計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)任務(wù)教程模板-項目4 網(wǎng)絡(luò)層與IP協(xié)議

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1教學(xué)目標(biāo)了解網(wǎng)絡(luò)層主要功能及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)掌握IP協(xié)議掌握網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的工作原理123了解網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換與IPv64Page

2教學(xué)內(nèi)容任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層任務(wù)2掌握IP協(xié)議任務(wù)3認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)互連任務(wù)4了解網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換與IPv6任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

3網(wǎng)絡(luò)層：處于OSI參考模型的第三層，介于運輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，是通信子網(wǎng)的最高層，主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中資源子網(wǎng)訪問通信子網(wǎng)的方式。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸單位為分組或是包。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能提供數(shù)據(jù)報和虛電路兩種服務(wù)打包與拆包分組轉(zhuǎn)發(fā)路由選擇流量控制任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

4網(wǎng)絡(luò)層為傳輸層提供兩種服務(wù)：無連接服務(wù)和面向連接服務(wù)。無連接服務(wù)是指在通信之前不需要建立好一個連接，要傳送的分組直接發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，但每個分組都要攜帶目的地址信息，以便在網(wǎng)絡(luò)中找到路由。由于用事先建立連接，系統(tǒng)的額外開銷較小。任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

5面向連接服務(wù)主要分為三個階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和拆除連接三個階段。在傳送數(shù)據(jù)時是按一定順序進行傳送的，由于傳輸時需要進行連接的建立操作，因此該服務(wù)適用于在一定時間內(nèi)向目的主機發(fā)送大量數(shù)據(jù)的情況，但對于數(shù)據(jù)量較小的數(shù)據(jù)通信，該服務(wù)的鏈路開銷比較大。無連接服務(wù)與面向連接服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)層的具體實現(xiàn)就是：數(shù)據(jù)報服務(wù)和虛電路服務(wù)。任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

6數(shù)據(jù)報服務(wù)數(shù)據(jù)報服務(wù)具體應(yīng)用在因特網(wǎng)的設(shè)計思路中。網(wǎng)絡(luò)層向上層只提供簡單靈活的、無連接的、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)報服務(wù)。任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

7數(shù)據(jù)報服務(wù)是一種“盡最大努力交付”的數(shù)據(jù)服務(wù)，因此該服務(wù)的質(zhì)量是無法保證的。數(shù)據(jù)報服務(wù)具有的特點：網(wǎng)絡(luò)隨時都可接受主機發(fā)送的數(shù)據(jù)報。網(wǎng)絡(luò)為每個數(shù)據(jù)報獨立地選擇路由。數(shù)據(jù)報采用的服務(wù)只是“盡最大努力地”將數(shù)據(jù)報交付給目的主機。網(wǎng)絡(luò)不能保證所傳數(shù)據(jù)報不丟失、也不保證按發(fā)送的先后順序及在某個時限內(nèi)必須交付給目的主機、不保證傳送的數(shù)據(jù)報不重復(fù)和不損壞。數(shù)據(jù)報提供的服務(wù)是不可靠的，它不能保證服務(wù)質(zhì)量。任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

8虛電路服務(wù)虛電路服務(wù)具體應(yīng)用在電信網(wǎng)的設(shè)計思路中。建立虛電路來保證通信雙方所需的一切網(wǎng)絡(luò)資源。任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

9虛電路只是一條邏輯上的連接通路，各分組都沿著這條邏輯連接通路依次進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，而并不是真正的在兩個結(jié)點之間建立一條物理連接。建立虛電路之后，各個通信主機之間就會按照分組固定的順序依次進行發(fā)送，先發(fā)送的分組，會先到達(dá)目的主機，所有分組沿著同一方向、同一路徑順序到達(dá)。到達(dá)目的主機的各個分組不會因為網(wǎng)絡(luò)的擁堵而丟失數(shù)據(jù)，目的主機接收到的分組順序與分組的發(fā)送順序一致，因此網(wǎng)絡(luò)提供的虛電路服務(wù)有較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量保證。任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

10虛電路具有的特點：網(wǎng)絡(luò)的源主機和目的主機之間先要建立一條邏輯通道。所有分組按順序到達(dá)目的主機，經(jīng)過相同的路徑。當(dāng)需要經(jīng)常進行頻繁的通信時，可建立永久虛電路，永久虛電路只有數(shù)據(jù)傳輸階段。虛電路提供的服務(wù)是相對可靠的。任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

11兩種服務(wù)的比較設(shè)計思路連接建立目的主機的地址路由選擇當(dāng)遇到故障結(jié)點時分組到達(dá)目的主機的順序差錯控制和流量控制任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

