互联网基本概念

第9章Internet网络层•互联网基本概念•IP地址•IPv4和IP数据报•路由协议•新一代IP—IPv6互联网基本概念•Internet，互联网，internet概念这里，Internet或互联网都是指：-用路由器连接多个物理网络而成；-主机采用统一编排的地址—IP地址；是与物理网络地址无关的编址方案，是软件产生的逻辑地址。统一编址是以一个单一系统出现的互联网抽象的关键。-统一的协议TCP/IP。互联网基本概念—互联网例以太网以太网令牌环FDDI环以太网以太网ATM网路由器PPP/TDM互联网的基本概念—IP层在TCP/IP协议栈中的位置应用层协议传输层协议网卡驱动程序ARPIPICMPIP地址•IP地址唯一确定结点在互联网上的位置。•32位IP地址的点分十进制表示：10100110011011110000000100000110表示为：166.111.1.6•IP地址类型•子网编址和屏蔽码•IP地址和物理地址的动态转换IP地址类型0网络号(7)10主机地址(24位)网络号(14位)主机地址(16位)110主机地址(8)网络号(21位)1110多播地址1111保留A类B类C类D类E类08163124IP地址类型—网络号A，B，C三类可以适应不同大小的物理网络。网络号标识互联网中一个物理网络，网络号必须遵循的准则：•网络号必须唯一。若在Internet上，网络号必须对Internet唯一。•网络号不能是127，127.x.y.z保留给回绕(loopback)地址，自己连自己测试用。•网络号不能为0，网络号0解释为本网，网络号为0的主机地址解释为本网的主机。IP地址类型—网络号(续)类起始结束网络数A1.x.y.z126.x.y.z126B128.0.y.z191.255.y.z16384C192.0.0.z223.255.255.z2097152IP地址类型—主机地址主机地址标识某物理网络上一台主机或路由器端口。主机地址必须遵循的准则：•主机地址对于给定的网络号必须唯一。•主机地址不能全1，主机地址全1被解释为广播地址，在网络号所指的网络上广播。•主机地址不能全0，主机地址全0被解释为标识一个网络。IP地址类型—主机地址(续)类起始结束主机数Aw.0.0.1w.255.255.25416777214Bw.x.0.1w.x.255.25465534Cw.x.y.1w.x.y.254254私用网络的IP地址•Internet的IANA在RFC1918中建议了三块IP地址为私用互联网预留，它们是10/8，172.16/12和192.168/16，即1个A类网，16个连续的B类网(172.16~172.31)，256个连续的C类网(…)。•决定内部使用这些IP地址的机构可以不必与IANA或APNIC，RIPE，ARIN等协调，所以这些地址可以被许多独立机构同时在内部使用。•如果这些机构以后决定要与Internet通信，则要重新编址或在边界路由器使用网络地址转换NAT。子网编址和屏蔽码(掩码)—包含子网地址的B类IP地址10网络号主机地址子网地址01631子网编址和屏蔽码—默认的屏蔽码类默认的屏蔽码A255．0．0．0B255．255．0．0C255．255．255．0子网编址和屏蔽码—高4位用作子网地址的屏蔽码类屏蔽码A255．240．0．0B255．255．240．0C255．255．255．240IP地址和物理地址的动态转换—需求•主机要在物理网络上通信，最终必须依靠物理地址。以太网接口卡只基于48位物理地址发帧和收帧。•在一个以太网上，主机把帧传递给路由器，或者路由器把帧传递给主机，都必须有目标的物理地址。•从目标的IP地址如何知道它的物理地址？通过地址解析协议ARP(AddressResolutionProtocol)动态转换。转换必须动态，为什么？IP地址和物理地址的动态转换我是166.111.1.8物理地址02608C...谁是166.111.1.6?ABARP缓存表02608…166…809000…166…6AB谢谢!是我!是我!166.111.1.6物理地址09000...ARP缓存表09000…166…602608…166…8IP地址和物理地址的动态转换—原理在同一物理网络内，当A想把B的IP地址转换成B的物理地址时：•A在本网广播ARP请求报文，内含B的IP地址；•B收到此报文后发回一个ARP响应报文，内含自己的物理地址。•A收到应答后便知道B的物理地址。然后B的IP地址和物理地址映射项保存在A的快速缓存表。•在广播ARP请求前先查ARP快速缓存表，若已查到IP-物理地址映射项，就不再广播。IP地址和物理地址的动态转换—ARP报文格式硬件地址长度协议地址长度操作(1=请求，2=响应)协议类型(0800表示IP)硬件类型(1表示以太网)发送者硬件地址(字节0~3)发送者硬件地址(字节4~5)发送者协议地址(字节0~1)发送者协议地址(字节2~3)目标硬件地址(字节0~1)目标硬件地址(字节2~5)目标协议地址01631位IPv4和IP数据报•无连接数据报传递服务•IP数据报格式•IP数据报的分段和重组•IP数据报的路由和转发•IP数据报差错报告无连接数据报传递服务网络1R1源主机网络2R2网络3目标主机R3网络4IP数据报IP数据报帧头1IP数据报IP数据报帧头2IP数据报IP数据报帧头3IP数据报无连接数据报传递服务(续)•IP只要求物理网络提供最基本的功能：传输包。•IP数据报的传递是互相独立的；(OSI模型中X.25是有连接的，后来才增加无连接服务。)收到数据报时不发确认；对IP数据报的损坏、丢失、错序、重复听之任之。•确定数据报的路由。•数据报的分段和重组。尽力而为(besteffort)，不保证可靠。IP数据报格式版本报头长服务类型总长度标识DFMF分段位移生存时间TTL协议号报头校验和源IP地址目标IP地址可选项＋填充数据01631IP数据报格式(续)绝大多数IP数据报包含20字节的报头：•版本(4位)：IP协议版本，当前为4。