沈鑫剡計算機網絡技術及應用第6章IP和網絡互連.ppt

計算機網絡技術及應用 （第2版）,第六章,計算機教研室教授 沈鑫剡,第6章 IP和網絡互連,本章主要內容 網絡互連； 網際協(xié)議（IP）； 路由協(xié)議建立路由表過程； IP over 以太網技術； Internet控制報文協(xié)議（ICMP）。,6.1 網絡互連,本節(jié)主要內容 網絡互連需要解決的問題； 信件投遞過程啟示； 端到端傳輸思路； IP實現(xiàn)網絡互連機制； 路由器結構。,終端A至終端B數(shù)據(jù)傳輸路徑由兩個不同類型的傳輸網絡組成： 源終端路徑選擇問題； 目的終端地址標識問題； 數(shù)據(jù)封裝問題。,一、網絡互連需要解決的問題,網絡互連結構,二、信件投遞過程啟示,不同運輸系統(tǒng)有著不同的封裝信件的形式和標識始站與終站的方式； 信件上收信人和寄信人地址是統(tǒng)一的，和實際提供運輸服務的運輸系統(tǒng)標識始站與終站的方式無關； 信件是一種標準的封裝形式，和實際提供運輸服務的運輸系統(tǒng)封裝信件的形式無關； 南京根據(jù)信件上的收信人地址確定下一站：上海，同樣，上海也是根據(jù)信件上的收信人地址確定下一站：長沙，信件在南京至長沙的傳輸過程中是不變的； 由實際的運輸系統(tǒng)提供當前站至下一站的運輸服務。,信件投遞過程,三、端到端傳輸思路,IP分組,IP分組,IP分組,獨立于傳輸網絡、全網絡統(tǒng)一的地址：IP地址。 獨立于傳輸網絡，用IP地址表示發(fā)送端和接收端的IP分組。,網際協(xié)議IP！,端到端傳輸數(shù)據(jù)封裝成與傳輸網絡無關的格式：IP分組，用兩端IP地址作為IP分組的源和目的地址； 源終端和端到端路徑經過的路由器須能根據(jù)目的終端IP地址確定下一跳的IP地址； 當前跳須能經過連接當前跳和下一跳的傳輸網絡實現(xiàn)IP分組的逐跳傳輸； IP分組經過不同的傳輸網絡傳輸時，需封裝成傳輸網絡對應格式。,三、端到端傳輸思路,四、IP實現(xiàn)網絡互連機制,規(guī)定了統(tǒng)一的且與傳輸網絡地址標識方式無關的IP地址格式； 規(guī)定了統(tǒng)一的且與傳輸網絡數(shù)據(jù)封裝格式無關的IP分組格式； 源終端和路由器必須建立用于指明通往目的終端的路由表； 必須由單個傳輸網絡連接當前跳和下一跳，通過傳輸網絡實現(xiàn)IP分組當前跳至下一跳的傳輸過程； IP分組經過逐跳傳輸，實現(xiàn)源終端至目的終端的傳輸過程。,五、路由器結構,路由器是IP分組交換設備； 線卡完成和傳輸媒體的連接和傳輸網絡對應的鏈路層和物理層功能； 路由模塊建立路由表； 交換模塊實現(xiàn)IP分組輸入端口至輸出端口的傳輸過程。,6.2 網際協(xié)議,本節(jié)主要內容 IP地址分類； IP地址分層分類的原因和缺陷； 無分類編址； IP分組格式。,6.2 網際協(xié)議,IP主要內容 IP地址 IP分組格式,固定地址分類的缺陷 無法有效減少路由項 無法任意劃分子網,無分類編址,一、IP地址分類,IP地址分為單播、組播和廣播地址。 單播地址分成A、B、C三類。 每一類單播地址分成網絡地址和主機地址兩部分（地址分層結構）。,一、IP地址分類,選擇答案，并簡要回答為什么？,（1）分類編址下，IP地址192.1.1.3屬于 IP地址。 AA類 BB類 CC類 DD類,一、IP地址分類,選擇答案，并簡要回答為什么？,（2）分類編址下，IP地址192.1.1.3的網絡地址是 。 A192.0.0.0 B192.1.0.0 C192.1.1.0 D192.1.1.3,二、IP地址分層分類的原因和缺陷,準考證號分為考場號和考號 同一考場的考生具有相同的 考場號 考場號隨機分配,根據(jù)考場分布給出的路由信息,841xxx,642xxx,443xxx,244xxx,751xxx,552xxx,353xxx,154xxx,IP地址為什么分層？ 