12網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是指將兩個以上的計算機網(wǎng)絡(luò)，通過一定的方法，用一種或多種通信處理設(shè)備相互連接起來，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

13網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的3方面含義網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的形式局域網(wǎng)與局域網(wǎng)互聯(lián)局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)互聯(lián)廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)任務(wù)1認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)層Page

14網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備常用的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備有中繼器、集線器、網(wǎng)橋、交換機、路由器和網(wǎng)關(guān)。工作在物理層上的中繼系統(tǒng)——中繼器、集線器。工作在數(shù)據(jù)鏈路層上的中繼系統(tǒng)——網(wǎng)橋、交換機工作在網(wǎng)絡(luò)層上的中繼系統(tǒng)——路由器工作在網(wǎng)絡(luò)層以上的中繼系統(tǒng)——網(wǎng)關(guān)路由器是連接不同網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)設(shè)備，主要功能為路由選擇和信息轉(zhuǎn)發(fā)。任務(wù)2常握IP協(xié)議Page

15IP協(xié)議是TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中兩個最主要的協(xié)議之一。IP協(xié)議用于控制互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中各計算機之間的通信。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）：通過IP地址獲得物理地址的協(xié)議。逆地址解析協(xié)議（RARP）：通過物理地址獲得IP地址的協(xié)議。網(wǎng)際控制報文協(xié)議（ICMP）：專門用于發(fā)送差錯報文的協(xié)議。網(wǎng)際組管理協(xié)議（IGMP）：主機與路由器之間的控制協(xié)議。任務(wù)2常握IP協(xié)議Page

16IP地址：大型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中需要有一個全局的地址系統(tǒng)，它能夠給每一臺主機或路由器的網(wǎng)絡(luò)連接分配一個全局惟一的地址。IP地址就是給每個連接在Internet上的主機或路由器分配一個在全世界范圍內(nèi)唯一的32位的標(biāo)識符。IP地址采用兩級結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一表示方式，共32位。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（Net-ID），它標(biāo)識主機或路由器所連接到的網(wǎng)絡(luò)，而另一個字段則是主機號（Host-ID），它標(biāo)識該連入該網(wǎng)絡(luò)的主機或路由器。任務(wù)2常握IP協(xié)議Page

17IP地址的分類IP地址編址方案將IP地址空間劃分為A、B、C、D、E五類，其中A、B、C是基本類，D、E類作為多播地址和保留地址使用。任務(wù)2常握IP協(xié)議Page

18特殊的IP地址：為了保證網(wǎng)絡(luò)的正常運行，網(wǎng)絡(luò)管理功能得以正常實現(xiàn)，IP地址在設(shè)計時對一些特殊用途情況下使用的IP地址進行定義。任務(wù)2常握IP協(xié)議Page

19私有IP地址IP地址的特點子網(wǎng)及子網(wǎng)掩碼：為了更好地利用IP地址資源，Internet采用了子網(wǎng)劃分的方式。子網(wǎng)劃分指的是將一個給定的單個網(wǎng)絡(luò)細(xì)分為多個規(guī)模更小的網(wǎng)絡(luò)，使得多個小規(guī)模物理網(wǎng)絡(luò)可以使用路由器互聯(lián)起來，這些規(guī)模更小的網(wǎng)絡(luò)稱為子網(wǎng)（Subnet）。三級結(jié)構(gòu)的IP地址可以記為：IP地址=網(wǎng)絡(luò)號（Net-ID）+子網(wǎng)號（Subnet-ID）+主機號（Host-ID）任務(wù)2常握IP協(xié)議Page

20子網(wǎng)掩碼（SubnetMask）又叫地址掩碼，它是一種用來指明一個IP地址的哪些位標(biāo)識的是主機所在的子網(wǎng)，以及哪些位標(biāo)識的是主機位掩碼。子網(wǎng)掩碼不能單獨存在，它必須結(jié)合IP地址一起使用。子網(wǎng)掩碼只有一個作用，就是將某個IP地址劃分成網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址兩部分。使用子網(wǎng)掩碼劃分子網(wǎng)求子網(wǎng)掩碼任務(wù)2常握IP協(xié)議Page

21地址解析協(xié)議ARP——地址解析的全過程當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)進行傳輸時，各源結(jié)點需要知道其目的結(jié)點的IP地址和MAC地址才可以通信。當(dāng)一臺主機試圖與另一臺已知IP地址的主機進行通信時，它必須明確對方的MAC地址，這需要使用TCP/IP協(xié)議中的地址解析協(xié)議來完成。主機在發(fā)送數(shù)據(jù)幀前將目標(biāo)IP地址轉(zhuǎn)換成目標(biāo)MAC地址的過程稱為地址解析（AddressResolution）。任務(wù)2常握IP協(xié)議Page

