【文章內(nèi)容簡介】 用戶具有多個內(nèi)網(wǎng)地址，而對外網(wǎng)僅有一個地址或有限個地址。表44列出了預留的三組專用網(wǎng)絡地址。這些地址在內(nèi)網(wǎng)是唯一的，但不是全局唯一。表44 專用網(wǎng)地址 與外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)連接的路由具有全局唯一地址和內(nèi)網(wǎng)地址，且運行NAT軟件。圖424為NAT實現(xiàn)的一個簡單示例。NAT路由具有內(nèi)網(wǎng)地址，同時具有全局唯一的地址與外網(wǎng)internet相連。內(nèi)部網(wǎng)絡對外部internet是透明的。 圖424 NAT實現(xiàn)示例 外送的分組送至NAT路由，在路由處將分組中的源地址替換為全局唯一的NAT地址。所有發(fā)往內(nèi)網(wǎng)的分組同樣經(jīng)過NAT路由，將分組中的NAT全局唯一地址替換為相應的內(nèi)網(wǎng)地址。如圖425所示。圖425 NAT地址變換地址變換表將外送分組的地址轉(zhuǎn)換為NAT路由全局唯一地址很簡單，但NAT路由如何得知送往內(nèi)網(wǎng)的分組的目的地址呢？利用地址變換表。方法一：地址變換表具有兩欄：內(nèi)網(wǎng)地址和外網(wǎng)目的地址。當NAT路由將外送的分組的源地址替換為NAT路由地址時，記錄下內(nèi)網(wǎng)源地址及外網(wǎng)目的地址及他們的對應關(guān)系。當收到目的地址的回復時，路由利用回復的源地址，查找對應的內(nèi)網(wǎng)地址。如圖4262所示。圖426 NAT地址轉(zhuǎn)換 這個方法中，通信的發(fā)起方必然是內(nèi)網(wǎng)。 方法二：NAT路由具有多個IP地址。例如上例，NAT路由具有4個IP地址（, , , 。這樣，4臺內(nèi)網(wǎng)的主機可以同時與同一個外部主機通信，四個路由地址可以定義四個鏈接。不足：最多只能同時定義四個鏈接；內(nèi)網(wǎng)主機不能同時訪問2個外部服務程序（例如HTTP和FTP）。 方法三：同時利用IP地址和端口號。為了實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)主機和外網(wǎng)之間的多對多通信，地址轉(zhuǎn)換表需要包含更多信息。例如，如果地址變換表提供5欄信息，包括，源地址，內(nèi)網(wǎng)端口，外部IP地址，外部端口，傳輸層規(guī)約的目的端口號，則能夠?qū)崿F(xiàn)。如表45所示。臨時端口號1400和1401必須是唯一的。表45 地址轉(zhuǎn)換表 IPv6 因特網(wǎng)協(xié)議在internet模型中，主要的網(wǎng)絡協(xié)議是IP協(xié)議。IP地址用來標識接入因特網(wǎng)的設備（計算機，路由器等）。有了IP地址，IP協(xié)議才能夠把分組從一個地方送往另外一個地方。IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡層協(xié)議。功能是管理和控制IP分組的交付。即，一個分組由源主機交付給目的主機的任務由IP協(xié)議來完成。 IPv4協(xié)議1．IPv4協(xié)議在TCP/IP協(xié)議棧中的位置 圖427 TCP/IP協(xié)議棧 圖427是當前因特網(wǎng)正使用者的協(xié)議棧，是因特網(wǎng)全部協(xié)議的總稱。IPv4位于網(wǎng)絡層，為上一層傳輸層提供服務。它使用下面的網(wǎng)絡接口層（數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的集合）提供的服務。嚴格說，TCP/IP是一個4層協(xié)議的網(wǎng)絡模型。每一層都有很多協(xié)議，在圖中用小方框表示，框內(nèi)是協(xié)議名，都是英文縮寫詞。