分層使地址分配有了限制，地址有了組織結構。,地址有了組織結構的最大好處是便于選擇路徑。單個路由項可以指明屬于同一組織的所有地址的路徑。,二、IP地址分層分類的原因和缺陷,IP地址為什么分類？ 因為每一個組織的終端數(shù)是不同的。如終端數(shù)小于254的組織可以用C類地址，大于254，小于2162可以用B類地址，大于2162用A類地址。,IP地址的分層和分類似乎使它成為一種完美的地址結構，事實并非如此！,二、IP地址分層分類的原因和缺陷,準考證號分為主考區(qū)號、次考 區(qū)號、考場號和考號。 同一考區(qū)的考場具有相同的區(qū) 號，同一考場的考生具有相同 的考場號。,根據(jù)考場分布給出的路由信息,641xxx,642xxx,643xxx,644xxx,651xxx,652xxx,653xxx,654xxx,雖然是兩層地址結構，如果嚴格限制考場分配，仍然可以有多層地址結構的路由功能。,二、IP地址分層分類的原因和缺陷,前提是用于比較的考號位數(shù)可變！,組織的終端數(shù)是隨意的，很難符合三類地址的終端數(shù)，如1000臺終端，用C類地址不夠，用B類地址浪費。,二、IP地址分層分類的原因和缺陷,缺陷 不能有效聚合路由項； 不能任意劃分子網。,根源在于固定的網絡字段和主機字段位數(shù)。,這種通過子網掩碼方式動態(tài)確定網絡地址和主機地址位數(shù)的方式稱為無分類編址，因為它去除了分類編址固定的網絡地址和主機地址位數(shù)的限制。,二、IP地址分層分類的原因和缺陷,消除分類編址固定的網絡地址和主機地址位數(shù)的限制，能夠動態(tài)設置網絡地址和主機地址的位數(shù)。,二、IP地址分層分類的原因和缺陷,選擇答案，并簡要回答為什么？,（3）IP地址分層的原因是 。 A減少路由表中的路由項數(shù)目 B適應不同類型傳輸網絡互連 C實現(xiàn)逐跳轉發(fā) D允許不同的傳輸網絡有著不同的終端數(shù)量,二、IP地址分層分類的原因和缺陷,選擇答案，并簡要回答為什么？,（4）IP地址分類的原因是 。 A減少路由表中的路由項數(shù)目 B適應不同類型傳輸網絡互連 C實現(xiàn)逐跳轉發(fā) D允許不同的傳輸網絡有著不同的終端數(shù)量,三、無分類編址,無分類編址 標識網絡號的網絡前綴是任意長度的。 無分類編址的好處 減少路由項 任意劃分子網,子網掩碼舉例 10.1.1.8/255.255.255.0 10.1.1.8/255.255.0.0 10.0.0.0/255.0.0.0 10.0.0.0/8 10/8,三、無分類編址,IP地址動態(tài)分層功能，不同層次的路徑，路標的地址位數(shù)不同，用于選擇路徑的地址位數(shù)也不同。用子網掩碼給出對應的地址部分,三、無分類編址,任意劃分子網舉例,假定某個單位有120臺計算機，這些計算機被分成6組，其中1組分配20臺計算機，2組分配12臺計算機，3組分配45臺計算機，4組分配27臺計算機，5組分配6臺計算機，6組分配10臺計算機， 這6組計算機屬于6個子網，如何分配IP地址才能使得路由表中的路由項最少？假定允許的地址范圍是192.1.2.0/24。,三、無分類編址,0000000000111111（063）分配給3組45臺計算機，網絡前綴為192.1.2.0/26； 0100000001011111（6495）分配給4組27臺計算機，網絡前綴為192.1.264/27； 0110000001111111（96127）分配給1組20臺計算機，網絡前綴為192.1.2.96/27； 1000000010001111（128143）分配給2組12臺計算機，網絡前綴為192.1.2.128/28； 1001000010011111（144159）分配給6組10臺計算機，網絡前綴為192.1.2.144/28； 1010000010100111（160167）分配給5組6臺計算機，網絡前綴為192.1.2.160/29；,任意劃分子網舉例,三、無分類編址,三、無分類編址,路由器R1兩項路由項和目的IP地址192.1.2.150匹配； 選擇網絡前綴最長的路由項作為最終匹配路由項。