TCPIP协议-(第3章网际协议)教学

第3章网际协议

1主要内容IPv4协议下一代IP：IPv6移动IP2一、IPv4协议1、IP提供服务的特点IP协议提供不可靠、无连接、尽最大努力的分组交付。不可靠：不保证IP分组成功送达目的站，网络的可靠性由上层协议保证；无连接：发送分组前，不需要在发送站和目的站间事先建立连接，每个IP分组独立进行路选择；尽最大努力交付：IP协议尽力发送每个分组，只有当资源耗尽或底层网络出现故障时，才丢弃IP分组。3IP协议是TCP/IP协议族的核心协议，实现异构网络的互连。2、IP分类编址4111111111286432168421十进制总合为2558bit（1）二进制到十进制的转换二进制到十进制的转换2726252423222120（2）IP地址表示5字节（8位）字节（8位）字节（8位）字节（8位）11000000101010000000000100001011

192168111IP地址：192.168.1.11IP地址是一个32bit的二进制数，为便于阅读，用点分十进制按字节将其分为四段。610000001000010000000000000001011129.8.0.1110101100000001110000100000100011172.7.8.35课堂练习（3）IP分类7A、IP地址的结构IPv4是两级结构的地址，地址分为网络号和主机号，因此一个IP地址指明的是连接到某个网络的某台主机。网络号：标识一个网络；主机号：标识网络上的主机。主机主机号网络号32bitnet-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bit0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001根据网络规模不同，IP地址分为5类net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bit0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001A类地址的网络号字段net-id为1字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bit0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001B类地址的网络号字段net-id为2字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bit0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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001C类地址的网络号字段net-id为3字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bit0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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001A类地址的主机号字段host-id为3字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bit0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001B类地址的主机号字段host-id为2字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bit0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001C类地址的主机号字段host-id为1字节net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bit0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001D类地址是多播地址

net-id24bithost-id24bitnet-id16bitnet-id8bit0A类地址host-id16bitB类地址C类地址011host-id8bitD类地址1

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0多播地址E类地址保留为今后使用1

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001E类地址保留为今后使用

17A类地址：支持特大型网络，第一个字节表示网络号，且最高位必须为0，网络号0和127保留，因此网络数为126（27-2）；支持的主机数为16777216（224-2），主机号全0和全1保留。B类地址：支持大型网络，前两个字节表示网络号，且最高位必须为10，因此网络数为16384（214）；支持的主机数为65534（216-2），主机号全0和全1保留。C类地址：支持小型网络，前三字节表示网络号，且最高位必须为110，因此网络数为2097152（221）；支持的主机数为254（28-2），主机号全0和全1保留。D类地址：为多播地址。E类地址：保留作为特殊用途。

每一类网络中的网络数量和主机数量类第1个字节地址范围网络数量主机数量A1~1261.0.0.1~126.255.255.25427-2=126224-2=16777214B128~191128.0.0.1~191.255.255.254214=16384216-2=65534C192~223192.0.0.1~223.255.255.254221=209715228-2=254D224~239224.0.0.0~239.255.255.255不适用不适用E240~255240.0.0.0~255.255.255.255不适用不适用1819课堂练习判断给定网络地址所属类别和该网络主机地址范围130.54.129.10198.39.58.110B、IP地址与物理网络的关系20IP地址标识的是设备的网络位置或设备与网络的连接。同一物理网络中，所有设备的IP地址的网络号相同，因此设备从一个网络搬迁到另一个网络，IP地址必须做相应的更改。网络地址主机部分全0的地址，代表一个网段，不能作为源地址或目的地址。例：133.25.0.0直接广播地址主机部分全1的地址，代表该网段内所有的接口和主机例：133.25.255.255将此地址作为目的地址向特定网络的所有主机发送分组。受限广播地址

