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文档简介
1、第5章 网络层5.1 概述5.2 网际协议IP5.3 网际控制报文协议ICMP5.4 路由选择协议5.5 IP多播5.6 虚拟专网VPN和网络地址转换NAT5.7 总结计算机网络讲义25.1 网络层概述在体系结构中,网络层位于数据链路层之上,传输层之下。对于不同的体系结构,对其主要任务的描述也有些许的差异。1、OSI/RM 调用数据链路层可靠的、无差异的和透明的数据传输功能,在主机之间传送数据报文和为数据报文选择合适的路由,向传输层提供面向连接的数据传输服务(虚电路)和面向非连接的数据传输服务(数据报)。2、TCP/IP 调用数据链路层无差异的、透明的数据传输功能,在主机之间传送数据报文和为数
2、据报文选择合适的路由,向传输层提供面向非连接的数据传输服务(数据报)。在实际应用中,关于网络究竟向传输层提供面向连接还是面向非连接的服务一直争论很大。计算机网络讲义31、网络层主要的功能在主机之间传送数据报文的实现。1、主机之间的寻址;2、主机地址;3、网络层协议。为数据报文选择合适的路由的方法。1、路由选择算法;2、路由选择协议。向传输层提供数据传输服务方式。1、面向连接的数据传输服务(虚电路) 2、面向非连接的数据传输服务(数据报)计算机网络讲义42、网络层提供的两种服务 在计算机网络领域,网络层应该向运输层提供怎样的服务(“面向连接”还是“无连接”)曾引起了长期的争论。争论焦点的实质就是
3、:在计算机通信中,可靠交付应当由谁来负责?是网络还是端系统? 计算机网络讲义5电信网的成功经验让网络负责可靠交付 面向连接的通信方式 建立虚电路(Virtual Circuit),以保证双方通信所需的一切网络资源。 如果再使用可靠传输的网络协议,就可使所发送的分组无差错按序到达终点。 计算机网络讲义6应用层运输层网络层数据链路层物理层应用层运输层网络层数据链路层物理层虚电路服务H1 H2虚电路H1 发送给 H2 的所有分组都沿着同一条虚电路传送计算机网络讲义7虚电路是逻辑连接虚电路表示这只是一条逻辑上的连接,分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送,而并不是真正建立了一条物理连接。请注意,电
4、路交换的电话通信是先建立了一条真正的连接。因此分组交换的虚连接和电路交换的连接只是类似,但并不完全一样。 计算机网络讲义8因特网采用的设计思路网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组(即 IP 数据报)独立发送,与其前后的分组无关(不进行编号)。网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序(不按序到达终点),当然也不保证分组传送的时限。 计算机网络讲义9尽最大努力交付的好处由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务,这就使网络中的路由器可以做得比较简单,而且价格低廉(与电信网的交换机相比较)。如果主机(即
5、端系统)中的进程之间的通信需要是可靠的,那么就由网络的主机中的运输层负责(包括差错处理、流量控制等)。采用这种设计思路的好处是:网络的造价大大降低,运行方式灵活,能够适应多种应用。因特网能够发展到今日的规模,充分证明了当初采用这种设计思路的正确性。 计算机网络讲义10应用层运输层网络层数据链路层物理层应用层运输层网络层数据链路层物理层数据报服务图示H1 H2IP 数据报丢失H1 发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送计算机网络讲义113、网络层提供的两种服务的对比对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当由网络来保证可靠通讯应当由主机来保证连接的建立必须有不需要终点地址仅在连接建立阶段使
6、用,每个分组使用短的虚电路号每个分组都有终点的完整地址分组的转发属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发每个分组独立选择路由进行转发当结点出故障时所有通过出故障结点的虚电路均不能工作出故障的结点可能会丢失分组,一些路由可能会发生改变分组的顺序总是按照发送的顺序到达终点到达终点时不一定按发送顺序端到端的差错处理和流量控制可以由网络负责,也可以由主机负责由用户主机负责表5-1 虚电路服务与数据报服务对比表计算机网络讲义124、TCP/IP协议网络层协议的设计思想在TCP/IP协议中,网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。1、网络层向上层提供数据报服务;2、每一个分组
7、独立发送,不进行编号;3、所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序,也不能保证分组交付的时限,既不提供主机到主机的可靠传输服务。采用上述设计思想的好处:造价降低、运行方式灵活、能适应多种应用。TCP/IP协议在网络层主要的工作协议是IP协议。计算机网络讲义135.2 网际协议IP网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一,与其配套使用的还有四个协议 1、地址解析协议ARP; 2、逆地址解析协议RARP; 3、网际控制报文协议ICMP; 4、网际组管理协议IGMP。各种应用层协议TCP、UDPICMPIGMPIPRARPARP网络接口层计算机网络讲义145.2.1 协议数据单元IP数据包
8、IP数据包是TCP/IP协议在网际层的协议数据单元。 1、TCP/IP协议栈接收传输层的TCP或UDP报文段,传递给网际层,网际层按IP数据包的格式重新组织数据,形成IP数据包,发给数据链路层; 2、相反的方向操作类似。TCP/UDP报文段TCP/UDP报文段IP头传输层网际层网络接口层封装拆装计算机网络讲义151、IP 数据包的格式 一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度,共 20 字节,是所有 IP 数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段,其长度是可变的。 固定部分可变部分04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识区 分 服 务总
9、 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分数 据 部 分首 部IP 数据报首部发送在前可变部分首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识区 分 服 务总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分数 据 部 分首 部IP 数据报固定部分发送在前首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度
10、数 据 部 分数 据 部 分首 部IP 数据报固定部分可变部分区 分 服 务发送在前首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分版本占 4 位,指 IP 协议的版本目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)和6(即IPv6)区 分 服 务IP 数据报首部的固定部分中的各字段 首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可
11、 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分首部长度占 4 位,可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为 4 字节)因此 IP 的首部长度的最大值是 60 字节。区 分 服 务首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分区分服务占 8 位,用来获得更好的服务在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直未被使用过。1998 年这个字段改名为区分服务。只有在使用区分服务(DiffServ)时,这个字段才起作用。在一般的情况下都不使用这个字段
