种不可靠、无连接的数据报传送服务协议；IP协议是点-点的网络层通信协议；IP协议向传输层屏蔽了物理网络的差异。,77,6.6.2 IP数据报结构1.IP数据报结构,78,2.IP 报头域的意义,版本与协议类型域 版本域所使用的IP协议的版本号；协议类型域 高层协议类型。长度域 报头长度域以4字节为一个单位的报头的长度；总长度域以字节为单位的数据报的总长度。服务类型域 指示路由器如何处理该数据报；由4位的服务类型子域与3的优先级构成。,79,生存时间域 设置数据报在互联网络的传输过程中可以经过的最多的路由器跳步数；头校验和域 保证数据报头部的数据完整性；地址域 包括源地址与目的地址；选项域 用于控制与测试的目的。,80,6.6.3 IP数据报的分片与重组 1.最大传输单元（MTU）与IP数据报分片,IP数据报作为网络层数据必然要通过帧来传输；一个数据报可能要通过多个不同的物理网络；每一个路由器都要将接收到的帧进行拆包和处理，然后封装成另外一个帧；每一种物理网络都规定了各自帧的数据域最大字节长度的最大传输单元；帧的格式与长度取决于物理网络所采用的协议。,81,2.IP数据报分片的基本方法,如果数据报来自一个能够通过较大数据报的局域网，又要通过另一个只能通过较小的数据报的局域网，那么就必须对IP数据报进行分片。,82,标识、标志和片偏移,在IP数据报的报头中，与一个数据报的分片、组装相关的域有标识域、标志域与片偏移域。标识（identification）域 为一个数据报的所有片分配一个标识ID值 标志（flags）域 表示接收结点是不是能对数据报分片片偏移（fragment offset）域 表示该分片在整个数据报中的相对位置,83,分片方法的例子,84,IP数据报的分片与标识、标志与片偏移的关系,85,6.7 地址解析6.7.1 IP地址与物理地址的映射,86,地址解析ARP：从已知的IP地址找出对应物理地址的映射过程；反向地址解析RARP：从已知的物理地址找出对应IP地址的映射过程。,87,6.7.2 地址解析 协议,88,地址解析方法的改进,采用高速缓存（caching）技术软件改进技术 代理ARP技术,89,6.9 Internet控制报文协议 6.9.1 ICMP的作用与特点,90,ICMP的特点：ICMP本身是网络层的一个协议；ICMP差错报告采用路由器-源主机的模式，路由器在发现数据报传输出现错误时只向源主机报告差错原因；ICMP并不能保证所有的IP数据报都能够传输到目的主机；ICMP不能纠正差错，它只是报告差错。差错处理需要由高层协议去完成。,91,6.9.2 ICMP报文类型,92,6.9.3 ICMP差错控制,ICMP差错报告报文：目的站不可达源站抑制、超时参数问题改变路由,93,目的站不可到达网络不可到达（net unreachable）主机不可到达（host unreachable）协议不可到达（protocol unreachable）端口不可到达（port unreachable）源路由选择不能完成（source route failed）目的网络不可知（unknown destination network）目的主机不可知（unknown destination host）,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,94,23.11 Dynamic Host Configuration Protocol(DHCP),When a computer boots the client computer broadcasts a DHCP Requestthe server sends a DHCP Reply DHCP uses the term offer to denote the message a server sendsand we say that the server is offering an address to the clientWe can configure a DHCP server to supply two types of addresses:permanently assigned addresses as provided by BOOTP or a pool of dynamic addresses to be allocated on demandTypically,a permanent address is assigned to a server,and a dynamic address is assigned to an arbitrary hostIn fact,addresses assigned on demand are not given out for an arbitrary length of time,2009 Pearson Education Inc.,Upper Saddle River,NJ.All rights reserved.,95,23.11 Dynamic Host Configuration Protocol(DHCP),DHCP issues a lease on the address for a finite periodThe use of leases allows a DHCP server to reclaim addressesWhen the lease expiresthe server places the address to the pool of available addressesthis allows the address to be assigned to another computerWhen a lease expires,a host can choose to relinquish the address or renegotiate with DHCP to extend the leaseNegotiation occurs concurrent with other activityNormally,DHCP approves each lease extensionA computer continues to operate without any interruptionHowever,a server may be configured to deny lease extension for administrative or technical reasonsDHCP grants absolute control of leasing to a
