计算机网络第4章网络层与IP协议

第4章网络层与IP协议网络层的主要功能IPv4协议内容、分组格式、路由技术。IP组网技术、路由器的工作原理。ARP协议与地址解析ICMP协议与作用移动IP协议工作原理4.1IPv4协议的演变与发展1.IPv4协议的研究背景4.1IPv4协议的演变与发展2.IPv4协议规定：IP分组格式、IP地址标准分类、分组交付方式不变：分组头结构基本定义变化：IP地址处理方法、分组交付路由算法、路由协议4.2IPv4协议的主要特点一种无连接、不可靠的分组传送服务协议（尽力而为服务）。不维护分组发送后任何状态信息，每个分组传输相互独立不保证可靠，不丢失、按序点—点的网络层通信协议两个主机之间通信有条路径（由多个路由器和点—点链路组成为传输层屏蔽了物理网络的差异。掩盖各种不同物理网和协议差异性（实现异构互联）4.2IPv4协议的主要特点4.3IPv4地址结构4.3.1IP地址概念与地址划分方法4.3.2标准分类IP地址1．网络地址的概念名字、地址与路径连续地址编址方法与层次地址编址方法物理地址与逻辑地址（不同层次看地址）IP地址与网络接口4.3.2标准分类IP地址1．网络地址的概念IP地址特点：一种非等级的地址结构（不能反映主机位置地理信息）。所有分配的IP网络彼此都是平等的。连接到互联网的每一条主机或路由器都有一个IP地址。原则上，互联网上任何两台主机/由器都不会有相同IP地址。与网络接口相关联（为每个接口分配一个IP地址）。4.3.2标准分类IP地址网络接口与IP地址的关系4.3.2标准分类IP地址2．IP地址的点分十进制表示法地址长度：32位，用点分十进制（x.x.x.x）表示（x=0~255）3．标准IP地址的分类4.3.2标准分类IP地址3．标准IP地址的分类网络类别网络标识第1字节网络地址长度主机地址长度最大网络数最大主机数适用范围二进制十进制A00xxxxxxx1–1261字节3字节12616,777,214大型网络B1010xxxxxx128–1912字节2字节1638365534中型网络C110110xxxxx192–2233字节1字节2097151254小型网络D11101110xxxx224–239多播传送E111011110xxx240-247保留IP地址分类表4．特殊IP地址网络标识主机标识意义全0全0代表本网络上的本主机全0主机号代表本网络上的某个主机网络号全0代表指定的一个网络全1全1只限本网络上进行广播（受限广播地址）网络号全1对网络号上所有主机进行广播（直接广播地址）127用作本地循环测试（loopbacktest）4.3.2标准分类IP地址5．专用IP地址类别网络号总数A101B172.16~172.3116C192.168.0~192.168.2552564.3.3划分子网的三级地址结构1.子网的概念将网络划分成多个部分（仅内部使用），外网仍是一个整体。需要强调：子网划分纯属本单位内部事，单位以外看不到这种划分从外部看，该单位仍只有一个网络号外面分组进入本单位内网，由路由器根据子网号进行选路，最后找到内部主机。4.3.3划分子网的三级地址结构2．子网的地址结构与划分方法三级地址结构：网络号-子网号-主机号4.3.3划分子网的三级地址结构3．子网掩码的概念从IP地址中提取子网方法一个B类地址划分为64个子网的例子4.3.3划分子网的三级地址结构4．子网规划、地址空间划分方法（示例）一个B类网络（156.26.0.0）进行子网划分，有大约210子网需求规划方案：取子网号长度=8bit（28-2=254），满足要求子网掩码为：255.255.255.0。根据以上划分方案，网络可用的IP地址为：子网1：156.26.1.1~156.26.1.254子网2：156.26.2.1~156.26.2.254子网3：156.26.3.1~156.26.3.254……子网254：156.26.254.1~156.26.254.2544.3.3划分子网的三级地址结构5．可变长度子网掩码不等分的子网划分4.3.4无类别域间路由CIDR1．无类别域间路由概念不限制于标准分类（A/B/C）的地址结构，而是根据对地址管理需要灵活决定（使用可变长度子网掩码）特别注意：不采用固定分类方法，采用新的IP寻址和路由选择机制（地址块为基础），解决标准分类子网划分地址浪费现象相比传统标准分类方式，CIDR不以固定大小地址块分配地址，而是以任意二进制倍数的大小分配地址。网络掩码采用：“IP地址/掩码”4.3.4无类别域间路由CIDR2．CIDR的应用IP地址汇聚效果校园网地址 200.24.16.0/20 11001000000110000001000000000000计算机学院地址 200.24.16.0/23 11001000000110000001000000000000数学学院地址 200.24.18.0/23 11001000000110000001001000000000