当前网络的广播地址全1地址：255.255.255.255将此地址作为目的地址，将分组发到本网所有主机C、特殊IP地址本网络上的本主机32bit的IP地址全为0（0.0.0.0），表示本网络上的本主机地址。如向DHCP请求本地IP地址分配时，会发一个源IP为0.0.0.0，目的IP为255.255.255.255的请求报文。本网络上的特定主机网络号全为0的IP地址，表示这个网络上的特定主机。例：0.0.0.10环回地址（loopback）

第一个字节为127的IP地址是环回地址，是一个测试设备软件的地址。使用环回地址时，IP分组不会发送到网络。特殊地址网络号主机号源地址/目的地址网络地址特定的全0都不是直接广播地址特定的全1目的地址受限广播地址全1全1目的地址本网络上的本主机全0全0源地址本网络上的特定主机全0特定的目的地址环回地址127任意目的地址特殊IP总结课堂练习请写出175.119.32.35网络地址，并写出该网段的直接广播地址、受限广播地址。类网络地址网络数A10.0.0.01B172.16.0.0~172.31.0.016C192.168.0.0~192.168.255.0256D、私有IP地址下表网段的IP地址为网络中的私有IP地址，使用这些地址不用申请（IANA），任何人都可以使用。同时由于属性私有，这些IP地址不会出现在公网中。（1）划分子网的原因A、IP协议的路由机制要求，同一个物理网络的主机必须具有相同的网络地址；B、两级的地址机制下A类网络可容纳1600多万台主机，B类网络可容纳6万台主机，主机数量远远超过了现实物理网的规模，势必造成IP地址的浪费。

采取何种机制能使网段中的地址数量能够匹配物理网络中实际包含的主机？3、子网划分32比特网络部分（网络号）主机部分（主机号）子网部分（子网号）网络部分（网络号）主机部分（主机号）两级地址结构三级地址结构（2）子网划分的方法：增加“子网号”，将两级IP地址变为三级IP地址，这种方法称为“子网划分”。举例将B类地址的16bit主机号，划分8bit出来作为子网号，则可以生成256个子网地址空间，每个子网地址空间包含256个IP地址。32bit网络部分（网络号）主机部分（主机号）子网部分（子网号）网络部分（网络号）主机部分（主机号）两级地址结构三级地址结构16bit16bit16bit8bit8bit

（3）子网掩码29无子网划分时，确定一个IP地址的网络号的方法是：确认IP地址属于哪类地址？得到地址类型后，将主机部分全置0，及得到网络号。采取子网划分后打破了IP地址的分类，如何确认一个IP地址的网段号和主机号？网络部分主机部分子网部分IP地址子网掩码11111111111111111111111100000000子网掩码是一个与IP地址一样长的32bit序列，其中“1”对应IP地址中的网络部分，“0”对应主机部分。子网掩码的两种表示方法：点分十进制：与IP地址表示方式相同如：172.168.1.1255.255.255.192斜杠表示：斜杠后的数字表示1个个数如：172.168.1.1/26（4）网络地址的计算方法IP地址子网掩码网络地址(二进制)网络地址192.168.1.0/28

255.255.255.24011111111111111111111111111110000

192.168.1.71100000010101000000000010000011111000000101010000000000100000000IP地址为:192.168.1.7掩码28位已知IP地址和子网掩码，网络地址就是IP地址的二进制和子网掩码的二进制进行“与”的计算（5）子网主机数量计算IP地址为：192.168.1.100/28（28=255.255.255.240）该子网掩码二进制表示为：11111111，11111111，11111111，1111000028bits

网络位4bits主机位主机总数为：24可用主机数为:24-2为什么可用主机数量要减2？（6）子网网络数量计算IP地址为：192.168.1.100/28（28=255.255.255.240）该子网掩码二进制表示为：11111111，11111111，11111111，1111000028bits

