【正文】 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第 5 版） 第 4 章 網(wǎng)絡(luò)層 授課人：王鑫 第 4 章 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層提供的兩種服務(wù) 網(wǎng)際協(xié)議 IP 虛擬互連網(wǎng)絡(luò) 分類的 IP 地址 IP 地址與硬件地址 地址解析協(xié)議 ARP 與逆地址解析協(xié)議 RARP IP 數(shù)據(jù)報的格式 IP 層轉(zhuǎn)發(fā)分組的流程 第 4 章 網(wǎng)絡(luò)層（續(xù)） 劃分子網(wǎng)和構(gòu)造超網(wǎng) 劃分子網(wǎng) 使用子網(wǎng)時分組轉(zhuǎn)發(fā) 無分類編址 CIDR（構(gòu)造超網(wǎng)） 網(wǎng)際控制報文協(xié)議 ICMP ICMP 報文的種類 ICMP 的應(yīng)用舉例 因特網(wǎng)的路由選擇協(xié)議 有關(guān)路由選擇協(xié)議的幾個基本概念 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 RIP 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 OSPF 外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議 BGP 第 4 章 網(wǎng)絡(luò)層（續(xù)） 路由器的構(gòu)成 IP 多播 IP 多播的基本概念 在局域網(wǎng)上進(jìn)行硬件多播 因特網(wǎng)組管理協(xié)議 IGMP 和多播路由選 擇協(xié)議 虛擬專用網(wǎng) VPN 和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換 NAT 虛擬專用網(wǎng) VPN 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換 NAT 本章最重要的內(nèi)容 (1) 虛擬互連網(wǎng)絡(luò)的概念 (2) IP 地址與物理地址的關(guān)系 (3) 傳統(tǒng)的分類的 IP 地址（包括子網(wǎng)掩碼）和無分類域間路由選擇 CIDR (4) 路由選擇協(xié)議的工作原理 網(wǎng)絡(luò)層提供的兩種服務(wù) ? 在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該向運輸層提供怎樣的服務(wù)（“面向連接”還是“無連接”）曾引起了長期的爭論。 ? 爭論焦點的實質(zhì)就是：在計算機(jī)通信中，可靠交付應(yīng)當(dāng)由誰來負(fù)責(zé)？ 是 網(wǎng)絡(luò) 還是 端系統(tǒng) ？ 電信網(wǎng)的成功經(jīng)驗 讓網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)可靠交付 ? 面向連接 的通信方式 ? 建立 虛電路 (Virtual Circuit)，以保證雙方通信所需的一切網(wǎng)絡(luò)資源。 ? 如果再使用可靠傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就可使所發(fā)送的分組無差錯按序到達(dá)終點。 虛電路服務(wù) * 應(yīng)用層 運輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 應(yīng)用層 運輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 H1 H2 虛電路 H1 發(fā)送給 H2 的所有分組都沿著同一條虛電路傳送 虛電路是邏輯連接 ? 虛電路表示這只是一條 邏輯上的連接 ，分組都沿著這條邏輯連接按照存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式傳送，而并不是真正建立了一條物理連接。 ? 請注意，電路交換的電話通信是先建立了一條 真正的連接 。因此分組交換的虛連接和電路交換的連接只是類似，但并不完全一樣。 因特網(wǎng)采用的設(shè)計思路 ? 網(wǎng)絡(luò)層向上只提供簡單靈活的、 無連接的 、 盡最大努力交付 的 數(shù)據(jù)報服務(wù) 。 ? 網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送分組時不需要先建立連接。每一個分組（即 IP 數(shù)據(jù)報）獨立發(fā)送，與其前后的分組無關(guān)（不進(jìn)行編號）。 ? 網(wǎng)絡(luò)層不提供服務(wù)質(zhì)量的承諾。即所傳送的分組可能出錯、丟失、重復(fù)和失序（不按序到達(dá)終點），當(dāng)然也不保證分組傳送的時限。 盡最大努力交付的好處 ? 由于傳輸網(wǎng)絡(luò)不提供端到端的可靠傳輸服務(wù)，這就使網(wǎng)絡(luò)中的路由器可以做得比較簡單，而且價格低廉（與電信網(wǎng)的交換機(jī)相比較）。 ? 如果主機(jī)（即端系統(tǒng)）中的進(jìn)程之間的通信需要是可靠的，那么就由網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)中的運輸層負(fù)責(zé)（包括差錯處理、流量控制等）。 ? 采用這種設(shè)計思路的好處是：網(wǎng)絡(luò)的造價大大降低，運行方式靈活，能夠適應(yīng)多種應(yīng)用。 ? 因特網(wǎng)能夠發(fā)展到今日的規(guī)模，充分證明了當(dāng)初采用這種設(shè)計思路的正確性。 