《網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)》第4章.ppt

1、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù),第4章 IP網(wǎng)絡(luò),第4章 知識(shí)點(diǎn)：,網(wǎng)絡(luò)層上的通信是主機(jī)到主機(jī)的通信。發(fā)送計(jì)算機(jī)所要傳輸?shù)姆纸M在到達(dá)目的地計(jì)算機(jī)上，可能經(jīng)過(guò)若干個(gè)LAN或WAN。 這主要涉及四個(gè)方面的問(wèn)題: 邏輯尋址 IP協(xié)議及其輔助協(xié)議 路由算法和路由協(xié)議 擁塞控制和服務(wù)質(zhì)量,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址,IPv4描述 版本 IP地址是互聯(lián)網(wǎng)上一個(gè)設(shè)備連接的地址，它獨(dú)立于IP層下面的網(wǎng)絡(luò)，即與被互連的網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)。 地址范圍 IPv4的格式 二進(jìn)制格式： 對(duì)于IPv4，就是用32比特表示，書(shū)寫(xiě)時(shí)每8比特之間留有一定空格 。 11000001 10000011 00011011 11111111 十進(jìn)

2、制格式 ： 19313127255 IPv4地址分為：有類(lèi)別的地址和無(wú)類(lèi)別的地址,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4有類(lèi)別地址,描述 IPv4使用了類(lèi)的概念，稱(chēng)為分類(lèi)尋址。將地址空間分為A，B，C，D，E五個(gè)類(lèi)別。,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4有類(lèi)別地址,地址的層次結(jié)構(gòu) 【問(wèn)題】：一個(gè)單位獲得一個(gè)B類(lèi)地址，但要組建多個(gè)網(wǎng)絡(luò)? 子網(wǎng),4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4有類(lèi)別地址,一個(gè)劃分子網(wǎng)的例子 某個(gè)大學(xué)分配了一個(gè)B類(lèi)地址。他有35個(gè)系，每個(gè)系一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機(jī)數(shù)又大多超過(guò)256臺(tái) 。 劃分子網(wǎng)帶來(lái)的問(wèn)題 有了子網(wǎng)的概念后，IP

3、地址的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)和主機(jī)標(biāo)識(shí)對(duì)外部來(lái)講，就不好區(qū)分了，即在網(wǎng)絡(luò)的外部，子網(wǎng)是不可見(jiàn)的 。？ 子網(wǎng)掩碼 長(zhǎng)度也為32比特。它代表了網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)+子網(wǎng)標(biāo)識(shí)與主機(jī)標(biāo)識(shí)的劃分方案，用于屏蔽IP地址的一部分以區(qū)別網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)和主機(jī)標(biāo)識(shí)。 例如：類(lèi)型+網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)+子網(wǎng)標(biāo)識(shí)共用了22比特，主機(jī)標(biāo)識(shí)占10比特 11111111 11111111 11111100 00000000 或?qū)懗?55. 255. 252. 0 A類(lèi)，B類(lèi)，C類(lèi)的掩碼？,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4有類(lèi)別地址,子網(wǎng)掩碼的作用 便于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備盡快地區(qū)分本網(wǎng)段地址和非本網(wǎng)段的地址。 區(qū)分方法：將IP地址與它們各自的子網(wǎng)掩碼進(jìn)行邏輯與

4、操作。如果結(jié)果相同，則可確定它們?cè)谕痪W(wǎng)絡(luò)；不同，則不在同一網(wǎng)絡(luò)。 用于獲得網(wǎng)絡(luò)地址、主機(jī)首地址和末地址、及主機(jī)的個(gè)數(shù)。 將子網(wǎng)進(jìn)一步劃分，縮小子網(wǎng)的地址空間。將一個(gè)網(wǎng)段劃分為多個(gè)子網(wǎng)段，便于網(wǎng)絡(luò)管理。 【例子】 學(xué)院新建5個(gè)機(jī)房，每個(gè)房間有30臺(tái)機(jī)器，如果給定一個(gè)C類(lèi)網(wǎng)絡(luò)地址：192.168.10.0，問(wèn)如何將其劃分為5個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)掩碼如何設(shè)置？,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4有類(lèi)別地址,IPv4有類(lèi)別地址的缺點(diǎn) 當(dāng)初設(shè)計(jì)IP地址時(shí)就沒(méi)有預(yù)料到因特網(wǎng)的發(fā)展速度有這樣迅速，也沒(méi)有預(yù)料到有今天這樣多的用戶(hù)數(shù)量。 這種地址分類(lèi)本身不合理。A類(lèi)地址幾乎不可能有；C類(lèi)地址有時(shí)又覺(jué)得

