第4章 网络层与IP协议,网络层的主要功能 IPv4协议内容、分组格式、路由技术。 IP组网技术、路由器的工作原理。 ARP协议与地址解析 ICMP协议与作用 移动IP协议工作原理,4.1 IPv4协议的演变与发展 1. IPv4协议的研究背景,4.1 IPv4协议的演变与发展 2. IPv4协议 规定：IP分组格式、IP地址标准分类、分组交付方式 不变：分组头结构基本定义 变化：IP地址处理方法、分组交付路由算法、路由协议,4.2 IPv4协议的主要特点 一种无连接、不可靠的分组传送服务协议（尽力而为服务）。 不维护分组发送后任何状态信息，每个分组传输相互独立 不保证可靠，不丢失、按序 点点的网络层通信协议 两个主机之间通信有条路径（由多个路由器和点点链路组成 为传输层屏蔽了物理网络的差异。 掩盖各种不同物理网和协议差异性（实现异构互联）,4.2 IPv4协议的主要特点,4.3 IPv4地址结构 4.3.1 IP地址概念与地址划分方法,4.3.2 标准分类IP地址 1网络地址的概念 名字、地址与路径 连续地址编址方法与层次地址编址方法 物理地址与逻辑地址（不同层次看地址） IP地址与网络接口,4.3.2 标准分类IP地址 1网络地址的概念 IP地址特点： 一种非等级的地址结构（不能反映主机位置地理信息）。 所有分配的IP网络彼此都是平等的。 连接到互联网的每一条主机或路由器都有一个IP地址。 原则上，互联网上任何两台主机/由器都不会有相同IP地址。 与网络接口相关联（为每个接口分配一个IP地址）。,4.3.2 标准分类IP地址 网络接口与IP地址的关系,4.3.2 标准分类IP地址 2IP地址的点分十进制表示法 地址长度：32位，用点分十进制（x.x.x.x）表示（x=0255） 3标准IP地址的分类,4.3.2 标准分类IP地址 3标准IP地址的分类,IP地址分类表,4特殊IP地址,4.3.2 标准分类IP地址 5专用IP地址,4.3.3 划分子网的三级地址结构 1. 子网的概念 将网络划分成多个部分（仅内部使用），外网仍是一个整体。 需要强调： 子网划分纯属本单位内部事，单位以外看不到这种划分 从外部看，该单位仍只有一个网络号 外面分组进入本单位内网，由路由器根据子网号进行选路，最后找到内部主机。,4.3.3 划分子网的三级地址结构 2子网的地址结构与划分方法 三级地址结构：网络号 -子网号 - 主机号,4.3.3 划分子网的三级地址结构 3子网掩码的概念 从IP地址中提取子网方法,一个B类地址划分为64个子网的例子,4.3.3 划分子网的三级地址结构 4子网规划、地址空间划分方法（示例） 一个B类网络（156.26.0.0）进行子网划分，有大约210子网需求 规划方案：取子网号长度=8bit（28-2=254），满足要求 子网掩码为：255.255.255.0。 根据以上划分方案，网络可用的IP地址为： 子网1： 156.26.1.1 156.26.1.254 子网2： 156.26.2.1 156.26.2.254 子网3： 156.26.3.1 156.26.3.254 子网254： 156.26.254.1 156.26.254.254,4.3.3 划分子网的三级地址结构 5可变长度子网掩码 不等分的子网划分,4.3.4 无类别域间路由 CIDR 1无类别域间路由概念 不限制于标准分类（A/B/C）的地址结构，而是根据对地址管理需要灵活决定（使用可变长度子网掩码） 特别注意： 不采用固定分类方法，采用新的IP寻址和路由选择机制（地址块为基础），解决标准分类子网划分地址浪费现象 相比传统标准分类方式，CIDR不以固定大小地址块分配地址，而是以任意二进制倍数的大小分配地址。 网络掩码采用：“IP地址/掩码”,4.3.4 无类别域间路由 CIDR 2CIDR的应用 IP地址汇聚效果,校园网地址 200.24.16.0/20 11001000 00011000 00010000 00000000 计算机学院地址 200.24.16.0/23 11001000 00011000 00010000 00000000 数学学院地址 200.24.18.0/23 11001000 00011000 00010010 00000000 物理学院地址 200.24.20.0/23 11001000 00011000 00010100 00000000 化学学院地址 200.24.22.0/23 11001000 00011000 00010110 00000000 材料学院地址 200.24.24.0/23 11001000 00011000 00011000 00000000 管理学院地址 200.24.26.0/23 11001000 00011000 00011010 00000000 经济学院地址 200.24.28.0/23 11001000 00011000 00011100 00000000 外语学院地址 200.24.30.0/23 11001000 00011000 00011110 00000000,4.3.4 无类别域间路由 CIDR 2CIDR的应用,网络拓扑图,4.3.4 无类别域间路由 CIDR 2CIDR的应用,常用掩码/前缀对照,4.3.5 专用IP地址与内部网络地址规划方法 1. 