數(shù)據(jù)報服務(wù) * 應(yīng)用層 運輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 應(yīng)用層 運輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 H1 H2 IP 數(shù)據(jù)報 丟失 H1 發(fā)送給 H2 的分組可能沿著不同路徑傳送 虛電路服務(wù)與數(shù)據(jù)報服務(wù)的對比 對比的方面 虛電路服務(wù) 數(shù)據(jù)報服務(wù) 思路 可靠通信應(yīng)當(dāng)由網(wǎng)絡(luò)來保證 可靠通信應(yīng)當(dāng)由用戶主機(jī)來保證 連接的建立 必須有 不需要 終點地址 僅在連接建立階段使用，每個分組使用短的虛電路號 每個分組都有終點的完整地址 分組的轉(zhuǎn)發(fā) 屬于同一條虛電路的分組均按照同一路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) 每個分組獨立選擇路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā) 當(dāng)結(jié)點出故障時 所有通過出故障的結(jié)點的虛電路均不能工作 出故障的結(jié)點可能會丟失分組，一些路由可能會發(fā)生變化 分組的順序 總是按發(fā)送順序到達(dá)終點 到達(dá)終點時不一定按發(fā)送順序 端到端的差錯處理和流量控制 可以由網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)，也可以由用戶主機(jī)負(fù)責(zé) 由用戶主機(jī)負(fù)責(zé) 網(wǎng)際協(xié)議 IP ? 網(wǎng)際協(xié)議 IP 是 TCP/IP 體系中兩個最主要的協(xié)議之一。與 IP 協(xié)議配套使用的還有四個協(xié)議： ? 地址解析協(xié)議 ARP (Address Resolution Protocol) ? 逆地址解析協(xié)議 RARP (Reverse Address Resolution Protocol) ? 網(wǎng)際控制報文協(xié)議 ICMP (Inter Control Message Protocol) ? 網(wǎng)際組管理協(xié)議 IGMP (Inter Group Management Protocol) 網(wǎng)際層的 IP 協(xié)議及配套協(xié)議 各種應(yīng)用層協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)接口層 (HTTP, FTP, SMTP 等 ) 物理硬件 運輸層 TCP, UDP 應(yīng)用層 ICMP IP RARP ARP 與各種網(wǎng)絡(luò)接口 網(wǎng)絡(luò)層 （網(wǎng)際層） IGMP 虛擬互連網(wǎng)絡(luò) ? 互連在一起的網(wǎng)絡(luò)要進(jìn)行通信，會遇到許多問題需要解決，如： – 不同的尋址方案 – 不同的最大分組長度 – 不同的網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制 – 不同的超時控制 – 不同的差錯恢復(fù)方法 – 不同的狀態(tài)報告方法 – 不同的路由選擇技術(shù) – 不同的用戶接入控制 – 不同的服務(wù)（面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)） – 不同的管理與控制方式 網(wǎng)絡(luò)互相連接起來 要使用一些中間設(shè)備 ? 中間設(shè)備 又稱為 中間系統(tǒng) 或 中繼 (relay)系統(tǒng)。 –物理層中繼系統(tǒng)： 轉(zhuǎn)發(fā)器 (repeater)。 –數(shù)據(jù)鏈路層中繼系統(tǒng)： 網(wǎng)橋 或 橋接器 (bridge)。 –網(wǎng)絡(luò)層中繼系統(tǒng)： 路由器 (router)。 –網(wǎng)橋和路由器的混合物： 橋路器 (brouter)。 –網(wǎng)絡(luò)層以上的中繼系統(tǒng)： 網(wǎng)關(guān) (gateway)。 網(wǎng)絡(luò)互連使用路由器 ? 當(dāng)中繼系統(tǒng)是轉(zhuǎn)發(fā)器或網(wǎng)橋時，一般并不稱之為網(wǎng)絡(luò)互連，因為這僅僅是把一個網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了，而這仍然是一個網(wǎng)絡(luò)。 ? 網(wǎng)關(guān)由于比較復(fù)雜，目前使用得較少。 ? 互聯(lián)網(wǎng)都是指用路由器進(jìn)行互連的網(wǎng)絡(luò)。 ? 由于歷史的原因，許多有關(guān) TCP/IP 的文獻(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)層使用的路由器稱為 網(wǎng)關(guān) 。 互連網(wǎng)絡(luò)與虛擬互連網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò) (a) 互連網(wǎng)絡(luò) (b) 虛擬互連網(wǎng)絡(luò) 路由器 虛擬互連網(wǎng)絡(luò) （互聯(lián)網(wǎng)） 虛擬互連網(wǎng)絡(luò)的意義 ? 