网络位4bits主机位子网总数为：24

-2为什么生成的子网数要减2？（7）子网规划规划步骤：确定需要划分的子网数量；根据子网数量，确定子网部分所需的位数。设子网数量为m，则所需掩码位数n为满足2n>=m+2的最小值；网络号和子网部分都置1，主机部分置0就得到子网掩码；判断子网掩码的主机位数，能否满足主机数量的需求；确定每一个子网的地址范围。定长子网掩码子网划分就是子网规划，规划时如果各子网的子网掩码中的1的个数相同，就是定长子网掩码方法。子网规划举例某机构有C类地址200.68.10.0，需划分6个子网，每个子网28台主机。按以上要求划分子网。子网数量6；按照公式2n>=m+2计算n，其中m=6，得到n=3；子网掩码的位数为：24+3=27，即27个连续的1：11111111111111111111111111100000点分十进制：255.255.255.224；子网地址第1字节第2字节第3字节第4字节200.68.10.011001000010001000000101000000000200.68.10.3211001000010001000000101000100000200.68.10.6411001000010001000000101001000000200.68.10.9611001000010001000000101001100000200.68.10.12811001000010001000000101010000000200.68.10.16011001000010001000000101010100000200.68.10.19211001000010001000000101011000000200.68.10.22411001000010001000000101011100000子网地址子网掩码长度为3，主机位为5，计算25=32，满足主机数量的要求；确定可用子网的地址范围子网地址子网掩码主机起始地址主机结束地址200.68.10.32255.255.255.224200.68.10.33200.68.10.62200.68.10.64255.255.255.224200.68.10.65200.68.10.94200.68.10.96255.255.255.224200.68.10.97200.68.10.126200.68.10.128255.255.255.224200.68.10.129200.68.10.158200.68.10.160255.255.255.224200.68.10.161200.68.10.190200.68.10.192255.255.255.224200.68.10.193200.68.10.222练习某公司分配到C类地址201.222.5.0。假设需要12个子网，每个子网有10台主机，如何划分子网？1)201.222.5.0--201.222.5.152)201.222.5.16--201.222.5.313)201.222.5.32--201.222.5.474)201.222.5.48--201.222.5.635)201.222.5.64--201.222.5.796)201.222.5.80--201.222.5.957)201.222.5.96--201.222.5.1118)201.222.5.112--201.222.5.1279)201.222.5.128--201.222.5.14310)201.222.5.144--201.222.5.15911)201.222.5.160--201.222.5.17512)201.222.5.176--201.222.5.19113)201.222.5.192--201.222.5.20714)201.222.5.208--201.222.5.22315)201.222.5.224--201.222.5.23916)201.222.5.240--201.222.5.255（8）变长子网掩码14台主机14台主机60台主机2个地址2个地址某机构获取C类地址网段200.69.11.0，为满足网络组网要求，需要对此C类网段进行子网划分，网络中的主机数量分别为60、14、14：规划分析根据组网拓扑图分析，共需划分5个子网。根据公式2n>=m+2得到子网掩码的位数为3；每个子网可用主机数量为25-2=30，不能满足规划要求。但整个网络需要的IP地址总数为2+2+14+14+60=92，一个C类地址却不够分配，原因在哪里？分析：对于各子网中，地址需求数量相差悬殊的网络，采取定长子网掩码划分子网，会造成IP地址的巨大浪费。变长子网规划最大的子网需要60个IP地址，主机部分需要6bit，网络号只能分配2bit，这样C类地址空间被分为了4部分，每部分含62个主机地址，满足最大子网需求6262626200011011起始地址终止地址网段号掩码变化202.69.11.0202.69.11.63202.69.11.0/2600202.69.11.64202.69.11.127202.69.11.64/2601202.69.11.128202.69.11.191202.69.11.128/2610202.69.11.192202.69.11.255202.69.11.192/26111414141400011011剩余两个子网地址需求是14，主机部分需要4bit，网络号可分配4bit，选取剩余的202.69.11.128/26网段再做子网划分，增加两位子网掩码将此地址空间分为4份，每个地址空间可用IP地址14个起始地址终止地址网段号掩码变化202.69.11.128202.69.11.143202.69.11.128/281000202.69.11.144202.69.11.159202.69.11.144/281001202.69.11.160202.69.11.175202.69.11.160/281010202.69.11.176202.69.11.191202.69.11.176/281011222200011011对于路由器对接的两个子网，每个网段只需要2个IP，因此主机部分只需要2bit，网络号为6bit,选取剩余的202.69.11.176/28网段再做子网划分，增加两位子网掩码将此地址空间分为4份，每个地址空间4个IP地址起始地址终止地址网段号掩码变化202.69.11.176202.69.11.179202.69.11.176/30101100202.69.11.180202.69.11.183202.69.11.180/30101101202.69.11.184202.69.11.187202.69.11.184/30101110202.69.11.188202.69.11.191202.69.11.188/30101111最终的变长子网掩码划分方案子网地址子网掩码子网号202.69.11.64255.255.255.192（/26）01202.69.11.144255.255.255.240（/28）0101202.69.11.160255.255.255.240（/28）0110202.69.11.180255.255.255.252（/30）011101202.69.11.184255.255.255.252（/30）01111062141422最终地址空间分配版本首部长度服务类型总

