网络层

第6章网络层本章学习要求•理解：网络层与网络互联的基本概念。•掌握：IPv4协议的基本内容。•掌握：IP地址、路由算法与路由协议的基本概念。•掌握：地址解析ARP的基本概念与方法。•掌握：路由器与第三层交换的基本概念。•掌握：IPv6协议的基本内容。•掌握：移动IP的基本概念。•掌握：ICMP与IGMP协议的基本概念。•掌握：MPLS协议与虚拟专网VPN的基本概念。本章知识点结构网络层基本概念IP协议的基本内容标准分类IP地址子网规划与划分方法IP分组转发与路由选择算法IP地址内部网关协议：RIP/OSPF外部网关协议Internet路由选择协议路由器技术第3层交换技术ICMP协议IGMP协议ARP协议MPLS协议无类域间路由CIDR网络地址转换NAT技术移动IP协议IPv6协议6.1网络层与IP协议6.1.1网络层基本概念网络层通过路由选择算法，为IP分组从源主机到目的主机选择一条合适的传输路径，为传输层端—端数据传输提供服务。6.1.2IP协议的发展与演变IPv4IP地址标准分类IP地址第1阶段:1980年特殊地址保留地址划分子网:3级结构第2阶段:1991年构成超网:CIDR第3阶段:1993年地址转换:NAT第4阶段:1996年预测4年B类地址用完2015年全部地址用完路由表危机ISP接入的需要IP分组分组头分组交付路由算法路由器设计自治系统ASInternet路由选择协议内部网关协议RIP/OSPF外部网关协议BGPICMP1981年,RFC792IGMP1989年,RFC1112IGMPv21997年,RFC2236QoS资源预留协议RSVP1993年,RFC2205区分服务Diffserv1999年,RFC2475多协议标记交换MPLS2000年,MPLS论坛IPSec1998年,RFC2401/2411第3层交换1981年,RFC791IPv61981年,RFC18126.2IPv4协议的基本内容6.2.1IP协议的主要特点•IP协议是一种无连接、不可靠的分组传送服务的协议•IP协议是针对源主机—路由器、路由器—路由器、路由器—目的主机之间的数据传输的点—点的网络层通信协议。—IP协议提供的是一种“尽力而为（best-effort）”的服务。•IP协议屏蔽了互联的网络在数据链路层、物理层协议与实现技术上的差异网络层数据链路层传输层IPEthernet帧FrameRelay帧PPP帧IP分组TCP/UDP6.2.2IPv4分组格式版本报头长度服务类型总长度标识标志片偏移生存时间协议头部校验和源IP地址目的IP地址选项填充域数据部分数据部分分组头04816192431固定长度部分可选部分版本字段•版本字段长度为4位。•版本字段值为4，表示IPv4；版本字段值为6，表示IPv6。协议字段•协议字段长度为8位。•表示使用IP协议的高层协议类型。协议字段值高层协议类型1ICMP2IGMP6TCP8EGP17UDP41IPv689OSPF表6-1协议字段值所表示的高层协议类型长度分组头长度字段•分组头长度字段的长度为4位，它定义了以4字节为一个单位的分组头的长度。•分组头中除了IP选项字段与填充字段之外，其他各项是定长的。•分组头长度字段最小值为5，最大长度为。总长度字段•总长度字段长度为16位，定义以字节为单位的分组总长度，是分组头长度与数据长度之和。•总长度字段长度为16位，它能表示的IP分组最大长度为65535（216－1）字节，其中包括分组头长度。•IP分组中高层协议的数据长度等于分组的总长度减去分组头长度。服务类型字段•服务类型（servicetype）字段的长度为8位，用于指示路由器如何处理该分组。•服务类型由4位的服务类型（TOS）字段与3位的优先级（字段构成，1位的保留位。•服务类型参数（TOS）位有4位，每位分别表示：D（延迟）、T（吞吐量）、R（可靠性）与C（成本）。•每位取0或1两个可能的取值。•每个服务类型参数4位组合中，最多只能有一位的值为1，其他3个位的值则为0。生存时间（TTL）字段•生存时间TTL用来设定分组在Internet中的“寿命”，它通常是用转发分组最多的路由器跳数（hop）来度量。•生存时间TTL的初始值由源主机设置，经过一个路由器转发之后，TTL值减1。•当TTL的值为0时，丢弃分组并发送ICMP报文通知源主机。头校验和字段•头校验和字段长度为8位。•设置头校验和是为了保证分组头部数据完整性。•IP分组只对分组头进行校验，不包括分组数据。•IP分组头之外的部分属于高层数据，高层数据都会有相应的校验字段，IP分组不对高层数据进行校验。•每经过一个路由器，IP分组头都要改变一次，数据部分并不改变。设置头校验和只对变化部分进行校验是合理的，可以减少路由器对每个接收分组的处理时间，提高路由器的运行效率。地址字段•分组头中最简单的部分是地址字段。•地址字段包括源地址与目的地址。•源地址与目的地址字段长度都是32位，分别表示发送分组的源主机与接收分组的目的主机的IP地址。•在分组的整个传输过程中，无论采用什么样的传输路径或如何分片，源地址与目的地址始终保持不变。IP分组的分片与组装•在IP分组头中，与分组的分片与组装相关的字段有：标识、标志与片偏移。•IP分组的最大长度为65535个字节。原始数据报分组头分组头分组头分组头分组头•分片方法的例子原始数据报：片1：片2：片3：片偏移值：0片偏移值：100片偏移值：200报头报头报头报头片1（800byte）片1（800byte）片2（800byte）片3（600byte）片2（800byte）片3（600byte）•分片与字段标识、标志与片偏移原始数据报22202650000数据编码号：0-2199分片18202650010数据编码号：0-799分片2820265001100数据编码号：800-1599分片3620265000200数据编码号：1600-2199IP分组头选项设置IP分组头选项的主要目的•设置IP分组头选项主要用于控制与测试。