第三部分 TCP/IP网络互连 第6章 网络互连IP协议本章提要 网络互连IP协议的基本概念； IPv4的概念与应用； IPv6的基本概念与应用； ARP与RARP的原理； ICMP的原理 6.1 IPv4 6.2 IP子网技术 6.3 IPv6 6.4 地址解析协议 6.5 Internet控制报文协议 6.6 实训6规划、配置网络系统 6.1 IPv46.1.1 IP数据报 6.1.2 IP的编址 6.1.3特殊地址 网际协议 （IP，Internet Protocol） 是TCP/IP协议族中核心的协议。所 有的TCP、UDP、ICMP和IGMP数 据都以IP数据报格式传输。现在所 用的IP协议版本为1981年定义的第 四版，即IPv4。 IP提供了三个重要的定义 （1）IP定义了在整个计算机网络上数据传输 所用的基本单元数据报，它规定了互连网上 传输数据的确切格式。 （2）IP软件完成路由选择的功能，选择一个 数据发送的路径。 （3）除了数据格式和路由选择的精确而正式 的定义外，IP还包括了一组嵌入了不可靠分 组投递的规则，这些规则指明了主机和路由 器应如何处理分组、何时、如何发出错误信 息，以及在何种情况下可以放弃数据报。 6.1.1 IP数据报 互联网则把它的基本传输单元叫做一个 Internet数据报（datagram），简称为 IP数据报或数据报。 数据报报头报报头数据报报的数据区数据报报的一般格式 0 4 8 16 19 24 314bit版本4bit报头长报头长 度8bit服务类务类型（TOS ）16bit总长总长度（字节节数）16bit标识标识符3bit标标志13bit分片偏移量8bit生存时间时间（TTL）8bit协议协议16bit报头报头校验验和32bit源IP地址32bit目的IP地址IP选项选项（若有）填充数据优先级和服务类型 优先级字段指明本数据报的优先级，允许发 送方表示本数据报的重要程度。优先级的值 从0到7。“0”表示一般优先权，“7”表示网络 控制优先权。服务类型提供了一种手段，以 允许控制信息享受比一般数据更高的优先级 。 D、T、R三位表示本数据所希望的传输类型 。其中，D代表低延迟（Delay），T代表高 吞吐量（Throughput），R代表高可靠性（ Reliability）。 分片问题 数据报在数据链路层中被封装在数据帧内 ，通过帧的传输来实现数据报的传输。 各种物理网络技术，对帧的大小有不同的 规定。最大数据传输单元（MTU）是指一 个特定的网络所允许的物理帧的最大数据 长度。当路由器收到一个大于其要转发的 网络的MTU的数据报时，路由器必须将这 个数据报分成可通过该网络的数据报片， 这就是IP数据报的分片问题。6.1.2 IP的编址 IP协议要求参加Internet网的网节点要 有一个统一规定格式的地址，这个地址 称为符合IP协议的地址，一般被称为IP 地址。 IP地址格式 IP地址可以被表示为二进制格式。二进 制表示的IP地址中，每个IP地址含32位 ，被分为4段，每段8位 。 IP地址由两部分组成：网络号（Network ID）主机号（Host ID） IP地址类型 （1）A类地址：一般用于大型网络，可以拥有很大 数量的主机。第一字节表示网络号，其中最高位为 0。剩余三字节共24位表示主机号，总共允许有126 个网络。 （2）B类地址：被分配到中等规模或较大规模的网 络中。前两个字节表示网络号，其中最高两位总被 置于二进制的10，剩余两个字节共16位表示主机号 ，允许有16384个网络。 （3）C类地址：被用于主机数量较小的小型网络。 前三个字节表示网络号，其中高三位被置为二进制 的110，剩余一个字节表示主机号，允许大约200万 个网络。 （4）D类地址：被用于多路广播组用户，高四位总 被置为1110，余下的位用于标明客户机所属的组。 （5）E类地址：保留，为今后使用。 在分配网络号和主机号时应遵守以下几条准则： （1）网络号不能为127，该标识号被保留作回送及 诊断功能。 （2）不能将网络号和主机号的各位均置1。如果每 一位都为1，则各路由器均不转发，该地址会被解 释为在本网络内使用的广播地址。 （3）不能将某台主机的网络地址中主机号部分全 置1。在任何一个合法的网络中，主机号全为1的地 址代表对本网络上的所有主机进行广播的地址。 （4）也不能将网络号和主机号的各位均置0，否则 该地址被解释为本网络地址。 （5）对于一个网络来说，主机号应该是唯一的。 否则会出现IP地址已分配或有冲突之类的错误。 子网掩码 TCP/IP上的每台主机都需要用一个掩码，也称为子网 掩码。它是一个4字节的二进制数。IP软件在提取一 个IP地址的网络号和主机号时需要使用掩码。 当网络还没有划分为子网时，可以使用缺省的子网掩 码；当网络被划分为若干个子网时，就要使用网络管 理员分配的特定的子网掩码了。 缺省的子网掩码用于一个还没有划分子网的网络。即 使是在一个单段网络上，每台主机也都需要这样的缺 省值。它的形式依赖于网络的地址类型。在它的4字 节里，所有对应网络号的位都被置为1，相应字节的 十进制值都是255；所有主机号的位都置为0。 6.1.3特殊地址 网络地址：一个主机号的所有位都为“0”的地址是 保留给该网络本身的。 广播地址：当数据报头中目的地址字段的内容为广 播地址时，该数据报被网上所有主机接收。 