網(wǎng)絡層的IPv4是IP協(xié)議，傳輸層的TCP協(xié)議稱為傳輸控制協(xié)議。他們分別是網(wǎng)絡層和傳輸層的單個協(xié)議，但是當我們提到TCP/IP時，指的是整個的協(xié)議棧。用這兩個協(xié)議的名字稱呼整個協(xié)議棧，也說明了這兩個協(xié)議的重要性。網(wǎng)絡層除了IPv4之外，還有IGMP，ICMP，ARP，RARP。IPv4協(xié)議是網(wǎng)絡層的核心協(xié)議。圖427各層協(xié)議關(guān)系及數(shù)據(jù)格式示意圖2．IPv4的特點（1）IPv4是無連接的、不可靠的協(xié)議。IPv4是數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡盡最大努力有效地傳送分組，但不保證可靠傳送。（2）IPv4不提供差錯控制和流量控制。由ICMP等協(xié)議協(xié)助完成。（3）如果要求可靠傳送，則IPv4必須與TCP配合。傳輸層協(xié)議是運行在用戶主機上的程序，是獨立于網(wǎng)絡的，保證主機進程到另一主機進程的端到端的可靠通信。3. IPv4數(shù)據(jù)報圖428 IPv4數(shù)據(jù)報格式 IPv4數(shù)據(jù)報又稱IP包，包括兩部分：協(xié)議頭（首部）和可變長的數(shù)據(jù)?？偟拈L度在20~65536字節(jié)之間。IP分組沒有尾部。 傳輸層送來的數(shù)據(jù)；或，IP層為了交換路由信息（如OSPF協(xié)議）以及實施錯誤和流量控制等（如ICMP協(xié)議）均要使用IP來傳輸。會封裝在IP包的可變長的數(shù)據(jù)部分。 IP協(xié)議頭：包括20個字節(jié)的必備部分和最長為40個字節(jié)的選項部分。20個字節(jié)的頭用32比特的5個長字表示，如圖428，分別說明如下：（1） 版本號VER，4比特。定義了IPv4的協(xié)議版本?，F(xiàn)在的版本號是4。將來IPv6可能完全取代IPv4。這四位告訴協(xié)議處理進程數(shù)據(jù)報的版本是4，所有后面的字段必須按4版本進行翻譯。如果處理進程使用的是其他版本，則會丟棄這個數(shù)據(jù)報，以免錯誤翻譯。（2） 頭長度HLEN，4比特。制定數(shù)據(jù)報頭的總長度（基本頭+選項）。以4字節(jié)（32個比特）為單位。如果該字段為5，說明頭部有20個字節(jié)，即，只有必備部分，沒有選項。該字段最大值為15，即說明頭長度最大為15*4=60字節(jié)。（3） 服務Services，8比特?，F(xiàn)在重新定義，稱為區(qū)分服務（differentiated services）。圖429服務服務：優(yōu)先權(quán)：前3比特，從0~7，共8個等級。用來當網(wǎng)絡發(fā)生擁塞時，不得不拋棄部分分組來緩解擁塞。這是要根據(jù)優(yōu)先權(quán)，選擇優(yōu)先級低的分組拋棄。所以，對于重要的分組要給予高的優(yōu)先權(quán)。 服務類型：接下來的4比特，通過為相應位置1定義需要的服務類型。4位分別代表：最小延遲，最大吞吐率，最大可靠性和最小代價。只能有1位置1，即，只能選擇一種服務質(zhì)量。四位不同的組合，代表分組對發(fā)送的要求，如表46所示，由上至下分別為正常（默認），最小代價，最大可靠性，最大吞吐率和最小延遲。表46服務類型 IP上層應用程序根據(jù)業(yè)務特性的不同可以選擇不同的服務。區(qū)分服務： 只用前6比特，后2個比特不用。這6比特有兩種用法。當右邊3比特為0時，左邊的3比特用作優(yōu)先權(quán)。以和前一種的服務類型兼容。當右邊的3比特不全為0時，用6比特編碼，可以代表64個不同類型的服務。這些服務的優(yōu)先權(quán)可由因特網(wǎng)或本地管理機構(gòu)指定。 具體的呢？（4） 總長度Total Length：16比特。