《IP層協定和原理》課件

IP層協定和原理本節(jié)課將深入探討IP協議的架構、功能和工作原理。重點講解IP地址、子網掩碼、路由選擇、IP數據報格式等核心概念。DH投稿人：DingJunHongIP層簡介網絡層協議IP協議是網絡層最重要的協議，它負責數據包的路由和傳輸，并提供網絡層服務。數據報傳輸IP協議以數據報為單位進行數據傳輸，每個數據報包含源IP地址、目標IP地址和數據等信息?；ヂ摼W核心IP協議是互聯網的核心協議，它連接了全球范圍內的各種網絡和設備，實現數據交換。IP層主要功能IP地址分配和管理IP層負責為網絡中的每個設備分配唯一的IP地址。路由選擇IP層根據IP地址信息，決定數據包的最佳轉發(fā)路徑。數據報封裝和分片IP層將來自上層協議的數據封裝成IP數據報，并根據網絡狀況進行分片。網絡連接IP層提供基礎的網絡連接功能，使不同網絡之間的設備能夠相互通信。IP地址體系互聯網地址IP地址是互聯網中每臺計算機或設備的唯一標識符，類似于現實世界中的門牌號碼，用于識別網絡中的每個節(jié)點。網絡地址體系IP地址體系是用來管理和分配互聯網地址的規(guī)則和標準，確保每個網絡節(jié)點的地址都是唯一且可識別的。層級結構IP地址體系是一個分層結構，包括網絡地址、子網掩碼、網關等，實現網絡地址的分配、路由選擇和數據包傳輸。IPv4地址結構IPv4地址由32位二進制數表示，可以寫成點分十進制形式，例如192.168.1.100。32位IPv4地址由32位二進制數表示，每個位可以是0或1。4字節(jié)每個字節(jié)包含8位，由點號分隔。255最大值每個字節(jié)的最大值為255，表示為11111111。4.3B地址數理論上IPv4地址可以表示43億個地址，但實際可用地址少很多。IPv4地址分類1A類地址A類地址用于大型網絡，通常用于大型組織或服務提供商。2B類地址B類地址適用于中型網絡，例如大學或企業(yè)。3C類地址C類地址適用于小型網絡，例如小型辦公室或家庭網絡。4D類地址D類地址用于組播，允許將數據包發(fā)送到一組接收者。IP數據報格式IP數據報是IP層傳輸數據的基本單位。它包含源地址、目的地址、數據長度、協議類型等關鍵信息，以及數據部分。IP數據報通過網絡進行傳輸，并在到達目的主機后進行處理。IPv4地址分配互聯網地址分配互聯網地址分配由InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers(ICANN)負責，ICANN將地址空間分配給區(qū)域互聯網注冊管理機構(RIR)。RIR負責其管轄區(qū)域內IP地址的管理，如分配給企業(yè)、運營商等。內部地址分配企業(yè)或組織內部的IP地址分配通常由內部網絡管理員負責，他們會根據網絡規(guī)模和需求分配IP地址。為了避免地址沖突，內部地址分配通常使用私有IP地址范圍，這些地址在互聯網上無法訪問。子網劃分1網絡地址空間IP地址有限資源2子網劃分將網絡地址空間劃分成更小的子網絡3子網掩碼區(qū)分主機地址和網絡地址4網絡管理提升網絡效率和安全性子網劃分是一種將單個大型網絡劃分為多個較小子網絡的技術。每個子網絡都有自己的網絡地址范圍，并使用子網掩碼來標識。這種方法可以提高網絡效率，增強安全性，并簡化網絡管理。它允許更好地管理網絡資源，并根據需要創(chuàng)建子網。子網劃分示例例如，一個網絡的IP地址范圍是192.168.1.0到192.168.1.255，可以使用子網劃分將該網絡分成兩個子網，例如192.168.1.0到192.168.1.127和192.168.1.128到192.168.1.255。