所謂虛擬互連網(wǎng)絡(luò)也就是邏輯互連網(wǎng)絡(luò) ， 它的意思就是互連起來的各種物理網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性本來是客觀存在的 ， 但是我們利用 IP 協(xié)議就可以使這些性能各異的網(wǎng)絡(luò)從用戶看起來好像是一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò) 。 ? 使用 IP 協(xié)議的虛擬互連網(wǎng)絡(luò)可簡稱為 IP 網(wǎng) 。 ? 使用虛擬互連網(wǎng)絡(luò)的好處是：當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)上的主機(jī)進(jìn)行通信時 ， 就好像在一個網(wǎng)絡(luò)上通信一樣 ， 而看不見互連的各具體的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)細(xì)節(jié) 。 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主機(jī) H1 主機(jī) H2 R1 R4 R5 R2 R3 R1 R2 R3 H1 R5 H2 R4 間接交付 間接交付 間接交付 間接交付 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 分組在互聯(lián)網(wǎng)中的傳送 從網(wǎng)絡(luò)層看 IP 數(shù)據(jù)報的傳送 ? 如果我們只從網(wǎng)絡(luò)層考慮問題，那么 IP 數(shù)據(jù)報就可以想象是在網(wǎng)絡(luò)層中傳送。 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層 IP 數(shù)據(jù)報 H1 R1 R2 R3 R4 R5 H2 分類的 IP 地址 1. IP 地址及其表示方法 ? 我們把整個因特網(wǎng)看成為一個單一的 、 抽象的網(wǎng)絡(luò) 。 IP 地址就是給每個連接在因特網(wǎng)上的主機(jī) （ 或路由器 ） 分配一個在全世界范圍是唯一的 32 位的標(biāo)識符 。 ? IP 地址現(xiàn)在由 因特網(wǎng)名字與號碼指派公司ICANN (Inter Corporation for Assigned Names and Numbers)進(jìn)行分配 IP 地址的編址方法 ? 分類的 IP 地址 。 這是最基本的編址方法 ，在 1981 年就通過了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 。 ? 子網(wǎng)的劃分 。 這是對最基本的編址方法的改進(jìn) ， 其標(biāo)準(zhǔn) [RFC 950]在 1985 年通過 。 ? 構(gòu)成超網(wǎng) 。 這是比較新的無分類編址方法 。1993 年提出后很快就得到推廣應(yīng)用 。 分類 IP 地址 ? 每一類地址都由兩個固定長度的字段組成 ，其中一個字段是 網(wǎng)絡(luò)號 id， 它標(biāo)志主機(jī) （ 或路由器 ） 所連接到的網(wǎng)絡(luò) ， 而另一個字段則是 主機(jī)號 hostid， 它標(biāo)志該主機(jī)（ 或路由器 ） 。 ? 兩級的 IP 地址可以記為： IP 地址 ::= { 網(wǎng)絡(luò)號 , 主機(jī)號 } (41) ::= 代表“ 定義為 ” id 24 位 hostid 24 位 id 16 位 id 8 位 IP 地址中的網(wǎng)絡(luò)號字段和主機(jī)號字段 0 A 類地址 hostid 16 位 B 類地址 C 類地址 0 1 1 hostid 8 位 D 類地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 類地址 保 留 為 今 后 使 用 1 1 1 1 0 1 id 24 位 hostid 24 位 id 16 位 id 8 位 IP 地址中的網(wǎng)絡(luò)號字段和主機(jī)號字段 0 A 類地址 hostid 16 位 B 類地址 C 類地址 0 1 1 hostid 8 位 D 類地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 類地址 保 留 為 今 后 使 用 1 1 1 1 0 1 A 類地址的網(wǎng)絡(luò)號字段 id 為 1 字節(jié) id 24 位 hostid 24 位 id 16 位 id 8 位 IP 地址中的網(wǎng)絡(luò)號字段和主機(jī)號字段 0 A 類地址 hostid 16 位 B 類地址 C 類地址 0 1 1 hostid 8 位 D 類地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 類地址 保 留 為 今 后 使 用 1 1 1 1 0 1 B 類地址的網(wǎng)絡(luò)號字段 id 為 2 字節(jié) id 24 位 hostid 24 位 id 16 位 id 8 位 IP 地址中的網(wǎng)絡(luò)號字段和主機(jī)號字段 0 A 類地址 hostid 16 位 B 類地址 C 類地址 0 1 1 hostid 8 位 D 類地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 類地址 保 留 為 今 后 使 用 1 1 1 1 0 1 C 類地址的網(wǎng)絡(luò)號字段 id 為 3 字節(jié) id 24 bit hostid 24 位 id 16 位 id 8 位 IP 地址中的網(wǎng)絡(luò)號字段和主機(jī)號字段 0 A 類地址 hostid 16 位 B 類地址 C 類地址 0 1 1 hostid 8 位 D 類地址 1 1 1 0 多 播 地 址 E 類地址 保 留 為 今 后 使 用 1 1 1 1 0