指明IP數(shù)據(jù)報的長度，包括頭和數(shù)據(jù)。IP分組的最大長度為65535字節(jié)。數(shù)據(jù)長度是總長度與頭長度之差。（5） 標識Identification：16比特，用于分段（Fragmentation）（6） 標志Flags：3比特，也用于分段（7） 段偏移Fragmentation Offset：13比特，用于分段。分段：IP分組在因特網(wǎng)上傳輸時要跨越多個網(wǎng)絡，從一個路由器到下一個路由器，直到到達目的主機所在的路由器。在每一個路由器，路由器從一個網(wǎng)絡接收一個幀，取出IP分組，查找路由，然后又封裝成另一個網(wǎng)絡的幀，繼續(xù)傳輸。直至到達目的主機。由于要為幀建立緩沖區(qū)，執(zhí)行數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，例如出錯重發(fā)的功能，而緩沖區(qū)的大小就決定了每一個物理網(wǎng)絡的最大允許的幀長。不同的網(wǎng)絡又不同的最大幀長。幀的最大允許長度稱為網(wǎng)絡的最大傳輸單位MTU（Maximum Transfer Unit）。表47某些網(wǎng)絡的MTUIP分組要在這些網(wǎng)絡中傳輸，封裝以后就不能超過這些網(wǎng)絡的最大允許幀長。因為網(wǎng)絡的MTU差別很大，如果把IP包的大小選作所有MTU的最小值，可能數(shù)據(jù)利用率很低（IP分組很小，包頭占很多字節(jié)），而且IP分組的大小還依賴于說經(jīng)過的網(wǎng)絡，如果有新網(wǎng)絡出現(xiàn)，且其MTU小于以前的MTU最小值，就會發(fā)生故障。因此，IP協(xié)議采用“分段”的方法來解決這一問題。 “分段”即按需要把一個分組分成幾個小的分組。分段可以在源主機或路由器上進行。各小分組達到目的主機后，還要將各小分組的數(shù)據(jù)組裝成原來的分組。（5）（7）字段就是為這個目的設置的。 （5）標識，16比特。標識源主機發(fā)出的一個數(shù)據(jù)報。一個源主機的IP地址和一個數(shù)據(jù)報標識就唯一的標識了這個數(shù)據(jù)報。同一主機發(fā)出的不同數(shù)據(jù)報有不同的標識。在具體實現(xiàn)時可以這樣做：主機設置一個計數(shù)器，并設置初值。主機每發(fā)一數(shù)據(jù)報，就將計數(shù)器的值填入IP分組的標識字段。然后計數(shù)器加1。下次再發(fā)數(shù)據(jù)報時又填入新的標識值。這樣就保證同一主機發(fā)出的數(shù)據(jù)分組都具有唯一的標識。一個分組分段后形成的各小分組應該具有相同的分組標識，以表明他們都是屬于同一個分組。 （6）標志，3比特，只用了2比特，作用：D比特，1位，是否可分段標志，該位為1，不允許分段。該位為0，可以分段；M比特，1位，最后段的標志，該位為1，說明這個小分組不是最后的段，該位為0，表示這個小分組是最后的段。 （7）段偏移，13比特。用這個值說明分成的段在原來的數(shù)據(jù)分組中的位置，它以8字節(jié)為計數(shù)單位。因為IP分組的總長度是用16比特來計數(shù)的，即最大是字節(jié)。而段偏移只有13比特，因此把單位擴大8倍，即，就可以表示分成的段在原來數(shù)據(jù)報中的位置了。例題【410】按圖430將一長度為4000字節(jié)的數(shù)據(jù)分成3個段，再將第2段分成2個小段。圖430例410的圖解 在圖431中給出了分段后3個分組的格式。標識字段的值是相同的，表明分成的3個段來源于同一數(shù)據(jù)報。標志D=0表明允許分段。M標志在第1段，第2段為1，表明這兩個段不是最后段。在第3段的M比特為0，說明該段是最后段。分段以后的分組還可以再分段。例如第2段又分成了2個小段。應注意的是，不管怎么分段，任何段的段偏移值都是相對于原始的數(shù)據(jù)報來計算的。