【正文】 ?第 4 章 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層提供的兩種服務(wù) ? 虛電路服務(wù) ? 數(shù)據(jù)報服務(wù) ? 在計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)該向運輸層（傳輸層）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：在計算機通信中， 可靠交付應(yīng)當由誰來負責？ 是 網(wǎng)絡(luò) 還是 端系統(tǒng) ？ 虛電路服務(wù) ? 電信網(wǎng)的成功經(jīng)驗：讓網(wǎng)絡(luò)負責可靠交付 ? 即當兩個計算機進行通信時，模仿打電話所使用的面向連接的通信方式，先建立一條 虛電路VC(Virtual Circuit)，以保證雙方通信所需的一切網(wǎng)絡(luò)資源。然后雙方就沿著已建立的虛電路發(fā)送分組。 ? 這種通信方式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終點。 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。 數(shù)據(jù)報服務(wù) ? 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（不按序到達終點），當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)的交換機相比較）。 ? 如果主機（即端系統(tǒng)）中的進程之間的通信需要是可靠的，那么就由網(wǎng)絡(luò)的主機中的運輸層負責（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，充分證明了當初采用這種設(shè)計思路的正確性。 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)當由網(wǎng)絡(luò)來保證 可靠通信應(yīng)當由用戶主機來保證 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行轉(zhuǎn)發(fā) 每個分組獨立選擇路由進行轉(zhuǎn)發(fā) 當結(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)送順序到達終點 到達終點時不一定按發(fā)送順序 端到端的差錯處理和流量控制 可以由網(wǎng)絡(luò)負責，也可以由用戶主機負責 由用戶主機負責 網(wǎng)際協(xié)議 IP ? 網(wǎng)際協(xié)議 IP 是 TCP/IP 體系中最主要的協(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 ? 要在全世界范圍內(nèi)把數(shù)以百萬計的網(wǎng)絡(luò)互連在一起進行通信，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 虛擬互連網(wǎng)絡(luò) ? 將各種網(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)。 ? 物理層使用的中間設(shè)備： 轉(zhuǎn)發(fā)器 (repeater)。 ? 數(shù)據(jù)鏈路層使用的中間設(shè)備： 網(wǎng)橋 或 橋接器 (bridge)。 ? 網(wǎng)絡(luò)層使用的中間設(shè)備： 路由器 (router)。 ? 網(wǎng)絡(luò)層以上使用的中間設(shè)備： 網(wǎng)關(guān) (gateway)。 ? 當中繼系統(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) 實際的互連網(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)從用戶角度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：當互聯(lián)網(wǎng)上的主機進行通信時 ， 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)細節(jié) 。 舉例： ? 當很多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通過路由器互連起來時，如果所有的網(wǎng)絡(luò)都使用相同的 IP協(xié)議，那么，在網(wǎng)絡(luò)層討論問題就顯得很方便了， ? 下面用一個例子來說明：源主機 H1要把一個 IP數(shù)據(jù)報發(fā)送給目的主機 H2：主機 H1先查找自己的路由表，看目的主機是否在本網(wǎng)絡(luò)上，如是，則不需要經(jīng)過任何路由器而是 直接交付 ，如不是，則必須把 IP數(shù)據(jù)報發(fā)送給某個路由器（如下圖中的 R1），R1查找了自己的路由表后，知道應(yīng)當把數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)給 R2進行 間接交付， 這樣一直轉(zhuǎn)發(fā)下去，最后由 R5把數(shù)據(jù)報 直接交付 給目的主機 H2 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主機 H1 主機 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 （ 或路由器 ） 分配一個在全世界范圍是唯一的 32 位的標識符 。 ? IP地址的編址方法共經(jīng)過了三個歷史階段 ： （ 1） 分類的 IP地址：這是最基本的編址方法 （ 2） 子網(wǎng)的劃分： 1985年通過 （ 3） 構(gòu)成超網(wǎng)： 1993年提出后得到推廣應(yīng)用 分類 IP 地址 ? 兩級的 IP 地址可以記為： IP 地址 ::= { 網(wǎng)絡(luò)號 , 主機號 } (41) 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 bit id 8 位 IP 地址中的網(wǎng)絡(luò)號字段和主機號字段 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 D 類地址是多播地址 id 24 位 hostid 24 位 id 16 bit id 8 位 IP 地址中的網(wǎng)絡(luò)號字段和主機號字段 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 E 類地址保留為今后使用 點分十進制記法 10000000000010110000001100011111 機器中存放的 IP 地址 是 32 位 二進制代碼 10000000 00001011 00000011 00011111 每隔 8 位插入一個空格 能夠提高可讀性 采用點分十進制記法 則進一步提高可讀性 128 11 3 31 將每 8 位的二進制數(shù) 轉(zhuǎn)換為十進制數(shù) 2. 常用的三種類別的 IP 地址 IP 地址的使用范圍 網(wǎng)絡(luò) 最大 第一個 最后一個 每個網(wǎng)絡(luò) 類別 網(wǎng)絡(luò)數(shù) 可用的 可用的 中最大的 網(wǎng)絡(luò)號 網(wǎng)絡(luò)號 主機數(shù) A 126 (27 – 2) 1 126 16,777,214 B 16,383(214 ? 1) 65,534 C 2,097,151 (221 ? 1) 254 IP 地址的一些重要特點 (1) IP 地址是一種分等級的地址結(jié)構(gòu) 。 分兩個等級的好處是： ? 第一 ， IP 地址管理機構(gòu)在分配 IP 地址時只分配網(wǎng)絡(luò)號 ， 而剩下的主機號則由得到該網(wǎng)絡(luò)號的單位自行分配 。 這樣就方便了 IP 地址的管理 。 ? 第二 ， 路由器僅根據(jù)目的主機所連接的網(wǎng)絡(luò)號來轉(zhuǎn)發(fā)分組 （ 而不考慮目的主機號 ） ， 這樣就可以使路由表中的項目數(shù)大幅度減少 ， 從而減小了路由表所占的存儲空間 。 IP 地址的一些重要特點 (2) 實際上 IP 地址是標志 一個主機 （ 或路由器 ） 和一條鏈路的接口 。 ? 當一個主機同時連接到兩個網(wǎng)絡(luò)上時 ， 該主機就必須同時具有兩個相應(yīng)的 IP 地址 ， 其網(wǎng)絡(luò)號 id 必須是不同的 。 這種主機稱為 多歸屬主機(multihomed host)。 ? 由于一個路由器至少應(yīng)當連接到兩個網(wǎng)絡(luò) （ 這樣它才能將 IP 數(shù)據(jù)報從一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò) ） ， 因此一個路由器至少應(yīng)當有兩個不同的 IP 地址 。 IP 地址的一些重要特點 (3) 用轉(zhuǎn)發(fā)器或網(wǎng)橋連接起來的若干個局域網(wǎng)仍為一個網(wǎng)絡(luò) ， 因此這些局域網(wǎng)都具有同樣的網(wǎng)絡(luò)號 id。 (4) 所有分配到網(wǎng)絡(luò)號 id