5、太??；B類(lèi)地址對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，也有點(diǎn)大，得到B類(lèi)地址的用戶(hù)總會(huì)有一些多余的地址不用。 如何解決呢？ 使用下一代因特網(wǎng)協(xié)議，即IPv6。 過(guò)渡方法： -使用無(wú)類(lèi)別地址 -使用地址轉(zhuǎn)換技術(shù) -使用動(dòng)態(tài)地址分配方案,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4無(wú)類(lèi)別地址,無(wú)類(lèi)別地址的特點(diǎn) 你要一塊多大的地址，就可以分配多大的地址塊給你，不存在大量多余地址的浪費(fèi)問(wèn)題。但對(duì)一個(gè)地址塊有這樣三個(gè)要求： 地址塊內(nèi)的地址是連續(xù)的； 地址的總數(shù)是2的冪（即為1，2，4，8，16，）； 塊內(nèi)容的第1個(gè)地址能被地址數(shù)整除。 無(wú)類(lèi)別地址的表示 x. y. z. t / n 根據(jù)無(wú)類(lèi)別地址可以可以求出這個(gè)連續(xù)地址

6、塊的大小，起始地址和最后一個(gè)地址。其計(jì)算方法： 地址塊的大小為232-n； 首地址是將x.y.z.t的右邊（32-n）個(gè)比特均置為0； 末地址是將x.y.z.t的右邊（32-n）個(gè)比特均置為1。 【例】,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4無(wú)類(lèi)別地址,網(wǎng)絡(luò)地址 當(dāng)一個(gè)組織機(jī)構(gòu)擁有一個(gè)地址塊時(shí)，該塊的起始地址通常被用作一個(gè)特殊地址，它稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)地址，定義該組織機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)地址是路由器用來(lái)將報(bào)文發(fā)送到該組織機(jī)構(gòu)外部的地址。 無(wú)類(lèi)別地址的層次結(jié)構(gòu) 對(duì)于無(wú)類(lèi)別地址，同樣也具有層次結(jié)構(gòu)。他可以分成2層、3層或甚至多層結(jié)構(gòu)。 【例子】 某機(jī)構(gòu)分配的IP地址為17.12.14.0/26，需

7、要將這個(gè)地址劃分成3個(gè)子塊，一個(gè)子塊含有32個(gè)地址，另2個(gè)含有16個(gè)地址。并畫(huà)出網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4無(wú)類(lèi)別地址,【例子】,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址 IPv4無(wú)類(lèi)別地址,無(wú)類(lèi)別地址分配 每一個(gè)ISP將分得的大塊地址分成若干小塊，再把這些小塊地址分給他的客戶(hù)。反過(guò)來(lái)，ISP先把用戶(hù)需求的地址，逐級(jí)從很小的塊聚集成較大的塊，再將若干較大的塊聚集成更大的塊，最后聚集成一大塊，并從ICANN哪里獲得這個(gè)大塊地址。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為地址會(huì)聚。 【例子】一個(gè)ISP分得一塊地址190.100.0.0/16。ISP要把這塊地址分給3組客戶(hù)，要求如下：

8、1）第1組有64個(gè)客戶(hù)，每個(gè)客戶(hù)需要256個(gè)地址； 2）第2組有128個(gè)客戶(hù)，每個(gè)客戶(hù)需要128個(gè)地址； 3）第3組有128個(gè)客戶(hù)，每個(gè)客戶(hù)需要64個(gè)地址。 設(shè)計(jì)各個(gè)子塊，并計(jì)算出還有多少剩余的地址？,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)換技術(shù),描述 解決IPv4地址緊缺的另一個(gè)措施是網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）。在Internet的地址空間有一部分地址（如下表），沒(méi)有全局特性，可用這些地址只能組成一個(gè)組織的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。這些地址是因特網(wǎng)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)留的三組地址作為專(zhuān)用地址。 雖然可能兩個(gè)組織使用了相同的地址，但是它們各自用在自己的專(zhuān)

9、業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，不會(huì)造成地址沖突。,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)換技術(shù),示例：用一個(gè)NAT路由器實(shí)現(xiàn) NAT路由具有內(nèi)網(wǎng)地址，同時(shí)具有全局唯一的地址與外網(wǎng)internet相連。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對(duì)外部internet是透明的。 外部internet僅與具有地址為200.24.5.8的路由鏈接交換數(shù)據(jù)。,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)換技術(shù),示例：用一個(gè)NAT路由器實(shí)現(xiàn) 地址變換,4.1 邏輯尋址4.1.1 IPv4地址網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)換技術(shù),示例：用一個(gè)NAT路由器實(shí)現(xiàn) 地址變換表,4.1 邏輯尋址4.1.2 IPv6地址,IPv6地址的格式 IPv6地址采用128