•所有实现IP协议的硬件或软件都应该能够处理分组头选项。•选项的最大长度为40字节，如果用户使用的选项长度不是4字节的整数倍，需要添加填充位，补成4字节的整数倍。•分组头选项由选项码、长度与选项数据等3部分组成。•选项码用于确定该选项的具体功能，例如源路由、记录路由、时间戳等。长度表示出选项数据的大小。源路由•源路由是指由发送分组的源主机制定的传输路径，用来区别由路由器通过路由选择算法确定的路径。•源路由分为严格源路由（SRR）与松散源路由（LRR）。•严格源路由规定分组要经过的路径上每个路由器，相邻路由器之间不能插入其他路由器，并且经过的路由器顺序不能改变。•松散源路由规定分组一定要经过的路由器，但不是一条完整的传输路径，中途可以经过其他路由器。记录路由•记录路由是将分组经过的每个路由器IP地址记录下来。•记录路由选项常用于网络测试。时间戳（TS）•时间戳可以记录分组经过每个路由器的本地时间。•时间戳采用格林威治时间，单位是毫秒。•网络管理员可以利用它追踪路由器的运行状态，分析网络吞吐率、拥塞与负荷情况等。•校验和计算方法45028100417010.12.14.512.6.7.94，5和02810和04和17010.1214.512.67.901000101000000000000000000011100000000000000000100000000000000000000010000010001000000000000000000001010000011000000111000000101000011000000011000000111000010010111010001001110和校验和10001011101100016.3IPv4地址6.3.1IP地址的基本概念IP地址标准分类IP地址特殊IP地址保留IP地址第一阶段：1981年划分子网（3级结构）第二阶段：1991年第三阶段：1993年第四阶段：1996年构成超网（CIDR）地址转换（NAT）预测：4年内B类地址用完；2015年所有的IP地址用完；路由表危机ISP接入的需要6.3.2标准分类IP地址•网络接口与IP地址的关系202.1.12.2202.1.12.3202.1.12.1192.22.1.2192.22.1.1192.22.1.3192.22.1.4LAN1LAN2路由器接口1（E1）接口2（E2）网卡主机1MAC地址:01-2A-00-89-11-2B网卡主机2MAC地址:11-0A-40-86-09-20202.1.12.4网卡主机3MAC地址:01-00-10-12-02-56网卡MAC地址:21-30-15-10-02-55网卡MAC地址:01-0A-1B-11-01-52网卡主机4MAC地址:01-21-12-1A-C2-51网卡主机5MAC地址:0A-00-12-12-A2-50网卡主机6MAC地址:11-40-12-10-82-56路由器接口1：E1接口2：E2LAN1LAN2IP地址：202.1.12.1IP地址：192.22.1.1MAC地址：01-0A-1B-11-01-52MAC地址：21-30-15-10-02-55IP地址分配：•连接到Internet的每一个主机（计算机或路由器）至少有一个IP地址。•IP地址是分配给网络接口的。•多归属主机可以有多个IP地址。•一个网络接口也可以分配多个IP地址。•网桥、Ethernet交换机、集线器Hub属于数据链路层设备，使用MAC地址，不属于网络层设备，不分配IP地址。•标准分类的IP地址网络号(7位)主机号(24位)A类地址1816243210网络号(14位)主机号(16位)B类地址110网络号(21位)主机号(8位)C类地址1110多播地址(28位)D类地址11110保留用于实验和将来使用E类地址主机地址范围1.0.0.0到127.255.255.255128.0.0.0到191.255.255.255192.0.0.0到223.255.255.255224.0.0.0到239.255.255.255240.0.0.0到247.255.255.2550标准分类的IP地址覆盖范围•A类地址：1.0.0.0～127.255.255.255•B类地址：128.0.0.0～191.255.255.255•C类地址：192.0.0.0～223.255.255.255•D类IP地址：224.0.0.0～239.255.255.255•E类IP地址：240.0.0.0～247.255.255.255特殊IP地址•直接广播地址：A类、B类与C类IP地址中主机号是全1的IP地址，如191.1.255.255•受限广播地址：网络号与主机号为全1的IP地址（255.255.255.255）•“这个网络上的特定主机”地址：网络号是全0（如0.0.0.25）•回送地址：127.0.0.0是回送地址•专用IP地址类网络号总数A10.1B172.16～172.3116C192.168.0～192.168.255256保留的专用地址6.3.3划分子网的三级地址结构•掩码的概念11111111netIDnetID111111111111111111111111111111111111111100000000000000000000000000000000hostIDhostID0000000000000000B类网络地址C类网络地址A类网络地址掩码B类网络地址掩码C类网络地址掩码255.0.0.0255.255.0.0255.255.255.0netIDhostIDA类网络地址•子网掩码的概念•子网掩码表示方法：网络号与子网号置1，主机号置0。一个B类地址划分为64个子网的例子07153110netIDsubnetIDhostID11111111111111111111110000000000网络地址子网掩码（255.255..252.0）16bit10bit6bit/22可