物理学院地址 200.24.20.0/23 11001000000110000001010000000000化学学院地址 200.24.22.0/23 11001000000110000001011000000000材料学院地址 200.24.24.0/23 11001000000110000001100000000000管理学院地址 200.24.26.0/23 11001000000110000001101000000000经济学院地址 200.24.28.0/23 11001000000110000001110000000000外语学院地址 200.24.30.0/23 110010000001100000011110000000004.3.4无类别域间路由CIDR2．CIDR的应用网络拓扑图4.3.4无类别域间路由CIDR2．CIDR的应用CIDR对应的掩码CIDR对应的掩码CIDR对应的掩码/8255.0.0.0/16255.255.0.0/24255.255.255.0/9255.128.0.0/17255.255.128.0/25255.255.255.128/10255.192.0.0/18255.255.192.0/26255.255.255.192/11255.224.0.0/19255.255.224.0/27255.255.255.224/12255.240.0.0/20255.255.240.0/28255.255.255.240/13255.248.0.0/21255.255.248.0/29255.255.255.248/14255.252.0.0/22255.255.252.0/30255.255.255.252/15255.254.0.0/23255.255.254.0常用掩码/前缀对照4.3.5专用IP地址与内部网络地址规划方法1.全局IP地址、专用IP地址全局/专用IP地址区别两种IP组网情况：将IP网络直接连接到互联网（使用外网地址）组建IP内部网络（不直接连接互联网），网内用户访问互联网受限全局IP地址需要申请，专用IP地址不需要申请。全局IP地址必须保证在互联网上是唯一的，专用IP地址在网络内部是唯一的，但在互联网中不唯一。4.3.5专用IP地址与内部网络地址规划方法1.全局IP地址、专用IP地址