每個子網都有自己的子網掩碼，用于識別屬于該子網的IP地址。子網劃分可以提高網絡效率，減少廣播域，增強網絡安全性。子網掩碼概念11.識別網絡和主機子網掩碼用來區(qū)分IP地址中的網絡部分和主機部分。22.網絡標識子網掩碼可以標識不同的子網，在同一網絡中區(qū)分不同的子網。33.提高效率子網掩碼可以將一個大的網絡劃分為多個子網，從而提高網絡效率。44.安全性子網掩碼可以增強網絡安全性，通過限制訪問權限來保護網絡資源。子網掩碼使用網絡標識子網掩碼用于識別網絡和主機地址之間的界限，將網絡地址和主機地址區(qū)分開來。網絡地址子網掩碼與IP地址進行位運算，得到網絡地址部分，用于區(qū)分不同的網絡。主機地址子網掩碼與IP地址進行位運算，得到主機地址部分，用于區(qū)分同一網絡中的不同主機。網絡路由子網掩碼幫助路由器識別目標網絡，確定數據包的轉發(fā)路徑，實現網絡數據傳輸。路由選擇概述網絡路徑網絡中的數據包需要找到到達目的地的最佳路徑。路徑選擇路由器根據網絡拓撲、流量情況等因素選擇最佳路徑。數據傳輸路由選擇確保數據包在網絡中高效地傳輸。數據轉發(fā)路由器根據路由表中的信息將數據包轉發(fā)到下一個節(jié)點。路由選擇算法最短路徑算法算法計算網絡中兩點間的最短路徑，例如Dijkstra算法。洪泛算法算法將路由信息廣播到所有連接的網絡，適用于小型網絡。距離向量算法每個路由器維護一個距離向量表，記錄到達其他路由器的距離和下一跳路由器。鏈路狀態(tài)算法算法構建一個網絡拓撲圖，每個路由器維護一個鏈路狀態(tài)數據庫，記錄所有網絡節(jié)點和鏈路狀態(tài)信息。靜態(tài)路由和動態(tài)路由靜態(tài)路由管理員手動配置路由表。適用于網絡結構簡單且穩(wěn)定的網絡。維護成本低，但靈活性較差。動態(tài)路由路由器之間自動交換路由信息，更新路由表。適用于網絡結構復雜且動態(tài)變化的網絡。維護成本高，但靈活性高。動態(tài)路由協議分類距離矢量路由協議基于節(jié)點間的距離進行路由選擇，距離可以是跳數或成本。鏈路狀態(tài)路由協議維護全局網絡拓撲信息，計算最優(yōu)路徑并進行路由選擇?；旌下酚蓞f議結合距離矢量和鏈路狀態(tài)協議的特點，提供更靈活的路由選擇方案。RIP路由協議RIP簡介RIP是一種距離矢量路由協議，使用跳數作為度量。它通過廣播的方式將路由信息傳遞給網絡中的其他路由器。RIP協議簡單易用，但其最大跳數限制為15跳，不利于大規(guī)模網絡使用。RIP工作原理RIP協議通過定期發(fā)送路由更新報文來更新路由信息，每個路由器都將自己的路由信息廣播給網絡中的其他路由器。其他路由器會根據收到的路由更新報文來更新自己的路由表。OSPF路由協議鏈路狀態(tài)路由協議OSPF使用鏈路狀態(tài)路由協議，基于迪杰斯特拉算法。區(qū)域劃分OSPF支持區(qū)域劃分，提高網絡效率。安全認證OSPF支持認證機制，確保路由信息安全。層次化結構OSPF支持層次化結構，方便管理大型網絡。BGP路由協議路徑矢量路由協議BGP使用路徑矢量算法，基于AS號和路徑長度選擇最佳路由。自治系統(tǒng)間路由BGP用于在不同自治系統(tǒng)之間交換路由信息，確?？缭讲煌W絡的連接。路由表維護BGP維護路由表，包含網絡地址、路徑、AS號等信息，用于選擇最佳路由路徑。IP數據轉發(fā)過程1接收IP數據報路由器接收來自網絡上的IP數據報，并檢查其目的IP地址。2查找路由表路由器根據目的IP地址，在路由表中查找與該地址匹配的路由條目。