第5章 网络互联协议TCPIP

第5章网络互联协议TCP/IP要点：1、IP数据包报文格式2、IP地址的表示和分类前言网络互联的两大要素：1.物理连接

包括：传输介质、互联设备等硬件设置

物理连接建立了网络设备之间信息通信的物理通道。2.互连协议

互连协议保证了各种不同类型的计算机系统和各种不同类型的网络能够互相连接、具有共同的语言、实现数据通信。3Message（报文）Segment（段）Packet（分组）Frame（帧）Bit（比特）TCP/IP协议栈PDU应用层传输层网际(网络互联)层网络接口层(数据链路层+物理层)TCP/IP模型回顾5.1TCP/IP协议簇SMTPFTPTFTPTelnetHTTPSNMPDNSotherTCPUDPNVPIPICMPOSPFRIPBGPARPRARP以太网802.3令牌网802.5FDDIFrameRelayX.25无线LAN其他应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层传输层网络互联层网络接口层5.1.1网络接口层协议该层所用协议为各通讯子网本身所固有的协议。如：以太网IEEE802.3

令牌环IEEE802.5等5.1.2网络互联层（网际层）协议IP协议：固定了统一的数据包格式，消除了各通信子网的差异。封装IP数据包；

路由选择

数据转发ARP协议和RARP协议ICMP协议：路由选择协议:RIP，OSPF（内部路由协议）BGP（外部路由协议）5.1.3传输层协议TCP协议（传输控制协议）：面向连接UDP协议（用户数据报协议）：无连接5.2网络互联协议IPIP协议的主要功能：1.无连接的数据包（Package)传送2.数据包寻径3.差错控制IP协议的主要内容：1.IP报文格式2.IP报文的地址（IP地址）及其分配方法3.IP报文的路由选择和数据转发4.IP报文的分段和重组5.2.1IP数据包的报文格式版本号头长度服务类型总长度标识符标志段偏移值生存时间协议类型头校验和源IP地址目的IP地址可选项（0或多个）填充（可选）数据（0~64K）03478151631数据包头20字节32bit/8=4字节5.2.2IP数据包的转发过程5.2.3数据包寻径5.2.4IP数据包的封装分段和重组5.3Internet地址IP地址用来标识互联网上主机或路由器等网络接口的逻辑地址。唯一性：互联网内地址的唯一性保证专门组织分配性：网络信息中心（NIC）IP地址的三种表示方式:由32位二进制组成，分为4个部分，每部分一个字节。1）二进制形式：10000010001110010001111000111000

2）16进制形式：82391E383）点分10进制：6注意：1)熟练掌握二进制

2)要熟练掌握三种表示形式之间的转换IP地址的作用示例网络接口:

用于连接主机与路由器之间的物理链路：路由器有多个接口主机可能有一个，也可能有多个接口IP地址只与设备的网络接口有关147=110111110000000100000001000000012231115.3.1分层的IP地址编址方案编址方案示例：1.不分层编址方案（身份证编址办案）优点：可以给出大量的地址，身份证大约1810缺点：每个地址唯一，不适合路由器寻径（路由器需保存每个机器的地址）2.分层的编址方案（电话号码编址、IP地址编址方案）

电话号码：（国家号）（区号）（电话号）

例如：（+86）（0512）（67001000）IP地址：（网络地址）（主机地址）注意：IP地址表示形式的含义。IP地址分层结构示例IP地址包括2个部分:

网络地址（网络号）主机地址（主机号）网络是什么?