为内网预留专用IP有3组：第1组：A类地址的1个地址块（10.0.0.0~10.255.255.255）。第2组：B类地址的16个地址块（172.16~172.31）。第3组：C类地址的256个地址块（192.168.0~192.168.255）。专用IP地址可能出现在不同校园网中，但不会出现在互联网上即使专用IP地址出现在互联网，路由器视为错误地址，而丢弃该分组4.3.5专用IP地址与内部网络地址规划方法2．内网专用IP地址规划方法通常使用A类专用IP地址块。理由：覆盖从10.0.0.0到10.255.255.255的地址空间，（子网号+主机号）总长度为24位，完全满足各种专用网需要地址特征比较明显。出现10.0.0.0到10.255.255.255地址块，易于识别，便于规划和管理B类16个专用地址块、C类的256专用地址块同样可以使用4.3.5专用IP地址与内部网络地址规划方法3．规划内网地址基本原则简捷。内网地址规划一定要简洁、清晰（不需要更多查询，就能推断在网络中大致位置）。便于系统扩展与管理。考虑容易实施、方便管理（适应未来发展，有很好扩展性）。有效的路由。应采用分级地址结构，减少路由器的路由表规模，提高路由与分组转发速度。4.3.6网络地址转换技术1．NAT基本概念解决IP地址短缺，有效快速补救办法四类应用领域：ISP、ADSL、有线电视地址分配移动无线接入地址分配需要严格控制的内部网络防火墙相结合4.3.6网络地址转换技术1．NAT基本概念使用NAT技术的结构4.3.6网络地址转换技术2．NAT的工作原理“一对一”（静态NAT）“多对多”（动态NAT）4.3.6网络地址转换技术3．对NAT评价违反IP地址结构模型设计原则（地址结构基础是每个IP均标识一个网络连接）由无连接变成有连接（维持专用/公用IP、端口号映射关系，互联网变脆弱）破坏TCP/IP分层结构原则（修改分组头）给P2P应用实现带来困难（破坏文件/语音共享机制）高层协议安全性有影响4.4IPv4分组格式4.4.1IPv4分组结构4B为基本单位前5行是基本头部基本长度是20B最大长度为60B4.4.2IPv4分组头格式（1）版本字段（4bit），4代表IPv4（2）协议字段（8bit），指明IP的高层协议类型协议字段值表示的高层协议类型值上层协议值上层协议1ICMP50ESP(IPSec)2IGMP51AH(IPSec)6TCP89OSPF8EGP41IPv617UDP4.4.2IPv4分组头格式（3）长度两个长度字段：分组头长度（4位）。最小值为5度（5×4=20B），最大值为15度（15×4=60B）分组总长度（16位），以字节为单位分组总长度（含头部）有效数据长度=分组总长度-分组头长度4.4.2IPv4分组头格式（4）服务字段（8bit），指示路由器如何处理分组）服务类型字段延迟D（delay）、可靠性R（reliability）吞吐量T（throughput）、成本C（cost）优先级字段分组传输时，需要网络提供优先服务重要服务信息处理等级高于一般服务信息处理等级4.4.2IPv4分组头格式（5）生存时间字段TTL（8位），跳数（分组寿命）避免分组在网络中无限循环、无休止转发。当TTL-1=0，丢弃分组（6）头校验和字段（16位），头部校验不负责数据校验降低延迟，提高效率（7）地址字段源地址（32位）目的地址（32位）4.4.3IP分组的分段与组装1．最大传输单元、IP分段相关字段：标识、标志、段偏移2．分段方法4.4.3IP分组的分段与组装3.标识、标志、段偏移字段DF：（0要分段；1不分段）MF：（0最后分段，1中间段）4.4.3IP分组的分段与组装3.标识、标志、段偏移字段关系4.4.3IP分组的分段与组装一个分段示例4.4.4IP分组头选项1．关于分组头选项视为分组头一部分≤40B（不足4B整数倍，用0填充）组成：选项码、长度、选项数据2．源路由严格源路由SSR（strictsourceroute）不能插入/改变路由，用于网络测试松散源路由LSR（loosesourceroute）未必是完整路径，中途可经过其他路由器4.4.4IP分组头选项3．记录路由记录分组经过的每个路由器IP地址用于网络测试4．时间戳记录分组经过每个路由器的本地时间（格林威治时间，毫秒ms）用于追踪路由器运行状态，分析网络吞吐量、拥塞情况、负荷等4.5路由选择算法与分组转发4.5.1分组转发、路由选择基本概念1．分组转发的基本概念默认路由器（网关），即第一跳路由器路由问题：路由转发、路由算法分组转发：直接转发（到达目的网络）间接转发（查找路由表转发）4.5.1分组转发、路由选择基本概念2．评价路由算法的依据①

算法必须是正确、稳定和公平的②

算法应该尽量简单③

算法必须能够适应网络拓扑和通信量的变化④

算法应该是最佳的4.5.1分组转发、路由选择基本概念3．路由选择主要参数①

跳数（hopcount），跳数越少，路径越好。②

带宽（bandwidth），链路传输速率③延时（delay），从源结点到达目的结点时间开销④负载（load），路由器单位时间通信量⑤可靠性（reliability），传输过程中误码率⑥开销（overhead），传输过程中耗费4.5.1分组转发、路由选择基本概念4．路由选择算法的分类采用表驱动的路由选择算法查表决定“下一跳路由”（走一步，看一步）路由算法分类①

