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1、School of ManagementTianjin University,计算机网络基础与应用,天津大学管理学院信息管理与信息系统系郁雪 EmailTo:,School of ManagementTianjin University,网络层,第三章 网络层问题的提出：网络层该向传输层提供怎样的服务？因特网的设计思路是：网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。分组交换端到端的差错处理和流量控制：由用户主机负责,School of ManagementTianjin University,网络层,Transmission Control Protocol / Inte

2、rnet Protocol是互联网上通信的标准,主机A,Internet,TCP/IP,主机B,School of ManagementTianjin University,网络层,当主机 A 要向另一个主机 B 发送数据报时，先要检查目的主机 B 是否与源主机 A 连接在同一个网络上。如果是，就将数据报直接交付给目的主机 B 而不需要通过路由器。但如果目的主机与源主机 A 不是连接在同一个网络上，则应将数据报发送给本网络上的某个路由器，由该路由器按照转发表指出的路由将数据报转发给下一个路由器。这就叫作间接交付。,School of ManagementTianjin University,网

3、络层,直接交付不需要使用路由器但间接交付就必须使用路由器,间接交付,间接交付,间接交付,A,B,C,直接交付,直接交付,School of ManagementTianjin University,网络层,典型的路由器的结构,School of ManagementTianjin University,网络层,“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

4、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。,School of ManagementTianjin University,网络层,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。,School of ManagementTianjin University,网络层,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。,School of ManagementTianjin University,网络层,互连网络通信常遇问题：不同的寻址方案不同的最大分组长度不同的

5、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,School of ManagementTianjin University,网络层,网络互相连接起来要使用一些中间设备物理层的中继设备：转发器(repeater)数据链路层的中间设备：网桥 (bridge)网络层的中间设备：路由器(router)网络层以上的中间设备：网关(gateway)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。网络互连是指用路由器进行连接和路由选择。路由器可

6、以当作一台专用计算机，用来计算互联网中的路由选择算法。,School of ManagementTianjin University,网络层,互连网络与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。,School of ManagementTianjin University,网络层,

7、School of ManagementTianjin University,网络层,如何实现虚拟互连网络？-网际协议IP,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),TCP/IP协议栈,School of ManagementTianjin Universit

8、y,网络层,Application,Presentation,Session,Transport,Network,Data Link,Physical,Data,Data,TCP/UDP Header,Data,TCP/UDP Header,IP Header,Data,TCP/UDP Header,IP Header,IP Header,Data Link Header,CRC,100010010011100011001100010,数据（DATA）,段（Segment）,包（Packet）,帧（Frame）,比特（Bit）,数据封装过程是在不同的层次对数据打上相应的标识数据解封装过程是在不

9、同的层次对数据去掉相应的标识,School of ManagementTianjin University,网络层,IP 地址的编址方法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。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。,School of ManagementTianjin Univer

10、sity,网络层,唯一编址使得端系统间的通信成为可能,主机B,主机A,公司 A,公司B,172.16.3.10,10.250.8.11,School of ManagementTianjin University,网络层,分类IP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：IP 地址 := , ,School of ManagementTianjin University,网络层,School of ManagementTianj

11、in University,网络层,先按所要找的 IP 地址中的网络号 net-id 把目的网络找到。当分组到达目的网络后，再利用主机号host-id 将数据报直接交付给目的主机。按照整数字节划分 net-id 字段和 host-id 字段，就可以使路由器在收到一个分组时能够更快地将地址中的网络号提取出来。,School of ManagementTianjin University,网络层,点分十进制记法,School of ManagementTianjin University,网络层,三种类别的 IP 地址的使用范围,School of ManagementTianjin Univer

12、sity,网络层,几点说明A类地址用于支持超大型网络。A类IP地址用第一个八位组来标识地址的网络部分，其余3个八位组表示主机部分；第一个八位组最小值为00000000(十进制数为0)，最大值为01111111（十进制数为127），但是0和127作为保留使用，不能作为网络地址。B类地址用来支持中大型网络，第一个八位组的取值范围128-191C类地址空间是最常用的，可以用来支持小型网络的要求，第一个八位组范围在192-223,School of ManagementTianjin University,网络层,几点说明（cont）IP地址中，主机号全为0或全为1时分别作为本网络地址和广播地址使用，

13、所以这个特殊的地址不能分配给用户使用。（保留地址）D类网络用于广播，它可以将信息同时传送到网上的所有设备，而不是点对点的信息传送，这种网络可以用来召开电视电话会议。E类网络常用于进行试验。网络管理员在配置网络时不应该采用D类和E类网络。IP地址可以由网络管理员手动配置，也可由安装DHCP的服务器来自动配置,School of ManagementTianjin University,网络层,保留IP地址有些地址保留使用，不能分配给网络中的设备网络地址：用于标识网络本身，所有主机位为0的IP地址，198.150.11.0广播地址：用于向网络中的所有设备广播分组，主机地址位全1的IP地址，198.

