計算機網(wǎng)絡(luò) 課件【ch05】網(wǎng)絡(luò)層

第五章網(wǎng)絡(luò)層新工科建設(shè)·網(wǎng)絡(luò)工程系列教材計算機網(wǎng)絡(luò)01網(wǎng)絡(luò)層概述網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本概念隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及對計算機網(wǎng)絡(luò)需求的增加，需要將兩個甚至多個計算機網(wǎng)絡(luò)相互連接起來，構(gòu)成一個大的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使用戶能更廣泛、有效地實現(xiàn)資源共享。由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)在性能或功能上都存在著一定的差異性(如網(wǎng)絡(luò)接入機制、最大分組長度、尋址方式、選路技術(shù)、差錯控制方式等),因此不同網(wǎng)絡(luò)之間一般是在網(wǎng)絡(luò)層通過路由器實現(xiàn)相互連接的，并在網(wǎng)絡(luò)層采用標準化的網(wǎng)際協(xié)議(IP)。網(wǎng)絡(luò)層概述網(wǎng)絡(luò)層概述網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)層位于運輸層之下，為運輸層提供服務(wù)。從通信的角度講，網(wǎng)絡(luò)層提供兩種服務(wù)：面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)，對這兩種服務(wù)的具體實現(xiàn)就是虛電路服務(wù)和數(shù)據(jù)報服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層概述網(wǎng)絡(luò)層概述網(wǎng)絡(luò)層概述網(wǎng)絡(luò)層在數(shù)據(jù)鏈路層提供的相鄰兩個節(jié)點間的數(shù)據(jù)幀的傳送功能基礎(chǔ)上，進一步管理網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信，盡最大努力將數(shù)據(jù)從源端經(jīng)過若干中間節(jié)點傳送到目標端，從而向運輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層的功能網(wǎng)絡(luò)層概述網(wǎng)絡(luò)層的目的是實現(xiàn)兩個端系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)透明傳輸，其主要功能有以下三項。1.尋址2.路由選擇3.分片與重組網(wǎng)絡(luò)層的功能02網(wǎng)際協(xié)議IPv41.IPv4數(shù)據(jù)報格式IP數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸是通過數(shù)據(jù)報的各個具體字段實現(xiàn)的，學(xué)習IP數(shù)據(jù)報的結(jié)構(gòu)對深入理解和掌握IP的工作原理至關(guān)重要，而且運輸控制協(xié)議(TCP)、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)、互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議(ICMP)和互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議(IGMP)數(shù)據(jù)都是封裝在IP數(shù)據(jù)報中傳輸?shù)?。網(wǎng)際協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議IPv42.IPv4地址(1)標準分類的IPv4地址(2)特殊的IPv4地址網(wǎng)際協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議IPv43.子網(wǎng)劃分IPv4地址是一個32位的地址，其數(shù)量是有限的。隨著注冊IP地址、上網(wǎng)人數(shù)的增加，IP地址也出現(xiàn)不夠用的情況。為了解決這個問題，提出了子網(wǎng)(subnet)的概念，RFC940對子網(wǎng)的概念和劃分子網(wǎng)的標準做了說明。網(wǎng)際協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議IPv44.無分類域間選路劃分子網(wǎng)雖然在一定程度上緩解了互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展中遇到的困難，但是依然沒有阻止IPv4地址耗盡的步伐。而且隨著網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)量的不斷增加，主干路由器必須跟蹤每個A類、B類和C類網(wǎng)絡(luò)，有時建立的路由表包含長達幾萬個表項。網(wǎng)際協(xié)議IPv44.無分類域間選路劃分子網(wǎng)雖然在一定程度上緩解了互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展中遇到的困難，但是依然沒有阻止IPv4地址耗盡的步伐。而且隨著網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)量的不斷增加，主干路由器必須跟蹤每個A類、B類和C類網(wǎng)絡(luò)，有時建立的路由表包含長達幾萬個表項。網(wǎng)際協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議1.IPv6數(shù)據(jù)報格式IPv6仍支持無連接的傳送，其主要變化有以下幾方面。①更大的地址空間。②擴展的地址層次結(jié)構(gòu)。③靈活的首部格式。④改進的選項。⑤支持即插即用(自動配置)。⑥IPv6首部改為8字節(jié)對齊。⑦支持資源的預(yù)分配。⑧允許協(xié)議繼續(xù)擴充。IPv6網(wǎng)際協(xié)議IPv6網(wǎng)際協(xié)議2.IPv6地址IPv6地址長度為128位，分為8個字段，每個字段由16位的二進制數(shù)組成，最大值為16384,在書寫時用4位的十六進制數(shù)表示，并且字段與字段之間用“:”隔開，而不是原來的“.”。基本的IPv6地址表示方式為XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXXIPv6網(wǎng)際協(xié)議2.IPv6地址(1)單播地址(2)組播地址(3)任播地址(4)特殊地址特殊地址有兩種：未指明地址和環(huán)回地址。IPv6IPv4向IPv6過渡的技術(shù)