,最長前綴匹配,默認路由項的目的地址為0.0.0.0，子網掩碼為0.0.0.0，表明和所有目的IP地址匹配； 只有當目的IP地址和所有其他路由項均不匹配的情況下，和默認路由項匹配； 常用默認路由項指向通往多個具有相同下一跳的網絡的傳輸路徑。,三、無分類編址,默認路由項,三、無分類編址,選擇答案，并簡要回答為什么？,（5）192.1.1.3/26表示的CIDR地址塊是 。 A192.1.0.0192.1.255.255 B192.1.1.0192.1.1.255 C192.1.1.0192.1.1.3 D192.1.1.0192.1.1.63,三、無分類編址,選擇答案，并簡要回答為什么？,（6）某企業(yè)分配給人事部的CIDR地址塊為10.0.11.0/27，分配給企劃部的CIDR地址塊為10.0.11.32/27，分配給市場部的CIDR地址塊為10.0.11.64/26，這三個CIDR地址塊聚合后的CIDR地址塊應是 。 A10.0.11.0/25 B10.0.11.0/26 C10.0.11.64/25 D10.0.11.64/26,四、IP分組格式,IP分組首部,4或6表明是IPv4和IPv6，這里討論的是IPv4,4位，以4字節(jié)為單位，給出首部長度，由于首部最大長度是60B，表明可選部分不能超過40B。,表明IP分組的服務類型和服務優(yōu)先級，如高速、高可靠性等。,以字節(jié)為單位給出IP分組總長度，最長可達64KB。,同一IP分組分段后的數(shù)據(jù)片的標識均相同。,DF=1，不允許分片。 MF=0,最后一片。,以8個字節(jié)為單位給出當前數(shù)據(jù)片在原始IP分組中的位置,IP分組在網絡中的生存時間，目前通常為最大跳數(shù)。,IP分組所包含的數(shù)據(jù)類型,用于對首部字段進行檢錯。,四、IP分組格式,選擇答案，并簡要回答為什么？,（7）IP分組首部長度 。 A沒有限制 B位于20B與60B之間 C大于60B D固定20B,分片原理,四、IP分組格式,IP分組總長可達64KB，但許多傳輸網絡的最大傳送單元（MTU）遠小于64KB，如以太網1500B； 需要將IP分組數(shù)據(jù)分成多片，每一片長度IP首部小于對應傳輸網絡的MTU。,分片舉例,四、IP分組格式,四、IP分組格式,選擇答案，并簡要回答為什么？,（8）IP分組分片的原因是 。 A互連當前跳和下一跳的傳輸網絡的MTU小于IP分組長度 B提高網絡的帶寬利用率 C簡化路由器轉發(fā)操作 D提高路由器緩沖器利用率,6.3 路由協(xié)議建立路由表過程,本講主要內容 IP分組傳輸過程； 配置靜態(tài)路由表； 路由協(xié)議分類； RIP建立路由表過程。,一、IP分組傳輸過程,逐跳轉發(fā)，每一跳給出下一跳地址。 通過不同的運輸系統(tǒng)到達下一跳，信件按運輸系統(tǒng)要求封裝。,第一層路徑：IP傳輸路徑 192.1.1.1192.1.1.254 192.2.1.2 192.2.2.2 192.1.2.1,第二層路徑：IP over 以太網,一、IP分組傳輸過程,IP傳輸路徑建立過程 終端通過配置的默認網關地址獲得第一跳路由器地址。 路由器通過根據(jù)IP分組的目的地址檢索路由表獲取下一跳路由器地址。 最后一跳路由器給出的下一跳地址為直接，即是目的終端地址。 建立IP傳輸路徑的關鍵是建立路由器中的路由表。,一、IP分組傳輸過程,逐跳傳輸,創(chuàng)建路由表,人工配置靜態(tài)路由表 路由協(xié)議動態(tài)創(chuàng)建路由表,一、IP分組傳輸過程,一、IP分組傳輸過程,選擇答案，并簡要回答為什么？,（9）默認網關地址是 。 