（从IP地址的视角）具有相同网络地址的设备接口，或不经过路由器就可以物理上相互通达的设备167由3个IP网络组成的互联网(对于以223开头的IP地址，前24位

为网络地址)LANIP网络地址的分类为讨论“网络”的说法，重新审视IP地址：“分类”编址：17to55to55to55to55Range0NetID10110NetID1110MulticastAddressHostIDNetIDHostIDHostIDClassABCD8bits8bits8bits8bits最大网络数=27-2=126最大主机数=224-2=16777214最大网络数=214=16384最大主机数=216-2=65534最大网络数=221=2097152最大主机数=28-2=254三类网络地址类别格式前导位网络地址第一字节范围最大网络数网络的最大节点数ANet.Node.Node.Node01~12712716777214BNet.Net.Node.Node10128~19116,38465534CNet.Net.Net.Node110192~2232097152254A类网络：第一字节为网络地址，其余三个字节用于节点地址例如：049为网络地址22.102.70为节点地址A类网络最多可以有128个（=27。由于前导位固定为0，所以一共有7位可以使用）此外，全0（00000000）网络地址保留做特殊用途（后面介绍保留地址）。所以A类网络的最大网络数=128-1=127个。另外，A类网络中的最后一个（第一字节=127的)网络地址，也是保留地址。所以A类网络共有128-2=126个A类网络有三个字节用于及其的节点地址，共有224（=16777216）个唯一的组合。注意：全1和全0是保留地址所以是224-2

=16777214个节点地址可用。B类和C类网络以此类推。D类和E类不对节点进行分配。保留的IP地址以下这些IP地址具有特殊的含义:

1900...000000...000011...111111...1111本机本网中的主机局域网中的广播回路(Loopback)00...00主机号1111...1111网络号127任意值0000...0000网络号对指定网络的广播网络地址一般来说，主机号部分为全“1”的IP地址保留用作广播地址；主机号部分为全“0”的IP地址保留用作网络地址。5.3.2划分子网为什么要划分子网？IP分类不合理，地址空间利用率低美国的某些机构拥有的地址空间甚至比其他一些国家的全部地址空间还大每个网络都指定一个网络地址将使路由表太大增加了路由器成本查找路由耗时增加路由器之间交换的路由信息增加两级IP地址不够灵活不能充分利用已申请到的地址资源扩充新的网络如何在现有的地址范围中建立多个网络？20划分子网（Subnetting）又称子网寻址或子网路由选择方法：从IP地址的主机编号部分“借用”若干位作为子网编号主机编号部分相应缩短例如：原来的网络：借用2位划分子网后：和

子网的特点：多个子网可以运行在同一物理网络上。划分子网后，原来的网络对外仍呈现为一个完整的网络，外面看不见其内部的子网结构。即：划分子网完全是该网络内部的事务，与外部无关。210000101000000101

xxxxxxxxxxxxxxxx网络号主机号子网1：0000101000000101

01

xxxxxxxxxxxxxx网络号

子网号主机号子网2：0000101000000101

10

xxxxxxxxxxxxxx网络号

子网号主机号子网掩码子网掩码的作用使网络内的计算机了解子网划分的结构使路由器了解子网划分的结构子网掩码的格式子网掩码也是32bit长的二进制数，由一串连续的1后跟一串连续的0组成；前面的1与网络号和子网号对应，后面的0与主机号对应。如前面的例子：子网结构为：0000101000000101

ss

xxxxxxxxxxxxxx子网掩码为：1111111111111111

11

xxxxxxxxxxxxxx

写成十进制数为：22不划分子网时，各类IP地址默认的子网掩码为：A类：B类：C类：已知IP地址和子网掩码，如何计算子网地址？用子网掩码和IP地址“相与”（AND操作），结果就是子网地址。例如：IP地址，子网掩码。则可计算出的子网地址为

00001010000001010110010000000001()AND)11111111111111111100000000000000()00001010000001010100000000000000(=)23推论：若两个IP地址具有完全相同的子网地址，则它们在同一子网中。按位“逻辑与”操作00110101---------------------------000124Subnet110.5.64.xSubnet210.5.128.x路由器两个子网之间的通信必须通过路由器才能实现，但物理连接不一定非要通过路由器，子网可以运行在同一物理网络上。在一个物理网络上运行多个子网25子网1的主机子网2的主机划分子网后，网络对外仍是一个网络26网络

所有目的地址为10.5.x.x的分组均到达此路由器.....3子网.1.2.3子网.4Q.