10、比特長(zhǎng)度的IP地址，16字節(jié)，是IPv4地址空間的296倍。 書(shū)寫(xiě)格式：二進(jìn)制和十六進(jìn)制 FDEC：0074：0000：0000：0000：B0FF：0000：FFF0 IPv6地址是有類(lèi)型的,4.2 IP協(xié)議4.2.1 IPv4協(xié)議,IPv4協(xié)議 IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。其功能是管理和控制IP分組的交付，也就是說(shuō)，一個(gè)分組由源主機(jī)交付給目的主機(jī)的任務(wù)是由IP協(xié)議來(lái)完成的 。 在TCP/IP協(xié)議中，IP層利用其下面的網(wǎng)絡(luò)為傳輸層提供服務(wù)。,4.2 IP協(xié)議4.2.1 IPv4協(xié)議,IPv4協(xié)議的特點(diǎn) IPv4是無(wú)連接的、不可靠的協(xié)議。IPv4是數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)盡力而為地傳送分組，但

11、不保證可靠傳送。 IP不提供差錯(cuò)控制和流量控制，由ICMP等協(xié)議協(xié)助完成 。 如果要求可靠傳送，則IPv4必須與TCP配合。傳輸層協(xié)議是運(yùn)行在用戶(hù)主機(jī)上的程序，是獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)的，保證主機(jī)進(jìn)程到另一主機(jī)進(jìn)程的端到端的可靠通信 。 IPv4數(shù)據(jù)報(bào) IPv4數(shù)據(jù)報(bào)又稱(chēng)IP分組，包括兩部分：協(xié)議頭（首部）和可變長(zhǎng)的數(shù)據(jù)?？偟拈L(zhǎng)度在2065536字節(jié)之間。 IP分組沒(méi)有尾部。 具體格式定義如下圖,4.2 IP協(xié)議4.2.1 IPv4協(xié)議,4.2 IP協(xié)議4.2.1 IPv4協(xié)議,IPv4協(xié)議頭的選項(xiàng) Ipv4數(shù)據(jù)報(bào)必須有一個(gè)20字節(jié)的協(xié)議頭，此外還可以加選項(xiàng)。選項(xiàng)的長(zhǎng)度不等。 選項(xiàng)有兩個(gè)限制：一是最大長(zhǎng)度

12、為40字節(jié)；而且選項(xiàng)若不是4直接的倍數(shù)，必須填充，使得選項(xiàng)占有為4字節(jié)的倍數(shù)。 選項(xiàng)功能主要用于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)和診斷網(wǎng)絡(luò)故障。,4.2 IP協(xié)議4.2.1 IPv4協(xié)議,協(xié)同IPv4工作的協(xié)議 為了更好地使得IP層能完好地提供服務(wù)，只有Ipv4還不夠，還需要以下相應(yīng)輔助協(xié)議： 地址解釋協(xié)議（ARP）：是由IP地址求其對(duì)應(yīng)的物理地址的協(xié)議。 逆地址解釋協(xié)議（RARP）：有已知物理地址求其對(duì)應(yīng)的邏輯地址的技術(shù)。如無(wú)盤(pán)工作站和使用臨時(shí)分配的IP地址的用戶(hù) 。 因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議（ICMP）：主要是因?yàn)镮Pv4不支持流量控制和錯(cuò)誤控制，也缺乏對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試和診斷功能。所以就由ICMP協(xié)議來(lái)彌補(bǔ)IPv4的不足

13、。 因特網(wǎng)組管理協(xié)議（IGMP）：是為了在Internet上實(shí)現(xiàn)多播的輔助協(xié)議 。,4.2 IP協(xié)議4.2.2 IPv6協(xié)議,IPv4與IPv6網(wǎng)絡(luò)層的比較 為了適應(yīng)IPv6的需要，原來(lái)支持IPv4的一些輔助協(xié)議也應(yīng)該修改。ICMPv6是對(duì)IPv4的ICMP的更新。修改后，ICMPv6包括了原來(lái)的ICMP、ARP、IGMP三個(gè)協(xié)議的功能，并舍棄了RARP。,4.2 IP協(xié)議4.2.2 IPv6協(xié)議,IPv6數(shù)據(jù)報(bào)的格式 它由必備的40字節(jié)長(zhǎng)的基本協(xié)議頭和最大為65535字節(jié)的可變長(zhǎng)度的凈負(fù)荷組成。而凈負(fù)荷又由0個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展協(xié)議頭和來(lái)自上層協(xié)議的數(shù)據(jù)組成。 擴(kuò)展協(xié)議頭，可有可無(wú)，但基本協(xié)議頭是不