1.雙協(xié)議棧雙協(xié)議棧技術(shù)是指在終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上既安裝IPv4又安裝IPv6的協(xié)議棧，以實現(xiàn)使用IPv4或IPPv6的節(jié)點間的信息互通。支持IPv4/IPv6雙協(xié)議棧的路由器作為核心層邊緣設(shè)備支持向IPv6的平滑過渡，典型的IPv6/IPv4雙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖5-15所示，IPv6/IPv4雙協(xié)議棧的工作過程如圖5-16所示。網(wǎng)際協(xié)議IPv4向IPv6過渡的技術(shù)

1.雙協(xié)議棧雙協(xié)議棧技術(shù)是指在終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上既安裝IPv4又安裝IPv6的協(xié)議棧，以實現(xiàn)使用IPv4或IPPv6的節(jié)點間的信息互通。支持IPv4/IPv6雙協(xié)議棧的路由器作為核心層邊緣設(shè)備支持向IPv6的平滑過渡，典型的IPv6/IPv4雙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖5-15所示，IPv6/IPv4雙協(xié)議棧的工作過程如圖5-16所示。網(wǎng)際協(xié)議IPv4向IPv6過渡的技術(shù)

2.隧道技術(shù)隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多局部的IPv6網(wǎng)絡(luò)，為了實現(xiàn)這些孤立的IPv6網(wǎng)絡(luò)之間的互通，采用了隧道技術(shù)。隧道技術(shù)是指在IPv6網(wǎng)絡(luò)與IPv4網(wǎng)絡(luò)間的隧道入口處，由路由器將IPv6數(shù)據(jù)報封裝到IPv4數(shù)據(jù)報中。網(wǎng)際協(xié)議IPv4向IPv6過渡的技術(shù)

3.NAT-PTNAT-PT分為兩種：靜態(tài)NAT-PT和動態(tài)NAT-PT。網(wǎng)際協(xié)議IPv4向IPv6過渡的技術(shù)

3.NAT-PTNAT-PT分為兩種：靜態(tài)NAT-PT和動態(tài)NAT-PT。網(wǎng)際協(xié)議03IP選路IP選路1.路由器的內(nèi)存類型路由器采用不同類型的內(nèi)存，每種內(nèi)存以不同方式協(xié)助路由器工作。①只讀內(nèi)存(ROM,ReadOnlyMemory)；②閃存(Flash)；③隨機存取內(nèi)存或動態(tài)隨機存取內(nèi)存(RAM/DRAM,RandomAccessMemory/DynamicRandomAccessMemory)；④非易失性RAM(NVRAM,NonvolatileRAM)；路由器IP選路2.路由器的端口類型(1)配置端口路由器的配置端口有兩個，分別是控制(console)端口和輔助(AUX)端口。(2)局域網(wǎng)端口常見的局域網(wǎng)端口主要有AUI端口、RJ45端口、SC端口等。(3)廣域網(wǎng)端口路由器不僅能實現(xiàn)局域網(wǎng)之間的連接，更重要的應(yīng)用還是在于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)、廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的連接。路由器IP選路3.路由器的結(jié)構(gòu)(1)路由選擇處理機(2)分組處理與交換部分該部分由一組輸入端口、交換結(jié)構(gòu)和一組輸出端口組成。路由器IP選路3.路由器的結(jié)構(gòu)(1)路由選擇處理機(2)分組處理與交換部分該部分由一組輸入端口、交換結(jié)構(gòu)和一組輸出端口組成。路由器路由器4.路由器的功能(1)路由功能(2)交換/轉(zhuǎn)發(fā)功能IP選路網(wǎng)絡(luò)層的工作流程網(wǎng)絡(luò)層可以從TCP、UDP、ICMP和IGMP接收數(shù)據(jù)報(在本地生成的數(shù)據(jù)報)并進行發(fā)送，或者從一個網(wǎng)絡(luò)接口接收數(shù)據(jù)報(待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報)并進行發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)層在內(nèi)存中有一個路由表，每當收到一個數(shù)據(jù)報并進行發(fā)送時，它都要對該表搜索一次。IP選路IP選路04路由選擇協(xié)議路由信息協(xié)議

1.RIP的報文格式RIP有兩個版本，即RIP-1和RIP-2。RIP報文使用UDP的520端口來發(fā)送和接收，RIP-2報文的格式如圖5-21所示。路由選擇協(xié)議路由信息協(xié)議