如何在网络拓扑图中找出所有的网络?拿掉路由器；整个网络形成了若干个“被隔离的网络孤岛”；每个“孤岛”就是一个网络。Q:右图中1）包含了几个网络？2）每个网络的子网地址分别是什么？(假定网络掩码为)277IP地址相关应用例：已知IP地址回答下列问题：1）写出IP地址的另外两种表示形式10100000000100100001100000000101A01218052）该地址属于哪类网络？前导10属于B类3）写出网络地址和主机地址？

3）写出没有划分子网时的子网掩码？5）若将该网络划分为3个子网，子网掩码为何？

11111111111111111100000000000000(3=11，需要占两位）

即（192=27+26=128+

62)5）写出3个网络的主机地址区间1)第一子网子网号00开始101000000001001000000000

00000001

结束101000000001001000111111

11111110542）第二子网子网号01开始：101000000001001001000000

00000001

结束：

101000000001001001111111

11111110543)第三子网子网号11开始：结束6）与没有添加子网相比，节点地址损失了多少个？5.4ARP和RARPARP协议：地址解析协议(AddressResolutionProtocol),位于TCP/IP协议簇的网际层（网络互连层）。ARP的主要功能：提供从IP地址向MAC地址的映射，即IP地址识别。即TCP/IP协议使用ARP来实现从IP地址到MAC地址的动态转换。ARP协议建立和维护了一个IP地址到MAC地址的转换表，即ARP高速缓存表。表中存有IP地址到MAC地址之间的映射关系等内容。ARP的应用：在任何一台联网设备中（包括路由器，交换机、主机等）都存放着一个ARP表。当设备刚启动时，ARP表是空的。当通过ARP请求及响应，得到目的端主机的MAC地址时，响应的网路设备就会将该IP地址与MAC地址的对应关系写入ARP表。下次再访问该机时，就可以从ARP表中直接查到它的MAC地址。ARP数据包根据接收对象不同，可分为两种：1．广播包（Broadcast）。广播包目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF，交换机设备接收到广播包后，会把它转发给局域网内的所有主机。２．非广播包（Non-Broadcast）。发送非广播包后只有指定的主机才能接收到。ARP数据包根据功能不同，也可以分为两种：１．

ARP请求（ARPRequest）。ARP请求包的作用是用于获取局域网内某IP对应的MAC地址。２．

ARP应答（ARPReply）。ARP应答的作用是告知别的主机，本机的IP地址和MAC是什么。广播的一般都是ARP请求，非广播的一般都是ARP应答假设局域网内有以下两台主机：

主机名ＩＰ地址ＭＡＣ地址

Ａ

AA-AA-AA-AA-AA-AA

Ｂ

BB-BB-BB-BB-BB-BB当主机Ａ需要与主机Ｂ进行通讯时，1）它会先查一下本机的ARP缓存中，有没有主机Ｂ的MAC地址。2）如果有就可以直接通讯。3）如果没有，主机Ａ就需要通过ARP协议来获取主机Ｂ的MAC地址。ARP协议通讯过程：具体做法：相当于主机Ａ向局域网内所有主机喊一嗓子：“喂～谁是？我是，我的MAC地址是AA-AA-AA-AA-AA-AA。你的MAC地址是什么”，这时候主机Ａ发的数据包类型为：广播－请求。当主机Ｂ接收到来自主机Ａ的“ARP广播－请求”数据包后，它会先把主机Ａ的IP地址和MAC地址对应关系保存／更新到本机的ARP缓存表中，然后它会给主机Ａ发送一个“ARP非广播－应答”数据包，其作用相当于告诉主机Ａ：“嘿，我是，我的MAC地址是B