14、15.11.255,School of ManagementTianjin University,网络层,公有IP地址和私有IP地址公有IP地址是唯一的，没有任何两台连到公共网络的主机拥有相同的IP地址。对于私有网络，不连到Internet上，它可以使用任何有效地址，只要这个地址在该专用网络内是唯一的REC1918留出3块IP地址空作为私有的内部使用地址1个A类地址段16个B类地址段256个C类地址段,School of ManagementTianjin University,网络层,公有IP地址和私有IP地址（cont）A类：10.0.0.0-10.255.255.255B类：172.16

15、.0.0-172.31.255.255C类：192.168.0.0-192.168.255.255在这些范围内的IP地址不能被路由到Internet骨干网上，路由器将丢弃所有的私有地址。,School of ManagementTianjin University,网络层,IP地址的几点说明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。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。 用转发器或网桥连接起来的

16、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。,School of ManagementTianjin University,网络层,IP地址的几点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。 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。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,School of ManagementTianjin University,网络层,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。

17、图中的网络号就是 IP 地址中的 net-id,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。,School of ManagementTianjin University,网络层,IP 地址与硬件地址(MAC地址),TCP 报文,IP 数据报,MAC 帧,应用层数据,首部,首部,尾部,首部,School of ManagementTianjin University,网络层,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

18、器 R2,MAC 帧,MAC 帧,IP 数据报,从协议栈的层次上看数据的流动,School of ManagementTianjin University,网络层,几点说明（1）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 。（2）路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择。（3）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 。（4）IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节，能够使用统一的、抽象的 IP 地址研究主机和主机或主机和路由器之间的通信,Sc

19、hool of ManagementTianjin University,网络层,地址解析 ARP 和逆地址解析 RARP 地址解析协议ARP 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。 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。,School of ManagementTianjin University,网络层,地址解析协议ARP(cont)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

20、 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。,School of ManagementTianjin University,网络层,地址解析协议ARP(cont)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。,School of ManagementTianjin University,网络层,A,Y,X,B,Z,主机 B 向 A 发送ARP 响应分组,主机 A

21、广播发送ARP 请求分组,ARP 请求,ARP 请求,ARP 请求,209.0.0.5,209.0.0.6,00-00-C0-15-AD-18,08-00-2B-00-EE-0A,我是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15-AD-18我想知道主机 209.0.0.6 的硬件地址,我是 209.0.0.6硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0A,A,Y,X,B,Z,209.0.0.5,209.0.0.6,00-00-C0-15-AD-18,School of ManagementTianjin University,网络层,ARP 高速缓存的作用为了减少网络上的通信量，主

22、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。,School of ManagementTianjin University,网络层,注意的问题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

23、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。,School of ManagementTianjin University,网络层,注意的问题（cont）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。,School of ManagementTianjin University,网络层,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

24、须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。,School of ManagementTianjin University,网络层,School of ManagementTianjin University,网络层,版本占 4 bit，指IP协议的版本,目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4),School of ManagementTianjin University,网络层,首部长度占 4 bit，可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为 4 字节),School of ManagementTianjin University,网络层,总长度占 16 bi

25、t，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 65535 字节。,School of ManagementTianjin University,网络层,标志(flag)占 3 bit，目前只有前两个比特有意义。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 (Dont Fragment) 。只有当 DF 0 时才允许分片。片偏移(12 bit)指出：较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。,School of ManagementTianji

26、n University,网络层,School of ManagementTianjin University,网络层,生存时间(8 bit)记为 TTL (Time To Live)，这是为了限制数据报在网络中的生存时间，其单位最初是秒，但为了方便，现在都用“跳数”作为 TTL 的单位。数据报每经过一个路由器，其 TTL 值就减 1。协议(8 bit)字段指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的 IP 层将数据部分上交给哪个处理过程,School of ManagementTianjin University,网络层,协议(8 bit)字段,运输层,网络层,首部,TCP,UDP,IC

27、MP,IGMP,OSPF,数 据 部 分,IP 数据报,School of ManagementTianjin University,网络层,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。IP 数据报首部的可变部分IP 首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。选项字段的长度可变，从 1 个字节到 40 个字节不等，取决于所选择的项目。,School of ManagementTianjin University,网络层,IP 数据报首部的可变部分（cont）增加首部的可变部分是为了增加 IP

28、 数据报的功能，但这同时也使得 IP 数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。 扩充字节数为4的整数倍，数据不足补0。,School of ManagementTianjin University,网络层,IP层转发分组的流程 在路由表中，对每一条路由，最主要的是（目的网络地址，下一跳地址）,网 110.0.0.0,网 440.0.0.0,网 330.0.0.0,网 220.0.0.0,10.0.0.4,40.0.0.4,30.0.0.2,20.0.0.9,20.0.0.7,30.0.0.1,R2,R3,R1,0,1,School of M

29、anagementTianjin University,网络层,网 110.0.0.0,网 440.0.0.0,网 330.0.0.0,网 220.0.0.0,10.0.0.4,40.0.0.4,30.0.0.2,20.0.0.9,20.0.0.7,目的主机所在的网络,下一跳路由器的地址,20.0.0.0,30.0.0.0,10.0.0.0,40.0.0.0,20.0.0.7,30.0.0.1,直接交付，接口 1,直接交付，接口 0,路由器 R2 的路由表,30.0.0.1,10.0.0.4,40.0.0.4,30.0.0.2,20.0.0.9,20.0.0.7,30.0.0.1,链路 4,链

30、路 3,链路 2,链路 1,R2,R3,R1,0,1,R2,R3,R1,School of ManagementTianjin University,网络层,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)。,School of ManagementTianjin University,网络层,分组转发算法（cont）(4) 若路由表中有到达

31、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) 报告转发分组出错。,School of ManagementTianjin University,网络层,注意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。,