静态路由选择（非自适应）②

动态路由选择（自适应，自动更新路由表）目的网络下一个路由器20.0.0.0直接转发30.0.0.0直接转发10.0.0.010.0.0.140.0.0.030.0.0.34.5.1分组转发、路由选择基本概念5．路由选择算法、路由表路由表：由路由选择算法创建、维护标准路由选择算法路由表二元组（N，R），N：目标网络地址，R：网络N的下一跳路由器地址4.5.1分组转发、路由选择基本概念5．路由选择算法、路由表子网路由选择路由表三元组（M，N，R），M：目标网络子网掩码子网掩码目的网络下一个路由器255.255..0.010.2.0.0直接转发255.255.0.010.3.0.0直接转发255.255.0.010.1.0.010.2.0.1255.255.0.010.4.0.010.3.0.3路由表建立路由表更新4.5.1分组转发、路由选择基本概念5．路由选择算法、路由表特殊路由默认路由：路由选择过程中，若路由表中没有明确指明到达目的网络的路由信息，则将该分组转发到默认路由指定的路由器地址特定主机路由：路由表是基于网络地址，但允许为一个特定的主机地址建立路由表项6．IP路由汇聚减少路由表项数量重要手段基于CIDR，网络前缀越长，主机地址数越少，寻址目的主机越容易。路由表项由（“网络前缀”、“下一跳地址”）组成。最短前缀匹配：路由选择具有最长网络前缀的路由6．IP路由汇聚路由器输出接口156.26.63.240/30S0（直接连接）156.26.63.244/30S1（直接连接）156.26.63.0/28S0156.26.63.16/28S1156.26.0.0/24S0156.26.1.0/24S0156.26.2.0/24S0156.26.3.0/24S0156.26.56.0/24S1156.26.54.0/24S1156.26.58.0/24S1156.26.59.0/24S14.5.2路由表建立、更新与路由协议1．路由协议基本思路采用分层思想，用“化整为零、分而治之”办法解决路由选择问题产生一个路由表，为转发IP分组寻找合理“下一跳”路由器地址实现对路由表信息的动态更新2．自治系统AS互联网由自治系统互联而成自治系统内路由选择：“自治”管理（大学、公司、部门等），它有权自主地定内部采用何种路由协议域内路由选择，自治系统内部的路由选择域间路由选择，不同自治系统之间的路由选择4.5.2路由表建立、更新与路由协议3．路由选择协议分类内部网关协议IGPAS内部使用的路由选择协议，与其他AS选用的路由协议无关路由信息协议RIP、开放最短路径优先协议OSPF外部网关协议EGP连接不同AS边界路由器之间交换路由信息，AS内部路由器之间通过IGP交换路由信息3．路由选择协议分类自治系统与IGP、EGP之间的关系4.5.3路由信息协议RIP1．向量距离路由算法算法思想：周期性向相邻路由器告知本地路由器可以到达的网络，以及到达该网络的距离（跳数）路由向量（V，D）中，V-该路由器到达的目的网络地址；D-代表距离（跳数）按照最短路径原则，刷新路由表4.5.3路由信息协议RIP1．向量距离路由算法初始化路由表只包含与该路由器有直接相连的路由信息，距离均为0（本地路由）更新路由表（若路由器X到目的网络Y的距离为n）若原路由表中没有到网络Y的表项，则增加一个到网络Y的表项。若原路由表中已有到网络Y的表项（到目的网络Y经过路由器Z距离为m），则只要m＞n＋l，都进行更新。否则不变。更新后的下一站路由器应为X4.5.3路由信息协议RIP1．向量距离路由算法路由表信息的更新过程4.5.3路由信息协议RIP2．路由信息协议RIP设置周期更新定时器，每隔30s在相邻路由器之间交换一次路由信息。如果接收到同一网络有多条距离相同的路径，将按照“先入为主”原则，取用第一条路径信息（直到该路径失效，或被更短路径取代）。根据向量距离路由选择算法，当有开销小的路径出现时，修改表中路由记录，否则一直保持下去。每个路由表项设有超时定时器，在路由表项被修改时开始计时，若180s后没有收到刷新信息时，表示该路径已经出现故障，将该项纪录置为“无效”（不删除该项路由记录）。4.5.4最短路径优先协议OSPF1．OSPF协议主要特点使用链路状态协议（非RIP的向量距离路由协议）。路由器周期性地发送链路状态信息，AS内所有路由器都能形成链路状态数据库（可用端口、已知可达路由、链路状态信息）。在链路状态发生变化时，用泛洪法向所有路由器发送该信息（RIP仅向相邻路由器通报）。路由器之间交换链路状态信息有：费用、距离、延时、带宽等4.5.4最短路径优先协议OSPF2．主干区域、区域主干区域：由主干路由器组成区域：通过区域边界路由器与主干路由器连接（接入主干区域）自治系统内部结构4.5.4最短路径优先协议OSPF3．OSPF协议的执行过程AS划分为多个区域的结构4.5.4最短路径优先协议OSPF3．OSPF协议的执行过程计算最短路径的拓扑图4.5.4最短路径优先协议OSPF3．OSPF协议的执行过程根据最小开销计算方法得出的最短路径