•报头长(4位)：本数据报头的字数，每字4字节，范围是5～15，5即20字节，15即60字节，所以选项最多占40字节•服务类型(8位)(typeofservice)：本数据报的服务质量参数，当前未实现，设置为0。•总长度(16位)：数据报最大长度为65535字节。IP数据报格式(续)•标识(16位)：数据报编号，当路由器将本数据报分段时，此标识拷贝到每个段的IP报头。在分段重组时它用来确定该分段属于哪个数据报。•DF(Don’tFragment)(1位)：DF=1禁止本报分段。•MF(MoreFragment)(1位)：MF=1表示后面还有本报的分段，MF=0表示是最后一个分段。•分段位移：分段位移×8指出本分段在原数据报中从第几字节开始。除最后一段外，其余分段的长度是8字节的倍数。这些字段是与分段和重组有关的。IP数据报格式(续)•生存时间TTL：指明数据报在互联网上逗留的最大时间。标准按秒计，实际上按跳数计。数据报每经过一个路由器，TTL减1，当TTL＝0时数据报被丢弃。防止无法投递的报无限传递。•协议号(8位)：指明上一层协议，6表示上层是TCP，17表示上层是UDP。•报头校验和(16位)：通过路由器时TTL减1，校验和要重新计算。IPv6无校验和，...•源IP地址(32位)：数据报源主机的IP地址。•目标IP地址(32位)：数据报目标主机的IP地址。IP数据报的分段和重组•物理网络一般限制通过包的最大长度，如以太网允许最大帧长1518字节。若物理网络允许的包长小于IP数据报长，路由器的IP层要将该报分段成多个IP报转发。•分段后的数据报在被发送过程中还可以再分段。•由目标主机的IP层对分段报进行一次重组，IP不区分经一次或多次分段的报。IP数据报的路由和转发主机和路由器如何为IP数据报确定路径：•源主机和目标主机位于同一物理网络：数据报在物理网络内传递。比如以太网，源主机将目标主机IP地址转换成物理地址,把数据报封装在以太网帧中直接发送。•源主机和目标主机位于不同物理网络：数据报经路由器转发。路由器通过路由表决定数据报的下一站。•源主机如何确定该发往哪个路由器？主机也有一张路由表，并配置默认网关。IP数据报的路由和转发(续)网2：202.112.58.0网1：50.0.0.0网4：128.1.0.0网3：166.111.0.0R3202.112.58.3R1202.112.58.150.0.0.1R2202.112.58.2128.1.0.2166.111.0.1IP数据报的路由和转发(续)—路由器R3的路由表目标网络屏蔽码下一站IP地址50.0.0.0255.0.0.0202.112.58.1128.1.0.0255.255.0.0202.112.58.2166.111.0.0255.255.0.0直接传递202.112.58.0255.255.255.0直接传递*166.111.0.1*项是默认路由项，或叫默认网关(defaultgateway)IP数据报差错报告互联网控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)就是IP数据报差错报告机制，ICMP报文封装在IP数据报中发送。ICMP差错报文：ICMP信息报文：•目标不可达•回答请求/回答响应•数据报超时(ping用它测主机可达性)•数据报参数问题•时间戳/时间戳响应•报源减速•地址屏蔽码请求/响应•重定向路由协议路由器的核心是网络层，包括IP、ICMP、ARP，还有一个或多个路由协议。由于路由协议需要传输层协议支持，实际路由器还包括高层模块，还有网管模块。•路由器功能和路由协议分类•内部路由协议OSPFv2•外部路由协议BGP-4•无类别域间路由CIDR路由器功能互联网中路由器的传统功能：•交换路由信息：与其它路由器交换网络拓扑和网段时延等信息；•执行路由算法：基于路由信息计算、更新路由表，为数据报决定路由。Internet是由许多自治系统AS互联而成，所谓自治系统是由单一机构管理、操作下的路由器连接的互联网。路由协议分类Internet的路由协议分两类：•内部路由协议或内部网关协议IGP—自治系统内部路由器交换路由信息的协议：RIP(RoutingInformationProtocol)，DV类。IS-IS，OSPF(OpenShortestPathFirst)，LS类。•外部路由协议或外部网关协议EGP—不同自治系统的路由器交换路由信息的协议：BGP(BorderGatewayProtocol)内部路由协议OSPF—原理是链路状态路由协议•每个路由器都有本链路状态信息，即它直接连接的路由器和网络，及到它们的“距离”。•周期地将本链路状态扩散(flooding)到所有结点。•所有的链路状态合在一起就是自治系统的拓扑数据库，每个路由器维持这个拓扑数据库。•每个路由器根据这个拓扑数据库构造一个以自身为根的最短路径树，从最短路径树生成它的路由表。内部路由协议OSPF—自治系统例子N1N2R1R2N3R3N4R4R6R5R7R10N8R11N9R9N11R12N10N6R8N7331111286867588788661113241291213N12N13N14N12N15内部路由协议OSPF—R6的最短路径树N1N2R1R2N3R3N4R4R6R5R7R10N8R11N9R9N11R12N10N6R8N7331266788813412923N12N13N14N12N15内部路由协议OSPF—自治系统分区N1N2R1R2N3R3N4R4R6R5R7R10N8R11N9R9N11R12N10N6R8N7331111286867588788661113241291213N12N13N14N12N15内部路由协议OSPF—自治系统分区•Internet中有的自治系统很大，难管理，可分成若干区。•区和区的网络不重迭，每个区有自己的拓扑数据库，拓扑细节在区外不可见。•每个自