1.RIP的報文格式RIP有兩個版本，即RIP-1和RIP-2。RIP報文使用UDP的520端口來發(fā)送和接收，RIP-2報文的格式如圖5-21所示。路由選擇協(xié)議路由信息協(xié)議

2.RIP工作原理路由器剛啟動RIP時，以廣播或組播的形式向相鄰路由器發(fā)送請求報文，相鄰路由器的RIP收到請求報文后響應(yīng)該請求，回送包含本地路由表信息的響應(yīng)報文。路由選擇協(xié)議路由信息協(xié)議

3.距離矢量算法距離矢量算法是基于貝爾曼-福特算法實現(xiàn)的，該算法的基本要點是：設(shè)X是節(jié)點A到B的最短路徑上的一個節(jié)點，如果把路徑A→B拆成兩段路徑，即A→X和X→B,那么每段路徑A→X和X→B也都分別是A到X和X到B的最短路徑。路由選擇協(xié)議開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議1.OSPF協(xié)議的特征OSPF協(xié)議最主要的特征是使用分布式的鏈路狀態(tài)協(xié)議，有以下三個要點需要注意。①向本自治系統(tǒng)中所有路由器發(fā)送信息，這里使用的方法是洪泛法。②發(fā)送的信息就是與本路由器相鄰的所有路由器的鏈路狀態(tài)，但這只是路由器所知道的部分信息。③只有當鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，路由器才用洪泛法向所有路由器發(fā)送此信息。路由選擇協(xié)議開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議2.OSPF協(xié)議中的幾個概念①區(qū)域(Area)。②路由器ID。③相鄰路由器。④相鄰關(guān)系。⑤指定路由器(DR,DesignatedRouter)和備份指定路由器(BDR,BackupDesignatedRouter)。⑥鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(LSDB,LinkStateDataBase)。⑦鏈路狀態(tài)廣播(LSA,LinkStateAdvertisement)。路由選擇協(xié)議路由選擇協(xié)議開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議3.OSPF協(xié)議的報文類型4.OSPF協(xié)議的報文格式5.OSPF協(xié)議的基本操作路由選擇協(xié)議開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議3.OSPF協(xié)議的報文類型4.OSPF協(xié)議的報文格式5.OSPF協(xié)議的基本操作路由選擇協(xié)議路由選擇協(xié)議邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP,BorderGatewayProtocol)是一種用于不同自治系統(tǒng)的路由器之間進行通信的外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，是由IETF制定的一種加強的、完善的、可伸縮的協(xié)議。當前版本是BGP4,支持CIDR尋址方案(該方案增加了互聯(lián)網(wǎng)上的可用IP地址數(shù)量)。邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議路由選擇協(xié)議邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP,BorderGatewayProtocol)是一種用于不同自治系統(tǒng)的路由器之間進行通信的外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，是由IETF制定的一種加強的、完善的、可伸縮的協(xié)議。當前版本是BGP4,支持CIDR尋址方案(該方案增加了互聯(lián)網(wǎng)上的可用IP地址數(shù)量)。邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議05互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議ICMP報文ICMP報文封裝在IP數(shù)據(jù)報中進行傳輸。雖然ICMP報文用IP封裝和發(fā)送，但并不把它看成高層協(xié)議，它是IP的一個必要部分。所有ICMP報文的前4字節(jié)都是一樣的，其余字節(jié)則互不相同。ICMP報文格式如圖5-27所示。互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議ICMP的典型應(yīng)用1.Ping程序2.Traceroute程序互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議與IPv4一樣，IPv6也不保證數(shù)據(jù)報的可靠交付，因為互聯(lián)網(wǎng)中的路由器可能會丟棄數(shù)據(jù)報，因此IPv6也需要使用ICMP來反饋一些差錯信息。新的版本是ICMPv6,它比ICMPv4要復(fù)雜得多。ARP和互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議(IGMP)的功能都已被合并到ICMPv6中。ICMPv606多協(xié)議標記交換基本原理MPLS協(xié)議是一種用于快速數(shù)據(jù)報交換和路由的體系，它為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量提供了目標、路由、轉(zhuǎn)發(fā)和交換等能力，而且具有管理各種不同形式通信流的機制。多協(xié)議標記交換基本原理MPLS協(xié)議是一種用于快速數(shù)據(jù)報交換和路由的體系，它為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量提供了目標、路由、轉(zhuǎn)發(fā)和交換等能力，而且具有管理各種不同形式通信流的機制。多協(xié)議標記交換MPLS協(xié)議的重要概念——轉(zhuǎn)發(fā)等價類轉(zhuǎn)發(fā)等價類(FEC,ForwardingEquivalenceClass)是MPLS協(xié)議的一個重