A通往其他網絡傳輸路徑上的第一跳路由器地址 B實現(xiàn)終端之間通信的唯一中繼設備地址 C終端連接的網絡中唯一的路由器接口地址 D終端作為不知道目的終端IP地址的IP分組的目的IP地址,二、配置靜態(tài)路由表,路由器建立路由表的過程就是找出通往各個子網的最短路徑的過程，在RIP中，最短路徑就是經過跳數(shù)最少的路徑,大型網絡人工配置的工作量巨大。 很難保證各個路由器路由表的一致性。 網絡規(guī)模無法動態(tài)改變。,路由協(xié)議動態(tài)生成路由表 每一個路由器只需配置接口信息。 根據(jù)網絡拓撲結構自動生成路由表。,二、配置靜態(tài)路由表,三、路由協(xié)議分類,互連網絡分成多個自治系統(tǒng)； 用于建立自治系統(tǒng)內端到端路徑的路由協(xié)議稱為內部網關協(xié)議； 用于建立自治系統(tǒng)間端到端路徑的路由協(xié)議稱為外部網關協(xié)議。,四、RIP建立路由表過程,RIP(路由信息協(xié)議）是一種路由協(xié)議。 相鄰路由器之間通過交換路由信息動態(tài)構建路由表。 根據(jù)網絡拓撲結構求出的端到端最短傳輸路徑構建路由表。,RIP的工作思路如下：用D(i,j)表示路由器i到達網絡j的距離，如果某個路由器i直接連接某個網絡j，則該路由器到達該網絡的距離最短，距離為1 ，D（i,j）=1。如果某個路由器i沒有直接和某個網絡j連接，則必須找到一個中間路由器k，使得D（i,k）+D（k,j）為最短，通常情況下，中間路由器k和路由器i相鄰。,四、RIP建立路由表過程,R2獲悉到達子網192.1.1.0/24的路徑和距離。同樣公告相鄰路由器R4和R5。,R5獲悉到達子網192.1.1.0/24的路徑和距離。,R1到達子網192.1.1.0/24距離最短，R1將此信息公告相鄰路由器R2和R3.,四、RIP建立路由表過程,每一個路由器建立和其直接相連的子網的路由項。 相鄰路由器交換各自的路由項，如果相鄰路由器路由項中存在通往某個子網的路徑，意味著通過該相鄰路由器可以找到通往該子網的路徑。 經過反復交換路由項，最終建立到達網絡中所有子網的路由項。,四、RIP建立路由表過程,路由器R1向路由器R2、R3發(fā)送路由消息的過程,四、RIP建立路由表過程,193.1.4.1,四、RIP建立路由表過程,計數(shù)無窮大的問題,路由器R1檢測到故障，刪除通往NET1的路由項。 路由器R1向路由器R2發(fā)送刪除路由項信息。,路由器R2刪除通往NET1的路由項。路由表收斂。,四、RIP建立路由表過程,路由器R1檢測到故障，刪除通往NET1的路由項。,路由器R2搶先向路由器R1發(fā)送通往NET1的路由項。,路由器R1認為通過路由器R2存在通往NET1的傳輸路徑。,路由器R2通往NET1的傳輸路徑經過R1，因而在R1公告的距離上加1。,四、RIP建立路由表過程,計數(shù)到無窮大是指某個實際不存在的路由項只有經過反復交換，將距離增加到無窮大值（RIP定為16），才刪除。 引發(fā)計數(shù)到無窮大問題的關鍵是路由項的公告環(huán)路，即從相鄰路由器學習到的路由項又公告該相鄰路由器。 因此，RIP規(guī)定：從某個相鄰路由器學習到的路由項不允許出現(xiàn)在公告該路由器的路由消息中。 前面的計數(shù)到無窮大可以避免，但不是可以避免所有計數(shù)到無窮大的問題。,四、RIP建立路由表過程,正常收斂的情況,四、RIP建立路由表過程,計數(shù)無窮大的問題,無窮大問題是無法徹底避免的，這是RIP的缺陷。,四、RIP建立路由表過程,四、RIP建立路由表過程,選擇答案，并簡要回答為什么？,（10）RIP產生的端到端傳輸路徑是 。 A傳輸時延最短的傳輸路徑 B經過跳數(shù)最少的傳輸路徑 C最安全的傳輸路徑 D最可靠的傳輸路徑,四、RIP建立路由表過程,選擇答案，并簡要回答為什么？