以R8为根的最短路径树4.5.4最短路径优先协议OSPF3．OSPF协议的执行过程4.5.5外部网关协议BGP1．BGP基本思想不同AS路由器之间交换路由信息考虑安全、经济方面因素，寻找较好的路由，而不是最佳路由采用路径向量路由协议（不同于RIP、OSPF协议）每个AS至少有一个路由器作为该AS的“BGP发言人”。4.5.5外部网关协议BGPBGP发言人与AS关系4.5.5外部网关协议BGPAS的树形结构4.5.5外部网关协议BGP2．BGP协议的工作过程（1）边界路由器初始化过程（2）BGP协议分组数据打开分组。用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系。更新分组。发送路由信息，列出要撤销多条路由。保活分组。确认打开分组、周期性地证实相邻边界路由器存在。通知分组。用来发送检测到的差错4.5.6路由器与第三层交换技术1．路由器的主要功能建立、维护路由表路由表数据库、网络路由状态数据库定期与其他路由器交换地址信息，自动更新路由表提供网络间分组转发功能检查分组源地址和目的地址根据路由表相关信息，决定分组转发给哪个路由器/主机4.5.6路由器与第三层交换技术2．路由器结构路由选择处理机（构造、更新、维护路由表）分组处理和交换（交换结构、一组输入/输出端口）4.6互联网控制报文协议ICMP4.6.1ICMP的作用与特点不能独立于IP单独存在（IP辅助协议），解决IP不可靠问题要封装成IP分组（长度≤576B），再传送给数据链路层。用于IP分组转发过程中检测错误，由路由器向源主机报告差错原因。不能纠正差错（只报告差错）传输层（高层）要得到可靠传输，需要采用其他机制来保证。4.6.2ICMP报文类型和报文格式ICMP报文类型报文类型种类差错报告目的站不可达数据报超时数据报参数错源站抑制路由重定向查询报文时间戳请求与应答回应请求与应答地址掩码请求与应答路由器查询与通告4.6.2ICMP报文类型和报文格式ICMP报文格式4.6.3ICMP差错报文1．目的站不可达报文路由器不能找到正确的路由器/主机，分组转发失败，丢弃该分组。然后向源主机发出ICMP目的站不可达报文4.6.3ICMP差错报文2．源站抑制报文路由器分组接收速率比转发速率快，缓冲区队列将会溢出，造成拥塞，此时向发送站发送“源站抑制”报文4.6.3ICMP差错报文3．路由重定向报文路由器转发分组过程中，要将最有效的路由信息告知源主机，更新主机路由表（路由重定向报文）4.6.3ICMP差错报文3．路由重定向报文路由重定向报文格式代码值描述0对特定网络重定向1对特定主机重定向2基于指定的服务类型对特定网络重定向3基于指定的服务类型对特定主机重定向4.6.3ICMP差错报文4．超时报文产生超时情况：路由器转发分组时，TTL字段值减1后为0，则丢弃该分组，同时向源主机发送超时报文分组所有分段在限定时间内（当第1个分段到达，启动定时器）未能到达目的主机时（分组无法组装），若多个分组出现这种情况，导致目的主机不能接收新的分组，从而出现“死锁”，将丢弃接收到的分段，并向源主机发送超时报文4.6.3ICMP差错报文5．参数出错报文路由器发现以上4种差错情况以外的错误字段，丢弃该分组，向源结点发送参数出错报文。4.6.4ICMP查询报文类型类型名称代码报文名称13/14时间戳请求与应答0时间戳请求0时间戳应答8/0回应请求与应答0回应请求0回应应答17/18地址掩码请求与应答0地址掩码请求0地址掩码应答10/9路由器询问与通告0路由器询问0路由器通告ICMP查询报文的类型与代码说明4.6.4ICMP查询报文1．