比如第2段的第2小段的偏移值為(1400+800)/8 = 2200/8 = 275。圖431 例410的分段結(jié)果（8） 生存時間time to live，8比特。在互聯(lián)網(wǎng)中，由于路由器的路由表可能出現(xiàn)錯誤，使得分組在網(wǎng)絡中經(jīng)過很長時間的傳輸也不能到達目的主機。這樣的分組會白白浪費網(wǎng)絡的帶寬。為此，采用一種措施，不讓分組在網(wǎng)絡中無限期的逗留。從主機產(chǎn)生一個分組開始，就給這個分組設定一個生存時間，這個時間值在正常情況下足以讓分組走遍需要訪問的路由器。分組每經(jīng)過一個路由器，就從這個字段中減去這段傳輸花費的時間。由于這個分組不斷地傳輸，剩下的生存時間越來越少。當這個時間減到0時還沒有到達目的主機，接收到這個分組的路由器就將其拋棄。時間一般采用2倍于兩個主機之間的最大路有數(shù)，而不是絕對時間（采用絕對時間要求系統(tǒng)時鐘同步，難以實現(xiàn)）。（9） 協(xié)議protocol，8比特。傳輸層的TCP，UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)要封裝在IP分組中傳送，網(wǎng)絡層的ICMP，IGMP，OSPF協(xié)議的數(shù)據(jù)也要封裝在IP分組中進行傳送。這個字段是為了說明IP分組的數(shù)據(jù)倒底來自哪個上層協(xié)議或同層協(xié)議。圖432協(xié)議字段規(guī)定IP分組數(shù)據(jù)部分的內(nèi)容 為每個協(xié)議規(guī)定了一個整數(shù)，如表48。有了協(xié)議字段值，接收端的IP層處理進程在完成了IP層的協(xié)議處理以后，去掉IP分組頭，取出分組中的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)協(xié)議字段值，把數(shù)據(jù)交付給協(xié)議字段指定的協(xié)議去做下一步的處理。表48 協(xié)議的值（10） 頭校驗和Header checksum，16比特。對IP首部進行錯誤檢測。不對IP分組的數(shù)據(jù)進行錯誤檢測。（11） 源IP地址Source IP address，32比特。發(fā)出數(shù)據(jù)報主機的IP地址。（12） 目的IP地址destination IP address，32比特，接收IP分組的主機的IP地址。路由器根據(jù)分組的目的地址來得到下一跳路由器的地址。4．IPv4協(xié)議頭的選項 IPv4數(shù)據(jù)報必須有一個20字節(jié)的協(xié)議頭，此外，還可以加選項。選項的長度不等。但是有兩個限制：一是最大長度為40字節(jié)；而是選項若不是4直接的倍數(shù)，必須填充，式導彈選項占有4字節(jié)的倍數(shù)。選項功能主要用于測試網(wǎng)絡和診斷網(wǎng)絡故障。常用選項功能有： 記錄路徑：記錄處理過分組的路由器，最多可以列出9個路由器的地址。 嚴格的源路由：讓主機預先選定分組必須要訪問的路由器。選項中列出的路由器必須訪問，不能訪問未列出的路由器。如果分組訪問了選項中沒有列出的路由器，該路由器就拋棄該分組并發(fā)出錯誤報告。如果分組到達目的端，但是某些列出的路由器沒有被訪問，也將拋棄分組，并發(fā)出錯誤報告。這個功能用來測量網(wǎng)絡路徑的可達性。 寬松的源路由：與嚴格的源路由相似，只是要求選項中列出的路由器分組必須要訪問，分組也可以訪問未列出的路由器。 時間戳（或時標）：記錄路由器處理數(shù)據(jù)報的時間，估計分組從一個路由器到達下一路由器所花費的時間。 協(xié)同IPv4工作的協(xié)議（只簡單介紹） IPv4協(xié)議的功能是控制和管理源主機和目的主機之間數(shù)據(jù)包的傳送。他是無連接的，不可靠的網(wǎng)絡層協(xié)議。他盡最大努力為分組提供交付服務。他沒有提