长

度

标

识

标志

段

偏

移

生存时间TTL协

议

首

部

检

验

和

源

站

IP地

址目

的

站

IP地

址

填充数

据...比特IP数据报的格式可变长度20个字节固定长度长度可变的选项字段IP数据报格式048161924314、IP分组版本：4bit，定义IP协议的版本号，IPv4取值为4，IPv6取值为6；首部长：4bit，定义IP分组首部的长度，以4B为单位，当没有首部选项时首部长20B，字段取值为5；服务类型：8bit，定义了最小时延、最大吞吐量等服务类型，但现实网络中并不支持这些定义；总长度：16bit，定义以字节为单位的IP分组的长度，包含分组首部和数据字段，因此IP分组的最大总长度为65535（216-1）个字节；46生存时间：8bit，定义IP分组在网络中允许存在的时间，该字段实现跳数限制，分组每经过一个路由器值减1，当值为0时，路由器丢弃该分组；协议：8bit，定义IP封装的高层协议，如ICMP（1）、TCP（6）、UDP（17）；首部校验和：16bit，定义首部的校验和的值；计算时先将此字段置0；然后将首部按两字节（16bit）划段；按照二进制反码求和，结果取反码即得字段值；源IP地址：32bit，源站IP地址；目的IP地址：32bit，分组目的站的IP地址；选项：可选部分，根据实际需求增加的字段。47IP首部分析485、分片（1）最大传输单元（MTU）任何一个物理网络的数据链路层都有其自己的帧格式，在帧格式中规定了一个物理帧中允许传输数据量的上限值，这个上限值称作网络最大传输单元MTU（MaximumTransferUnit）。如：以太网的MTU为1500BFDDI的MTU为4352BIP分组的最大长度为65535B，远远大于大多数物理网的MTU，因此IP分组交由下层物理网传送时需要分片。49（2）分片的概念分组首部数据（1480字节）数据（600字节）分片首部1数据（600字节）分片首部2数据（280字节）分片首部3分片就是把原始IP分组中的数据部分分为几部分，每个分组首部除了标志字段中的一位外，复制原始分组的首部。（2）分片的概念51IP首部中与分片相关的字段：标识：16bit，IP分组的标识。当IP分组需要分片时，标识被复制到各个分片的IP分组中。在目的站重组时，标识相同的IP分组重组到一个分组中；标志：3bit，只有最低2位有意义：最低位MF，当MF=1时表示还有分片；MF=0时，表示是最后的分片中间位DF，DF=1时IP分组不能被分片，DF=0时，标识可以分片片偏移：13bit，分片在原始分组中的相对位置。片偏移以8个字节为单位计数。（3）分片协议分析-152（3）分片协议分析-253（3）分片协议分析-354（4）分片过程举例5556经过路由器IP分组名称相关字段总长度标识MF片偏移数据范围从R1进入分组分组1302012345000~2999从R1转发的分组分片11122012345100~1199分片1212201234511501200~2399分片136201234503002400~2999从R2转发的分组分片11122012345100~1199分片136201234503002400~2999从R3转发的分组分片1216201234511501200~1799分片1226201234512251800~2399从R4转发的分组分片1216201234511501200~1799分片1226201234512251800~2399（3）重组57IP协议将标识相同的分片按照片偏移顺序排队，只保留第一个分组的首部，组装成一个完整的IP分组，并重新计算分组总长，填入总长度字段，即完成IP重组过程。二、下一代IP（IPv6）581、IPv6产生的背景IPv4诞生于20世纪70年代，随着计算机网络的迅速发展，IPv4在地址空间、信息安全和区分服务的个方面暴露出明显缺陷；IPv4地址耗尽，2011年2月3日IPv4地址分配机构ICANN已宣布IPv4地址已经分完；IPv4地址总数为42.9亿个（232