组播地址：通过使用特定的IP组播地址，按照最大 投递的原则，将IP数据报传输到一个组播群组（ multicast group）的主机集合。 回送地址： 用于网络软件测试以及本地机进程间通 信，叫做回送地址（loopback address）。 6.2 IP子网技术6.2.1 子网划分 6.2.2 可变长子网 6.2.3 超网6.2.1 子网划分 子网编址将主机号部分增加一个子网号 字段即把IP地址的主机号中分出一些位 用作子网号，而不仅仅把32位 IP地址分 成网络号和主机号。 网络号主机号网络号子网号主机（a）（b） 网络号： （1）将IP地址114.252.20.68转换为二进制 01110010 11111100 00010100 01000100。 （2）将子网掩码255.255.255.224转换为二进制 11111111 11111111 11111111 11100000。 （3）将两个二进制数逻辑与（AND）运算后得出 的结果即为网络部分。 11111111111111111111111111100000AND0111001011111100000101000100010001110010111111000001010001000000结果：子网掩码：IP地址：1142522064网络号： 主机号： 00000000000000000000000000011111AND0111001011111100000101000100010000000000000000000000000000000100结结果：子网掩码码取反：IP地址：0004主机号：6.2.2 可变长子网 可变长子网掩码（VLSM，Variable- length Subnet Mask）技术是子网划分的 一种应用技术，指在一个网络中，按照各子 网中主机的数量规划不同的子网，但所有子 网网络号是一致的。其本质是对已划分的子 网做进一步的划分。引入可变长子网掩码技 术，主要目的是优化可用地址空间，避免造 成IP地址资源的浪费。 1. 任务描述 为一个企业规划一个可变长子网，给定条件 如下： （1）申请一个B类网络，网络号为 172.16.0.0。 （2）配置13个能容纳4000台计算机的子网 。 （3）6个能容纳250台计算机的子网。 （4）假定在划分中全0和全1的子网不可用。 2. 互连方案的设计 （1）配置13个能容纳4000台计算机的子网 （2）配置6个能容纳250台计算机的子网 6.2.3 超网 IETF提出了超网（super net）和无类 域间路由（CIDR，Classless Inter Domain Routing）的方法，它采取了 灵活选择IP地址中主机号的长度,不再机 械地划分成类。与子网编址相反，某组 织内不用一个IP地址来代表多个物理网 络，而是用多个IP网络地址代表一个组 织。 采用了CIDR后，将多个网络表项聚合成 了一个路由表项，一般可以表示为如下 模式： 起始网络号，数量 （1）起始网络号：所分配的第一个C类 网络IP地址。 （2）数量：分配的C类网络的总数。 在实际应用中，将世界划分为4个区域， 将一部分C类地址空间分配给这些地区 区域C类地址分配范围欧洲地区194.0.0.0195.255.255.255北美地区198.0.0.0199.255.255.255中美和南美地区200.0.0.0201.255.255.255亚亚太地区202.0.0.0203.255.255.255超网的应用 1. 任务描述 某组织使用10个标准C类地址， 202.123.3.0 、202.123.7.0、202.123.8.0、202.123.9.0 、202.123.10.0、202.123.11.0、 202.123.12.0、202.123.13.0、202.123.14.0 和202.123.15.0。为了简化路由表，需将上 述地址聚合使用，需规划聚合后的网络掩码 ，网络地址，广播地址和有效IP地址范围。 2. 互连方案的设计 （1） 首先判断能否聚合：方法是将聚 合前10个C类地址的网络地址位最低位 所在字节的十进制数转换成二进制数。 （2）判断聚合前10个C类地址的网络地 址位最低位所在字节的二进制数是否满 足聚合条件 。6.3 IPv66.3.1 IPv6概述 6.3.2 IPv6的数据报文格式 6.3.3 IPv6地址方案6.3.1 IPv6概述 IPv6是下一代IP协议，主要有以下内容： （1）采用128位地址空间，在层次结构上更为科学 合理。在IPv6协议设计之前，网络界曾提出过若干 种IPv4的替代协议。 （2）地址自动分配，提供了无状态和有状态地址 自动配置两种地址方案。 （3）简化了协议首部，使用了全新的、更加灵活 的数据报首部结构。 （4）支持源路由的选径，IPv6采用了多层次地址 结构，提供了更多的路由信息，绝大多数路由算法 都作了修改，以扩展其路由选径的能力。 （5）集成了认证和加密的安全机制，两种机制可 以自由组合使用，以适应不同的需要。 6.3.2 IPv6的数据报文格式 IPv6数据报文的基本首部和IPv4报文一样， IPv6的报文同样是封装在一个网络物理帧之 中，如图所示 。物理帧帧首部IPv6首部可选选的IPv6 扩扩展首部TCP（UDP） 首部应应用层层数据物理帧帧尾部IPv6报文基本首部 版本号传输类别传输类别流标识标识负载长负载长 度下一首部跳数极限16byte源地址16byte目的地址0 3 4 11 12 15 16 23 24