第5章计算机网络网络层-1

1、 第5章 网络层n5.1 概述n5.2 网际协议n5.3 地址解析协议n5.4 因特网控制报文协议n5.5 无类别域间路由n5.6 路由协议n5.7 IP多播n5.8 下一代网际协议IPv6n5.9 IP主干网 5.1 概述5.1.1 网络互联网络互联 n若干个底层网络（LAN、MAN、WAN乃至点对点链路等），通过路由器（router）互连在一起便组成了互联网（internet）。互联网是网络的集合。 网络互联组成互联网5.1.1 网络互联网络互联 n跨越使用不同标准的异构的网络进行通信，即实现网络互联，是构造互联网的基础。互联网技术在底层网络与用户之间加入了中间层次，互联底层网络，使它们互

2、通，并屏蔽底层细节，向用户提供通用一致的网络服务。 n实现网络互联是网络层的核心功能，网络层的协议实现了分组跨越互联网的传输。 网络层实现分组跨越互联网的传输5.1.2 分组交换n网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大类：n无连接的网络服务（数据报方式）n面向连接的网络服务（虚电路方式）。 提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组路径可能变化网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。 提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，

3、但网络对源主机没有任何承诺。提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络不保证所传送的分组不丢失也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机 提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网当网络发生拥塞时网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃 提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。实际上“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务。 提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1 要和 H5 通信主机 H1 先向主机 H5

4、发出一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。 虚电路H1 向 H5 发送的所有分组都沿此虚电路传送。提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。 提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。 提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E

5、分组交换网到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量 QoS (Quality of Service)有较好的保证。 两种服务的思路来源不同 n虚电路服务的思路来源于传统的电信网。n电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。n数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。n可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来保证。 数据报服务与虚电路服务之争 n让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构。 n但技术的进步使得网络出错的概率已越来越小，因而让主机负责端到端的可靠性不但不会给主机增

6、加更多的负担，反而能够使更多的应用在这种简单的网络上运行。n因特网发展到今天的规模，充分说明了在网络层提供数据报服务是非常成功的。 n网络上传送的报文长度，在很多情况下都很短。n用数据报既迅速又经济。n若用虚电路，为了传送一个分组而建立虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络资源了。 数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点 n在使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息。n在使用虚电路的情况下，每个分组不需要携带完整的目的地址，而仅需要有个很简单的虚电路号码的标志。n这就使分组的控制信息部分的比特数减少，因而减少了额外开销。 数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点 n在使用数据报时，主机承担端到端

7、的差错控制和流量控制。n在使用虚电路时，分组按顺序交付，网络可以负责差错控制和流量控制。n数据报服务对军事通信有其特殊的意义。当某个结点发生故障时，后续的分组就可另选路由，因而提高了可靠性。n但在使用虚电路时，结点发生故障就必须重新建立另一条虚电路。 数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点 5.1.3 网络互联的关键设备路由器网络互联的关键设备路由器 n路由器是网络互联的关键设备，路由器系统构成了互联网基本的交通网络系统。 n网络接口：路由器端口n转发引擎：查找路由表，决策IP数据报的转发路径n交换结构：连接多个网络接口，提供高速数据通道n路由选择模块：动态更新优化路由表n 路由器 的结构 5

8、.2 广域网中的分组转发机制n“转发” (forwarding)和“路由选择” (routing)这两个名词的使用在过去有些混乱。现在的文献倾向于将它们区分开来。 n转发是当交换结点收到分组后，根据其目的地址查找转发表(forwarding table)，并找出应从结点的哪一个接口将该分组发送出去。n路由选择是构造路由表(routing table)的过程。n路由表是根据一定的路由选择算法得到的，而转发表又是根据路由表构造出的。 5.1.4 Internet网际层n网际层负责将分组从源主机传送到目的主机，提供无连接的(Connectionless)、不可靠的(Unreliable)但尽力而为的

9、(Best-Effort)分组传送服务。 n网际层实现这种服务的分组传送机制为网际协议(internet protocol)，通常称为IP协议，它主要提供三个方面的内容：nIP定义了网际层的PDU，规定了它的格式； nIP软件实现数据报转发功能，选择发送的路由并转发； nIP还包括了一组体现了不可靠、尽力分组传送的规则。 5.2 网际协议 5.2.1 分类IPv4地址及子网划分n分类IPv4地址n32比特长度的二级地址，包括三个字段：n类别字段； n网络号字段net-id； n主机号字段host-id。 nIP地址分为A，B，C，D，E 5类，二级的IP地址有如下特点： nnet-id 可用于

10、将数据报路由到目的网络；nhost-id可用于将数据报路交付到本网络上的主机；n简化了路由表。n点分十进制记法(dotted decimal notation)。 5.2.1 分类IPv4地址及子网划分 IP地址格式 5.2.1 分类IPv4地址及子网划分nIP地址的范围类别类别最大最大网络数网络数网络号范围网络号范围每个网络中每个网络中最大主机数最大主机数主机号范围主机号范围IP地址范围地址范围A1261126167772140.0.1255.255.2541.0.0.1126.255.255.254B16382128.1191.254655340.1255.254128.1.0.1191.

11、254.255.254C2097150192.0.1223.225.2542541254192.0.1.1223.255.254.2545.2.1 分类IPv4地址及子网划分n特殊形式的IP地址 IP地地 址址用用 途途网络号网络号主机号主机号全为全为0全为全为0表示本主机，只作源地址，启动时用，之后获得了表示本主机，只作源地址，启动时用，之后获得了IP地址不再使用地址不再使用全为全为0host-id 本地网络上主机号为本地网络上主机号为host-id的主机，只作源地址的主机，只作源地址全为全为1全为全为1本地网络上有限广播（本地网络上有限广播（limited broadcast），各路由器都

12、不转发，只），各路由器都不转发，只作目的地址作目的地址net-id全为全为1向向net-id标识的网络定向广播（标识的网络定向广播（directed broadcast），只作目的地址），只作目的地址net-id全为全为0标识一个网络标识一个网络127任意任意本地软件回送测试本地软件回送测试(loopback test)，Internet上不能出现这种地址上不能出现这种地址 5.2.1 分类IPv4地址及子网划分n划分子网(subnetting)n将单位自己控制的host-id字段中的前若干比特划分出来作为子网号（subnet-id），在本单位内使用路由器将各子网互连。子网号使用多少比特，单位根据需要自己决定。划分的子网和子网中的主机，不使用全0和全1的子网号和主机号，称为变长子网划分（variable-length subnetting），相当于使用了三级地址。n子网掩码(Subnet Mask) 5.2.1 分类IPv4地址及子网划分n私有地址n私有地址看空间可以被许多专用网络自由使用，仅在一个专用网络内保证唯一即可。私有地址也能和公有地址在企业内混合使用。n私有地址网络上的主机需