时间戳请求与应答提供基本简单的网络时钟同步用来确定IP分组在两个机器之间往返所需时间（时钟同步）时间戳：初始时间戳：源主机发出请求的时间接收时间戳：目的主机收到请求的时间发送时间戳：目的主机发送应答时间4.6.4ICMP查询报文2．回应请求与应答测试能否到达目的主机/路由器（网络连通性）由主机发出请求，检查另一个主机能否可达（ping命令）4.6.4ICMP查询报文3．地址掩码请求与应答要得到网络子网掩码，主机向目标路由器发送地址掩码请求报文。路由器回送应答报文，向主机提供所需的掩码4．路由器询问与通告主机要获取目标路由器是否正常工作，向目标路由器发送“询问与通告报文”。主机广播/多播“路由器询问报文”，收到询问报文的路由器回送“通告报文”，广播其路由信息。在没有主机询问时，路由器也可以周期性地发送路由器通告报文，不仅通告自己的存在，而且通告它所知道的网络中所有路由器。4.6.5ICMP报文的封装ICMP报文作为IP分组数据转发（被封装在IP分组的数据段中）包含ICMP报文的IP分组头的协议类型字段值设为：14.7地址解析协议ARP4.7.1IP地址与物理地址的映射IP逻辑地址：实现不同物理网设备（主机、路由器等）地址统一分组数据包最终在物理网络上传输（使用物理地址MAC）TCP/IP中地址类型和层次关系4.7地址解析协议ARP4.7.1IP地址与物理地址的映射地址映射方法：静态映射（人工维护地址映射表）不足：映射表不能及时反映网络设备变化IP地址不变情况下更换了网卡，重新映射主机物理位置发生变化（IP地址不同），但物理地址不变动态映射（ARP建立映射）4.7.2ARP地址解析协议从已知IP地址解析对应的物理地址（MAC）的映射关系过程（正向地址解析RARP：从已知的物理地址解析对应的IP地址（反向地址解析协议）解析过程：使用ARP请求分组、应答分组4.7.3ARP分组格式与封装1．ARP分组中各字段的作用（1）硬件类型：16位，物理网络类型（1-以太网）（2）协议类型：16位，网络协议类型（08000x-IPv4协议）（3）硬件地址长度：8位，物理地址长度（6-以太网地址）（4）协议地址长度：8位，网络层地址长度（4-IPv4协议）（5）操作：16位，1-ARP请求分组；2-ARP应答分组（6）源（目的）结点MAC地址：6B，以太网源（目的）结点物理地址（7）源（目的）结点IP地址：4B，源（目的）结点IP地址（8）补充数据段：18B，ARP分组长度达到46B（最小帧64B要求）2．ARP分组的封装4.7.4地址解析的工作过程1．地址解析的工作过程4.7.4地址解析的工作过程1．地址解析的工作过程代理ARP工作流程4.7.4地址解析的工作过程2．本地ARP高速缓存4.7.4地址解析的工作过程3．ARP实用工具4.7.5ARP欺骗与防范1．ARP协议缺陷ARP高速缓存根据所接收的ARP协议包，随时进行动态更新；ARP协议无需连接，任意主机在无ARP请求时，也可以做出应答；ARP协议没有认证机制，只要接收的协议包有效，主机无条件根据协议包内容刷新本机ARP缓存，并不检查该协议包的合法性4.7.5ARP欺骗与防范2．ARP欺骗过程4.7.5ARP欺骗与防范3.ARP欺骗的防范（1）静态绑定（常用方法）：静态绑定IP和MAC，解决内网PC欺骗。

在网关做相同绑定（双重绑定）

arp-sIP地址MAC地址（2）ARP防护软件：常用工具Antiarp（以一定频率广播正确ARP信息）（3）使用具有ARP防护功能路由器8.1IP组播的基本概念

8.1.1IP组播与单播的区别单播点到点的分组转发，只涉及一个发送端和一个接收端组播一点对多点的分组转发，允许一台主机（称为组播源）一次发送单一数据分组到多台主机（称为接收端）。是节省网络带宽的有效方法之一。8.1.2组播技术的优缺