全局IP地址、专用IP地址 全局/专用IP地址区别 两种IP组网情况： 将IP网络直接连接到互联网（使用外网地址） 组建IP内部网络（不直接连接互联网），网内用户访问互联网受限 全局IP地址需要申请，专用IP地址不需要申请。 全局IP地址必须保证在互联网上是唯一的，专用IP地址在网络内部是唯一的，但在互联网中不唯一。,4.3.5 专用IP地址与内部网络地址规划方法 1. 全局IP地址、专用IP地址 为内网预留专用IP有3组： 第1组：A类地址的1个地址块（10.0.0.0 10.255.255.255）。 第2组：B类地址的16个地址块（172.16 172.31）。 第3组：C类地址的256个地址块（192.168.0 192.168.255）。 专用IP地址可能出现在不同校园网中，但不会出现在互联网上 即使专用IP地址出现在互联网，路由器视为错误地址，而丢弃该分组,4.3.5 专用IP地址与内部网络地址规划方法 2内网专用IP地址规划方法 通常使用A类专用IP地址块。理由： 覆盖从10.0.0.0到10.255.255.255的地址空间，（子网号+主机号）总长度为24位，完全满足各种专用网需要 地址特征比较明显。出现10.0.0.0到10.255.255.255地址块，易于识别，便于规划和管理 B类16个专用地址块、C类的256专用地址块同样可以使用,4.3.5 专用IP地址与内部网络地址规划方法 3规划内网地址基本原则 简捷。内网地址规划一定要简洁、清晰（不需要更多查询，就能推断在网络中大致位置）。 便于系统扩展与管理。考虑容易实施、方便管理（适应未来发展，有很好扩展性）。 有效的路由。应采用分级地址结构，减少路由器的路由表规模，提高路由与分组转发速度。,4.3.6 网络地址转换技术 1NAT基本概念 解决IP地址短缺，有效快速补救办法 四类应用领域： ISP、ADSL、有线电视地址分配 移动无线接入地址分配 需要严格控制的内部网络 防火墙相结合,4.3.6 网络地址转换技术 1NAT基本概念,使用NAT技术的结构,4.3.6 网络地址转换技术 2NAT的工作原理 “一对一”（静态NAT） “多对多”（动态NAT）,4.3.6 网络地址转换技术 3对NAT评价 违反IP地址结构模型设计原则（地址结构基础是每个IP均标识一个网络连接） 由无连接变成有连接（维持专用/公用IP、端口号映射关系，互联网变脆弱） 破坏TCP/IP分层结构原则（修改分组头） 给P2P应用实现带来困难（破坏文件/语音共享机制） 高层协议安全性有影响,4.4 IPv4分组格式 4.4.1 IPv4分组结构 4B为基本单位 前5行是基本头部 基本长度是20B 最大长度为60B,4.4.2 IPv4分组头格式 （1）版本字段（4bit），4代表IPv4 （2）协议字段（8bit），指明IP的高层协议类型 协议字段值表示的高层协议类型,4.4.2 IPv4分组头格式 （3）长度 两个长度字段： 分组头长度（4位）。最小值为5度（54=20B），最大值为15度（154=60B） 分组总长度（16位），以字节为单位分组总长度（含头部） 有效数据长度=分组总长度 -分组头长度,4.4.2 IPv4分组头格式 （4）服务字段（ 8bit），指示路由器如何处理分组）,服务类型字段 延迟D（delay）、可靠性R（reliability） 吞吐量T（throughput）、成本C（cost） 优先级字段 分组传输时，需要网络提供优先服务 重要服务信息处理等级高于一般服务信息处理等级,4.4.2 IPv4分组头格式 （5）生存时间字段TTL（8位），跳数（分组寿命） 避免分组在网络中无限循环、无休止转发。 当TTL-1=0，丢弃分组 （6）头校验和字段（16位），头部校验 不负责数据校验 降低延迟，提高效率 （7）地址字段 源地址（32位） 目的地址（32位）,4.4.3 IP分组的分段与组装 1最大传输单元、IP分段 相关字段：标识、标志、段偏移 2分段方法,4.4.3 IP分组的分段与组装 3. 标识、标志、段偏移字段 DF：（0要分段；1不分段） MF：（0最后分段，1中间段）,4.4.3 IP分组的分段与组装 3. 标识、标志、段偏移字段关系,4.4.3 IP分组的分段与组装 一个分段示例,4.4.4 IP分组头选项 1 关于分组头选项 视为分组头一部分 40B（不足4B整数倍，用0填充） 组成：选项码、长度、选项数据 2 源路由 严格源路由SSR（strict source route） 不能插入/改变路由，用于网络测试 松散源路由LSR（loose source route） 未必是完整路径，中途可经过其他路由器,4.4.4 IP分组头选项 3记录路由 记录分组经过的每个路由器IP地址 用于网络测试 4时间戳 记录分组经过每个路由器的本地时间（格林威治时间，毫秒ms） 用于追踪路由器运行状态，分析网络吞吐量、拥塞情况、负荷等,4.5 路由选择算法与分组转发 4.5.1 分组转发、路由选择基本概念 1分组转发的基本概念 默认路由器（网关），即第一跳路由器 路由问题：路由转发、路由算法 分组转发： 直接转发（到达目的网络） 间接转发（查找路由表转发）,4.5.1 分组转发、路由选择基本概念 2评价路由算法的依据 算法必须是正确、稳定和公平的 算法应该尽量简单 算法必须能够适应网络拓扑和通信量的变化 算法应该是最佳的,4.5.1 分组转发、路由选择基本概念 3 路由选择主要参数 跳数（hop count），跳数越少