），全球按照70亿人计算，人均不到1个。IPv4地址分配很不公平，中国网民占全球网民总数的25%，但IPv4地址不到10%；而北美占有IPv4地址3/4。IPv4对各种多媒体业务的支持不足以及网络安全性问题日益突出。59IETF1992年提出了下一代IP标准IPv6。IPv6在IP地址空间、路由协议、安全性、移动性以及服务质量（QoS）支持等方面做了较大的改进。更大的地址空间：IPv6采用128bit地址，地址空间增大了296倍，IPv6地址总数3.4*1038（2128）,地址总数是IPv4的7.9*1028倍，全球人均4.8X1028个地址扩展的地址层次结构：IPv6地址空间很大，可划分更多的层次结构，便于路由聚合；支持资源预分配：提供对流媒体的带宽、时延保证；灵活地首部格式：IPv6定义许多可选首部，提供更多的功能，可选首部与基本首部分开，并可提高路由器效率；更高的安全性：IPv6将IPSec协议嵌入到基础的协议栈中，通信的两端可以启用IPSec加密通信的信息和通信的过程。2、IPv6地址的表示（1）冒号十六进制表示法

IPv6长度为128bit，采用冒号十六进制表示法。128

bit被划分为8段，每段16bit，并用4个十六进制数表示，段与段之间用冒号分隔。FACC：B998：0056：0000：0000：0000：AAEE：BBCC60（2）零压缩优化技术考虑到IPv6地址中会出现许多0的情况，IPv6采用零压缩方法进一步减小地址的表示长度。如有连续的几个段仅包含0,则可将所有全0段移去，用两个冒号标识；可忽略每段开始的0；一个IPv6地址只能用一次全0段的压缩；如：FACC：B998：56：：AAEE：BBCCIPv4转换成IPv6地址的方式是在IPv4地址前增加96个0，采用零压缩后，大大缩减了IPv4地址在IPv6地址系统中的表示