12、区 分 服 务首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分总长度占 16 位,指首部和数据之和的长度,单位为字节,因此数据报的最大长度为 65535 字节。总长度必须不超过最大传送单元 MTU。 区 分 服 务首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分标识(identifica
13、tion) 占 16 位,它是一个计数器,用来产生数据报的标识。 区 分 服 务首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识区 分 服 务总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分标志(flag) 占 3 位,目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是 MF (More Fragment)。MF 1 表示后面“还有分片”。MF 0 表示最后一个分片。标志字段中间的一位是 DF (Dont Fragment) 。只有当 DF 0 时才允许分片。 首部04816192431版 本标志
14、生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分片偏移(12 位)指出:较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。区 分 服 务偏移 = 0/8 = 0偏移 = 0/8= 0偏移 = 1400/8 = 175偏移 = 2800/8 = 350140028003799279913993799需分片的数据报数据报片 1首部数据部分共 3800 字节首部 1首部 2首部 3字节 0数据报片 2数据报片 314002800字节 0【例4-1】 IP
15、数据报分片首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分生存时间(8 位)记为 TTL (Time To Live)数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。区 分 服 务首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分协议(8 位)字段指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的
16、IP 层将数据部分上交给哪个处理过程。常见协议参考P125表。区 分 服 务运输层网络层首部TCPUDPICMPIGMPOSPF数 据 部 分IP 数据报协议字段指出应将数据部分交给哪一个进程首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分首部检验和(16 位)字段只检验数据报的首部不检验数据部分。这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法。 区 分 服 务发送端接收端16 位字 116 位字 2置为全 0检验和16 位字 n16 位反
17、码算术运算求和取反码数据报首部IP 数据报16 位检验和16 位字 116 位字 216 位检验和16 位字 n16 位反码算术运算求和16 位结果取反码数据部分若结果为 0, 则保留;否则,丢弃该数据报数据部分不参与检验和的计算首部04816192431版 本标志生 存 时 间协 议标 识总 长 度片 偏 移填 充首 部 检 验 和源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 (长 度 可 变)位首部长度数 据 部 分固定部分可变部分源地址和目的地址都各占 4 字节区 分 服 务计算机网络讲义33IP 数据报首部的可变部分IP 首部的可变部分就是一个选项字段,用来支持排错、测量以及安全等措施,内容
18、很丰富。选项字段的长度可变,从 1 个字节到 40 个字节不等,取决于所选择的项目。增加首部的可变部分是为了增加 IP 数据报的功能,但这同时也使得 IP 数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。 计算机网络讲义345.2.2 IP协议的网络层地址IP地址简介: 1、网络层的逻辑地址,解决网络中网络和主机的寻址问题;IPv4的IP地址由4字节,32位组成。 2、IP地址发展经过了三个阶段: (1)分类的IP地址 1981年 (2)子网的划分 1985年 (3)构成超网 1993年 3、IP地址目前由因特网名字与号码指派公司ICANN进行分配
19、。计算机网络讲义35点分十进制记法 10000000000010110000001100011111 机器中存放的 IP 地址是 32 位 二进制代码10000000 00001011 00000011 00011111 每隔 8 位插入一个空格能够提高可读性采用点分十进制记法则进一步提高可读性128.11.3.31 128 11 3 31 将每 8 位的二进制数转换为十进制数计算机网络讲义361-1 分类IP地址 每一类地址都由两个固定长度的字段组成,其中一个字段是网络号 net-id,它标志主机(或路由器)所连接到的网络,而另一个字段则是主机号 host-id,它标志该主机(或路由器)。两
20、级的 IP 地址可以记为: IP 地址 := , := 代表“定义为”net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址011host-id8 位D 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址011host-id8 位D 类地址1 1 1 0多 播 地 址E
21、类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址011host-id8 位D 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 1 01B 类地址的网络号字段 net-id 为 2 字节net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类
22、地址C 类地址011host-id8 位D 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101C 类地址的网络号字段 net-id 为 3 字节net-id24 bithost-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址011host-id8 位D 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101A 类地址的主机号字段 host-id 为 3 字节net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-i
23、d8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址011host-id8 位D 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101B 类地址的主机号字段 host-id 为 2 字节net-id24 位host-id24 位net-id16 位net-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址host-id16 位B 类地址C 类地址011host-id8 位D 类地址1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 101C 类地址的主机号字段 host-id 为 1 字节net-id24 位host-id24 位net-id16 bitnet-id8 位IP 地址中的网络号字段和主机号字段 0A 类地址h
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