3選擇最佳路徑路由表中可能存在多個匹配的路由條目，路由器根據策略選擇最佳路徑。4封裝數據報路由器將IP數據報封裝到新的網絡層數據報中，并發(fā)送到下一跳路由器。5重復轉發(fā)IP數據報在網絡中不斷轉發(fā)，直到到達最終目的地。TTL機制1生存時間TTL(TimetoLive)指的是數據包在網絡中可以存活的時間，以秒為單位。2防止循環(huán)每個數據包在傳輸過程中TTL值會遞減，當TTL值為0時，數據包會被丟棄，避免數據包無限循環(huán)。3網絡管理TTL可用于網絡管理，例如跟蹤數據包的路徑和識別網絡中的循環(huán)問題。分片與重組1數據報過大數據報超出MTU2分片將數據報分成多個片段3發(fā)送逐個發(fā)送片段4接收接收所有片段5重組將片段重新組裝成完整數據報當數據報過大時，需要將數據報分成多個片段，以便通過網絡傳輸。接收方收到所有片段后，需要將它們重新組裝成完整的數據報。ICMP協議互聯網控制報文協議ICMP是互聯網控制報文協議，用于在網絡設備之間傳遞控制信息。錯誤報告ICMP用于報告錯誤，例如目標主機不可達或數據包丟失。網絡診斷ICMP可用于診斷網絡問題，例如路由器故障或網絡擁塞。ICMP報文類型差錯報告ICMP協議用于在網絡中傳遞差錯信息，報告數據包傳輸中的異常情況，例如目標主機不可達或數據包丟失等。詢問報文ICMP協議用于進行網絡探測，查詢網絡狀態(tài)，例如ping命令就是使用ICMP協議發(fā)送回聲請求報文，測試網絡連通性。ICMPv4差錯報告目的不可達目標主機或網絡不可達，IP數據報無法傳送到目的地。時間超過數據報在網絡中傳輸的時間超過TTL限制，導致數據報被丟棄。協議錯誤數據報包含錯誤的協議信息，例如協議號無效。端口不可達數據報嘗試訪問的目標端口被關閉，無法接收數據。ICMPv4詢問報文ICMPv4詢問報文用于測試網絡連接，檢查目標主機是否在線，并確定往返時間。網絡拓撲探索通過發(fā)送ICMP報文，可以獲取網絡設備之間的連接信息。IPv6地址體系IPv6是互聯網協議版本6，是互聯網工程任務組（IETF）設計的下一代互聯網協議，旨在取代現有的IPv4協議。IPv6采用128位地址，相比于IPv4的32位地址空間，它可以提供更大的地址空間，滿足未來互聯網發(fā)展的需要。IPv6采用新的地址結構和地址分配機制，更安全，更靈活，更易于管理。IPv6地址格式IPv6地址使用128位二進制數表示，通常用8個十六進制數字，每組數字之間用冒號分隔。例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。IPv6地址可以分為全局唯一地址和本地地址，全局唯一地址用于在互聯網上識別不同的設備，本地地址用于在本地網絡中識別不同的設備。IPv6地址分類單播地址用于唯一標識網絡中的單個設備。每個單播地址對應一個特定的網絡接口。組播地址用于向一組設備發(fā)送數據。組播地址允許將數據發(fā)送到多個設備，而無需單獨發(fā)送到每個設備。任播地址用于向某個網絡中的多個設備發(fā)送數據，但數據只發(fā)送到其中一個設備。任何播地址用于向網絡中的所有設備發(fā)送數據。任何播地址通常用于廣播數據包。IPv6報文格式IPv6報文格式與IPv4報文格式有較大區(qū)別。IPv6報文格式包括報文頭和報文數據兩部分。報文頭包含版本號、優(yōu)先級、流量標簽、有效載荷長度、下一層協議、跳數限制、源地址、目的地址等字段。報文數據部分則包含應用層數據。IPv6報文格式更簡潔，去除了部分IPv4中