61（3）地址类型IPv6定义了3类地址：单播地址（Unicast）：标识单个接口，在网络中唯一，发送给单播地址的分组必须交付到一个唯一的接口；多播地址（Multicast）：标识零个或多个接口，发送给多播地址的分组，必须交付给组中所有接口；任播地址（Anycast）：标识指定给一个或多个可能属于不同节点的网络接口。发送给任播地址的分组，只交付给距离源站路由距离最近的一个接口上。62（4）地址结构63可变长度可变长度128比特类型前缀地址的其余部分IPv6的128bit地址由两部分构成第一部分是可变长的类型前缀，定义地址的使用类型；第二部分是地址的其余部分。3、单播地址64IPv6中定义了以下几类单播地址：可聚合全球单播地址、本地单播地址、特殊地址、兼容地址。（1）可聚合全球单播地址前缀为001，是一个全球地址，可在全球范围内路由、可达，等同IPv4的公网IP地址；该地址可聚合，从而产生一个有效的Internet路由结构。001TLA标识保留NLA标识SLA标识接口标识网络部分（48bit）子网部分（16bit）接口部分（64bit）65TLA（Top-LevelAggregation）顶级聚合标识：13bit，由Internet地址授权机构分配给地区Internet注册机构；由地区机构分配给大的、永久的ISP；保留：8bit，目前未使用；NLA（Next-levelAggregation）下一级聚合标识：24bit，分配给下一级ISP；SLA（Site-LevelAggregation）,16bit,网点聚合标识，本地区分不同的子网接口标识：64bit，标识子网上的接口。66（2）本地单播地址本地使用，有两种类型：本地链路地址：FE80开头，同一链路相邻节点之间通信，自动进行配置，等价于IPv4地址中的169.254.0.0/16，该地址不会转发到其它链路；本地网点地址：FEC0开头，类似于IPv4中的私有地址，使用该地址的分组不会被转发到其它网络。10bit54bit64bit1111111010全0接口标识本地链路地址10bit38bit16bit64bit1111111011全0子网标识接口标识本地网站地址67（3）特殊地址IPv6中有两个特殊地址：不指明地址：一个全0的地址（即：：），若主机不知道自己的地址，使用这个地址发送查询请求。环回地址：即：：1，相当于IPv4中的127.0.0.1，用于网络环回测试。68（4）兼容地址兼容地址用于IPv4和IPv6共存的网络中，解决地址兼容问题。针对两种不同的情况可采用兼容地址、映射地址两种格式。场景1：IPv6站发往IPv6站，但分组需要经过IPv4网络。源站使用兼容地址才能通过IPv4网络8bit88bit32bit兼容地址00000000全0IPv4地址8bit72bit16bit32bit映射地址00000000全0全1IPv4地址场景2：IPv6站发往IPv4站。源站需要把IPv6地址映射为IPv4地址。69（5）多播地址IPv6的多播地址和IPv4一样，实现一点对多点的网络通信。8bit4bit4bit112bit多播地址11111111标志范围群组标识第一个字段：8bit，全1表示一个多播地址；标志：4bit，值为1表示一个永久多播地址；值为0表示一个临时多播地址；范围：4bit，表示多播地址的有效范围；群标识：121bit，标识不同的多播地址群组。4、IPv6分组格式70可选基本首部扩展首部1…扩展首部n数据（1）IPv6分组的一般结构IPv6分组由基本首部、零个或最多6个扩展首部和数据组成。基本首部长度固定为40B。（2）IPv6基本首部格式71版本通信量等级流标号有效载荷长度下一个首部跳数限制源地址目的地址与IPv4相比IPv6减少了字段数目：无协议字段，在下一首部字段说明上层协议；无分片相关字段，IPv6由源站分解过大的分组；无首部校验和字段，目前网络的可靠性很高，省略此字段。72版本：4bit，IPv6字段值为6，IPv4字段值为4；通信量等级：8bit，定义当发生拥塞是，每一个分组相对于同源站的其他分组的优先级；IPv6把通信量分为两类：有拥塞控制的通信量定义等级0~7，当网络出现拥塞时，源站可降低发送的通信量，此类分组可延迟到达、丢弃或不按序接收；无拥塞控制的通信量定义等级8~15，当网络出现拥塞时，源站无法降低发送的通信量。73流标号：20bit，为需要网络预留资源的实时分组流进行标识；流：IPv6中源地址和流标号的组合唯一定义一个流，一个分组流包含了互联网上的一条路径及其上的路由器，路径上的路由器需要为流传输预留相应的资源（如带宽、缓存等），以此保证流传输的QoS。74有效载荷长度：16bit，定义IP分组除基本首部外的长度（数据+扩展首部）；下一个首部：8bit，定义分组中跟随在基本首部后面的首部，可能为扩展首部，也可能为上层协议首部；跳数限制：8bit，和IPv4的TTL目的一样；源地址：128bit，分组的源地址；目的地址：128bit，分组的目的地址。（3）扩展首部格式75基本首部后增加了最多6个扩展首部，分别是逐跳选项、源路由选择、分片、鉴别、加密的安全有效载荷和目的站选项。8bit8bit下一个首部首部长度一个或多个选项下一个首部：8bit，给出下一个首部的类型；首部长度：8bit，给出此首部长度。一个或多个选项：可变长度，给出一个或多个选项，如逐跳选项、目的站选项、源路由选择、分片等。（4）IPv6报文分析765、IPv4向IPv6的过渡77IPv