,（11）R1、R2是兩個采用RIP的相鄰路由器，R1的路由表如表（a）所示，R2發(fā)送的路由消息如表（b）所示，R1根據(jù)R2發(fā)送的路由消息更新路由表后產生的4項路由項的距離分別是 。,A1、4、2、3 B1、4、3、3 C1、5、3、3 D1、4、3、4,6.4 IP over 以太網,本講主要內容 ARP和地址解析過程； 三層交換。,路由協(xié)議和配置的默認網關給出一條由路由器和終端組成的IP傳輸路徑。接下來的問題是如何解決IP分組從當前路由器傳輸?shù)较乱惶酚善鞯倪^程。如果連接當前路由器和下一跳路由器的網絡是以太網，就是通過以太網實現(xiàn)IP分組從當前路由器傳輸?shù)较乱惶酚善鞯倪^程，即IP over 以太網的過程。,6.4 IP over 以太網,一、ARP和地址解析過程,IP over 以太網的前提是已經知道下一跳的IP地址，如何通過以太網把IP分組傳輸給下一跳？ 根據(jù)下一跳的IP地址獲取下一跳的MAC地址，這是關鍵。 將IP分組封裝成MAC幀。 將封裝IP分組的MAC幀經過以太網傳輸給下一跳。,一、ARP和地址解析過程,終端A廣播ARP請求幀，請求幀中給出終端B的IP地址。,由于是廣播地址，網絡中的所有終端都接收請求幀，并根據(jù)請求幀中給出的IP地址確定自己是否是目的終端。目的終端回復MAC地址。,終端A解析服務器B的MAC地址的過程,一、ARP和地址解析過程,ARP的主要用途是在知道下一跳的IP地址的前提下，獲取下一跳的MAC地址。 ARP只能在同一個廣播域內作用，意味著下一跳和當前結點必須屬于同一個廣播域。 ARP通過廣播ARP請求幀來尋找下一跳結點，因此，廣播域中所有終端都接收ARP請求幀，但只有和請求幀中IP地址相同的結點才回復響應幀。 如果連續(xù)向同一個下一跳結點發(fā)送數(shù)據(jù)，沒有必要每一次都解析地址，可以在ARP緩存中保留IP地址和MAC地址之間的關聯(lián)。但這種關聯(lián)是有時效性的。 ARP請求中給出源終端的IP地址和MAC地址，就是用于廣播域中其他終端在ARP緩存中記錄下它們的關聯(lián)。,ARP的另一個用途測試IP地址是否重復。IP網絡中是不允許兩個結點有同樣的IP地址，因此，在對終端分配了IP地址后，終端通過ARP測試廣播域中是否存在具有相同地址的終端。 ARP廣播一個ARP請求幀，該ARP請求幀中的源終端地址為0.0.0.0，表明是未知地址，下一跳地址是終端自身的IP地址。 如果源終端接收到響應幀，意味著已經廣播域中已經有終端使用了該IP地址。終端報錯。,一、ARP和地址解析過程,終端A向默認網關發(fā)送IP分組的過程,一、ARP和地址解析過程,一、ARP和地址解析過程,選擇答案，并簡要回答為什么？,（12）ARP的作用是 。 A根據(jù)下一跳結點的IP地址獲取該結點的MAC地址 B用廣播方式傳輸IP分組到下一跳結點 C廣播自己的MAC地址 D向網絡中的其他結點宣示自己的存在,用路由器實現(xiàn)VLAN間通信（一）,MAC1MAC3傳輸IP分組過程,二、三層交換,這種網絡結構的特點： 由于每一個VLAN就是邏輯上獨立的以太網，因此，這種網絡結構等同于路由器互連多個以太網，直觀、簡單。 由于VLAN動態(tài)劃分，設計網絡時是不知道VALN數(shù)目的，而且在網絡使用過程中，VALN是隨時變化的，路由器端口數(shù)如何確定？因此，這種網絡結構不易實施。,二、三層交換,用路由器實現(xiàn)VLAN間通信（二）,MAC1MAC3傳輸IP分組過程,二、三層交換,這種網絡結構的特點 路由器以太網端口支持VLAN劃分，一個物理端口允許劃分成任意個邏輯端口，每一個邏輯端口對應一個VLAN。 交換式以太網通過共享標記端口連接路由器以太網端口，所有從共享標記端口輸出的MAC幀攜帶VLAN標識符。 能滿足動態(tài)劃分VLAN要求，一度是流行校園網結構。 缺陷一是路由器連接以太網的鏈路成為帶寬瓶頸。二是為解決VALN間通信，單獨設置一個路由器，