14、可缺少的。,4.2 IP協(xié)議4.2.2 IPv6協(xié)議,IPv6數(shù)據(jù)報(bào)的格式,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法,描述 IP分組在從源主機(jī)送到目的主機(jī)的過(guò)程中，根據(jù)最佳的路徑，由路徑上的路由器逐一轉(zhuǎn)發(fā)完成。那么如何得到最佳路徑哪？ 路由算法：為源主機(jī)到目的主機(jī)尋找路由的方法。 路由算法的基本要求：正確性，簡(jiǎn)單性，健壯性，穩(wěn)定性，公平性，最佳性。 路由算法的分類(lèi)：靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由 路由器承擔(dān)了兩項(xiàng)任務(wù) 一是交換路由信息，不斷更新路由表； 二是根據(jù)路由表轉(zhuǎn)發(fā)分組。 路由器又是如何轉(zhuǎn)發(fā)分組的？,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法,分組的傳遞、轉(zhuǎn)發(fā)和路由選擇 傳遞：是指在網(wǎng)絡(luò)層

15、控制下，用底層的物理網(wǎng)絡(luò)對(duì)一個(gè)分組進(jìn)行處理的方法。 直接傳輸：源和目的在物理上屬于同一網(wǎng)絡(luò)的傳輸，或在最后一個(gè)路由和目的主機(jī)之間的傳輸 。 如果目的主機(jī)和源主機(jī)不在同一網(wǎng)絡(luò)，分組傳輸則是非直接傳輸。 轉(zhuǎn)發(fā)：是指將一個(gè)分組傳遞到下一個(gè)站點(diǎn)的方法。（路由表） 路由選擇：是指在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中創(chuàng)建路由表的方法。,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),描述 轉(zhuǎn)發(fā)是指將分組路由到它的目的端。它要求主機(jī)或路由器具有路由表。 問(wèn)題：由于互聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越大，簡(jiǎn)單的查詢(xún)路由表的方法效率很低。 下面一些方法可用來(lái)簡(jiǎn)化路由表： 下一跳方法與路由方法,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),特

16、定網(wǎng)絡(luò)方法與特定主機(jī)方法 特定主機(jī)方法是指對(duì)連接在同一物理網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)都有一個(gè)地址項(xiàng)。 特定網(wǎng)絡(luò)方法是指不對(duì)連接在同一物理網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)都有一個(gè)地址項(xiàng)，而是僅用一個(gè)記錄來(lái)定義這個(gè)目的網(wǎng)絡(luò)本身的地址。,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),默認(rèn)方法 默認(rèn)方法是一種簡(jiǎn)化路由表的技術(shù)。 例：網(wǎng)絡(luò)N1通過(guò)兩個(gè)路由與外界相連，路由R1連接網(wǎng)絡(luò)N2，Internet其他部分通過(guò)路由R2與網(wǎng)絡(luò)N1相連。,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程,描述 在無(wú)類(lèi)尋址中，路由表對(duì)涉及到的每一個(gè)地址塊都需要有一行信息。 路由表需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址（地址塊的第一個(gè)地址）進(jìn)行查詢(xún)，但很

17、遺憾，在分組中只有目的地址而沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)地址。 ？,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程,m3,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程,地址聚合 地址聚合目的：減少路由表中的記錄數(shù)。 思路：是把多個(gè)小的地址塊聚集起來(lái)，形成一個(gè)大的地址塊。如果有m個(gè)地址塊，因特網(wǎng)上路由器的路由表就應(yīng)該有m條記錄。如果聚合成一個(gè)塊，就只要一條記錄。 下圖說(shuō)明地址聚合的原理：,4.3 路由算法和路由協(xié)議4.3.1 路由算法轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程,最長(zhǎng)掩碼匹配 有時(shí)一個(gè)目的IP地址會(huì)與路由表的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址匹配，但是真正匹配的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該只有一個(gè)，它就是最長(zhǎng)掩碼匹配的網(wǎng)絡(luò)。 為什么呢？ 因?yàn)樾K是大塊 的一部分 ，應(yīng)該 匹配到小塊最精 確，即最長(zhǎng)掩碼 的塊。 通常路由表的記錄 就按掩碼的長(zhǎng)短從 大到小的排列。 最先匹配的就是正 確的結(jié)果。,4.3 路由算法和路由協(xié)議