22逆地址解析協(xié)議RARP如果此時一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不知道自己的IP地址，但知道自己的物理硬件地址，這種情況下就需要使用一種協(xié)議將設(shè)備的硬件地址轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的IP地址，RARP協(xié)議就是針對這種情況產(chǎn)生的一種協(xié)議。任務(wù)2常握IP協(xié)議Page

23IP數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)層屏蔽下層各種物理網(wǎng)絡(luò)的差異，向其上層提供無連接的、不可靠的、盡力而為的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，使用IP數(shù)據(jù)報作為數(shù)據(jù)的傳送單位，把數(shù)據(jù)從源結(jié)點發(fā)往目的結(jié)點。IP數(shù)據(jù)報格式IP數(shù)據(jù)報的操作任務(wù)2常握IP協(xié)議Page

24ICMP協(xié)議：是TCP/IP協(xié)議族的一個子協(xié)議，用于在IP主機、路由器之間傳遞控制信息的。ICMP允許主機或路由器報告差錯和提供有關(guān)異常情況的報告。ICMP定義了五種差錯報文和四種信息報文。五種差錯報文是：源點抑制、超時、目的不可到達(dá)、改變路由、要求分片。四種信息報文是：回送請求與應(yīng)答、地址掩碼請求與應(yīng)答。任務(wù)3認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)Page

25Internet上的各主機之間的通信是在IP協(xié)議下完成的，并由路由器實現(xiàn)將數(shù)據(jù)報從一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)中。源主機在發(fā)送一個數(shù)據(jù)報時，會先將其目的地址放入該數(shù)據(jù)報的首部，然后將數(shù)據(jù)報送往附近的路由器進行轉(zhuǎn)發(fā)。一個數(shù)據(jù)報沿著從源主機到目的主機的一條路徑傳輸時，中間會經(jīng)過許多路由器。路由器是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中的重要設(shè)備之一，它工作在OSI參考模型中的網(wǎng)絡(luò)層。在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中是使用路由器的路由選擇算法為每個經(jīng)過該路由的IP數(shù)據(jù)報選擇傳送路徑的。任務(wù)3認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)Page

26路由器主要實現(xiàn)的功能是數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)及路由的選擇。（1）數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)（2）路由選擇（3）路由表任務(wù)3認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)Page

27路由器進行路由選擇的原則數(shù)據(jù)報的封裝與拆封任務(wù)3認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)Page

28路由協(xié)議指的是路由器之間進行路由信息交換時所使用的協(xié)議?；ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)中路由器是根據(jù)自己的路由表進行路由選擇并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報的，路由器選擇的路徑是否為最佳將直接影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。自治系統(tǒng)（AutonomousSystem，AS）是處于同一個管理機構(gòu)控制之下的路由器和網(wǎng)絡(luò)群組。在互聯(lián)網(wǎng)中，一個自治系統(tǒng)（AS）是一個有權(quán)自主地決定在本系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)采用何種路由協(xié)議的小型單位。在一個自治系統(tǒng)內(nèi)部，一般使用相同的路由協(xié)議。任務(wù)3認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)Page

29Internet將路由選擇協(xié)議分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP）和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（EGP）兩種。常用動態(tài)路由協(xié)議：路由信息協(xié)議RIP、開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議OSPF。任務(wù)3認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)Page

30路由器原理路由器的主要工作就是在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上為經(jīng)過路由器的每個數(shù)據(jù)報尋找一條最佳的傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)報有效地傳送到目的主機。為了完成這樣的工作，在每個路由器中都保存著各種傳輸路徑的相關(guān)數(shù)據(jù)，即路由表，供路由選擇時使用。路由表既可以由網(wǎng)絡(luò)管理員事先設(shè)置好，也可以由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實際情況動態(tài)更新。路由器的配置模式任務(wù)4了解網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換與IPv6Page

31網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）屬于接入廣域網(wǎng)中的一種應(yīng)用技術(shù)，它是一種將私有IP地址轉(zhuǎn)化為合法IP地址的轉(zhuǎn)換技術(shù)，應(yīng)用于各種類型的Internet接入方式和各種類型的網(wǎng)絡(luò)中。任務(wù)4了解網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換與IPv6Page

32IPv6也被稱為下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，它是由IETP設(shè)計的用來替代現(xiàn)行的IPv4協(xié)議的一種新的IP協(xié)議。IPv6數(shù)據(jù)報格式IPv6的報頭為40字節(jié)任務(wù)4了解網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換與IPv6Page

33IPv6較IPv4的優(yōu)勢